技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制备方法，是一种结合热原理和机械风压测试原理的三维风速风向传感器，结合加热元件、测温元件和
薄膜结构实现风速的三维测量，采用CMOS工艺结合MEMS后处理技术，完成传感器芯片的制备，实现一种高灵敏度、低功耗的三维风速风向传感器。
背景技术
[0002] 风速风向传感器在气象监测、天气预报、
汽车工业、
生物医药、机场起降条件测试、室内
环境控制等领域有广泛的应用。目前，一维、二维热式
风速计发展比较成熟，具有测量
精度高、响应时间快、功耗低、批量化制造、尺寸小等优点，已广泛应用于日常生产生活中。
[0003] 对于三维风速风向的测量，目前应用较多的是三维超声风速计，其测量量程大，测量精度高，但设备价钱昂贵。
发明内容
[0004] 发明目的：为了克服
现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制备方法，三维风速可以分解为
水平轴向分量和垂直轴向分量，对于水平轴向风速分量采用芯片上中心对称放置的四个加热单元以及四周分布的测温单元进行测量，对于垂直轴向的风速分量采用中心薄膜受风压形变造成的
悬臂梁根部压阻阻值变化进行测量。利用SOI圆片进行芯片制造，采用CMOS工艺和MEMS后处理技术实现芯片制备，在形成中心敏感机械单元结构的同时，实现加热单元的热隔离。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制备方法，在方形芯片的
正面设置有四个
电阻加热元件和四个热传感测温元件，在方形芯片的中部形成由四个悬臂梁
支撑的方形薄膜结构，四个电阻加热元件、四个热传感测温元件和四个悬臂梁均以方形芯片的中心为中心均匀设置；电阻加热元件、热传感测温元件和悬臂梁一一对应，电阻加热元件和热传感测温元件的
位置平行于方形芯片的边，悬臂梁的位置垂直于方形芯片的边，由方形芯片的中心向方形芯片的边依次为悬臂梁、电阻加热元件和热传感测温元件；四个悬臂梁的根部均设置有压敏电阻；方形芯片的背面中部为方形空腔，方形空腔顶面的边在电阻加热元件和热传感测温元件之间，方形芯片的中部设计有四个两臂尺寸相同的直
角L型镂空，四个L型镂空围合成方形薄膜结构，相邻两个L型镂空端部之间的部分即为悬臂梁。
[0007] 上述三维风速分析传感器中，压敏电阻位于支撑薄膜结构的四个悬臂梁的根部位置，可以有效
感知由于竖直方向风速造成的薄膜结构的
变形；当薄膜结构扩大到电阻加热元件区域时(即方形空腔顶面的边接近热传感测温元件)，会形成热隔离，减小热量在芯片中的纵向传播，从而提高加热效率，降低功率损耗。
[0008] 上述三维风速分析传感器结合了热原理和机械风压测试原理，通过改变方形芯片的厚度，可以改变中心薄膜结构的灵敏度；通过改变悬臂梁的形状、结构和尺寸，也可以改变中心薄膜结构的灵敏度。在无风情况下，通过加热对称分布的电阻加热元件，可以在传感器表面形成中心对称分布的
温度场；在外界环境存在一定风速的条件下，该风速可以分解成水平方向分量和竖直方向分量；水平方向风速分量打破对称分布的温度场，在传感器表面形成温度梯度，这一温度梯度由热传感测温元件进行测量；竖直方向的风速分量会对中心薄膜结构产生压
力，使位于悬臂梁根部的压敏电阻的阻值产生变化；对热传感测温元件和压敏电阻输出
信号进行处理，就可以得到外界环境中风速和风向的信息。
[0009] 上述基于MEMS技术的三维风速风向传感器的其制备方法，具体包括如下步骤：
[0010] 第一步：压敏电阻元件的制备
[0011] 步骤11：在SOI圆片的上表面生长一层
二氧化
硅层；
[0012] 步骤12：在
二氧化硅层上表面
旋涂第一
光刻胶层并曝光进行图形化，露出制备压敏电阻的扩散区；
[0013] 步骤13：
刻蚀掉制备压敏电阻的扩散区位置的二氧化硅层；
[0014] 步骤14：使用扩散方法，形成压敏电阻；
[0015] 步骤15：刻蚀掉第一光刻胶层和二氧化硅层；
[0016] 第二步：加热元件和测温元件的制备
[0017] 步骤21：在SOI圆片上表面生长一层
基层栅氧化层；
[0018] 步骤22：在基层栅氧化层上表面淀积
多晶硅，并注入
硼离子；等离子刻蚀多晶硅，形成电阻加热元件和热传感测温元件的一端；
[0019] 步骤23：在基层栅氧化层上表面化学气相淀积栅氧化物形成栅氧化层，栅氧化层包覆电阻加热元件和热传感测温元件的一端；
[0020] 步骤24：利用
干法刻蚀工艺在栅氧化层上制备热传感测温元件上的第一通孔、电阻加热元件上的第二通孔和压敏电阻上的第三通孔；
[0021] 步骤25：利用溅射工艺制备传感器的电引出焊盘、热传感测温元件的另一端、电阻加热元件的电引出焊盘和压敏电阻的电引出焊盘；
[0022] 第三步：中心薄膜结构的制备
[0023] 步骤31：在栅氧化层上表面旋涂第二光刻胶层并曝光进行图形化，露出制备L型镂空的刻蚀区域；
[0024] 步骤32：刻蚀掉制备L型镂空的刻蚀区域位置的栅氧化层，直至裸露出SOI圆片的二氧化硅层；
[0025] 步骤33：刻蚀掉第二光刻胶层；
[0026] 步骤34：在SOI圆片下表面利用
各向异性腐蚀，形成方形空腔；
[0027] 步骤35：利用DRIE各向异性刻蚀，去除方形空腔区域内的二氧化硅层；
[0028] 第四步：划片，完成三维风速风向传感器的制备。
[0029] 有益效果：本发明提供的基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制备方法，相对于现有技术，具有如下特点：1、结合热原理和机械风压测试原理的风速风向传感器结构，在二维热式风速风向传感器的
基础上，在不增加芯片面积的同时，通过中心薄膜结构实现三维风速风向测量；2、在
硅片上，运用CMOS工艺结合MEMS后处理技术实现传感结构制备，在形成中心薄膜敏感结构的同时，实现加热元件的热隔离，有效减小了芯片的纵向热损耗，在有效测量三维风速风向的同时，降低功耗，提高测量灵敏度；3、热传感测温元件采用
热电偶结构，利用热电偶零偏移的特点，不存在温度差的情况下，热电偶输出结果为零，与传统的
热敏电阻作为测温单元的结构相比，避免了零点偏移；4、加热元件和敏感元件的制造工艺与标准的CMOS工艺相兼容，保证了元件加工的可靠性和一致性。
[0030] 传统的风速风向传感器不具备三维风速风向测量能力，本发明利用在传感器中心区域，形成薄膜结构，并在薄膜结构的四个支撑端根部制作压敏单元，在无需增大芯片面积的情况下，实现了三维风速风向的测量。且传统的风速风向传感器一般具有较厚的硅衬底，加热元件产生的热量绝大部分从硅衬底以热传导的方式耗散掉，仅有少量热量与空气进行热
对流换热。利用SOI圆片顶部硅器件层厚度薄的特点，以及利用在SOI圆片衬底层背面制作空腔的工艺，实现了加热元件的热隔离，降低了传感器加热元件功耗，提高了传感器灵敏度。
附图说明
[0031] 图1为压敏元件的制备流程示意图；
[0032] 图2为加热元件和测温元件的制备
流程图；
[0033] 图3为最终划片传感器芯片的正视图；
[0034] 图4为最终划片传感器芯片的剖面图；
[0035] 图5为最终划片传感器芯片的三维剖面图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0037] 一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制备方法，在方形芯片的正面设置有四个电阻加热元件6和四个热传感测温元件17，在方形芯片的中部形成由四个悬臂梁19支撑的方形薄膜结构18，四个电阻加热元件6、四个热传感测温元件17和四个悬臂梁19均以方形芯片的中心为中心均匀设置；电阻加热元件6、热传感测温元件17和悬臂梁19一一对应，电阻加热元件6和热传感测温元件17的位置平行于方形芯片的边，悬臂梁19的位置垂直于方形芯片的边，由方形芯片的中心向方形芯片的边依次为悬臂梁19、电阻加热元件6和热传感测温元件17；四个悬臂梁19的根部均设置有压敏电阻4；方形芯片的背面中部为方形空腔，方形空腔顶面的边在电阻加热元件6和热传感测温元件17之间，方形芯片的中部设计有四个两臂尺寸相同的直角L型镂空16，四个L型镂空16围合成方形薄膜结构18，相邻两个L型镂空16端部之间的部分即为悬臂梁19。
[0038] 上述基于MEMS技术的三维风速风向传感器的其制备方法，具体包括如下步骤：
[0039] 第一步：压敏电阻元件的制备，如图1所示
[0040] 步骤11：在SOI圆片1的上表面生长一层二氧化硅层2；
[0041] 步骤12：在二氧化硅层2上表面旋涂第一光刻胶层3并曝光进行图形化，露出制备压敏电阻4的扩散区；
[0042] 步骤13：刻蚀掉制备压敏电阻4的扩散区位置的二氧化硅层2；
[0043] 步骤14：使用扩散方法，形成压敏电阻4；
[0044] 步骤15：刻蚀掉第一光刻胶层3和二氧化硅层2；
[0045] 第二步：加热元件和测温元件的制备，如图2所示
[0046] 步骤21：在SOI圆片1上表面生长一层基层栅氧化层5；
[0047] 步骤22：在基层栅氧化层5上表面淀积多晶硅，并注入硼离子；等离子刻蚀多晶硅，形成电阻加热元件6和热传感测温元件17的一端；
[0048] 步骤23：在基层栅氧化层5上表面化学气相淀积栅氧化物形成栅氧化层8，栅氧化层8包覆电阻加热元件6和热传感测温元件17的一端；
[0049] 步骤24：利用干法刻蚀工艺在栅氧化层8上制备热传感测温元件17上的第一通孔9、电阻加热元件6上的第二通孔10和压敏电阻4上的第三通孔11；
[0050] 步骤25：利用溅射工艺制备传感器的电引出焊盘12、热传感测温元件17的另一端13、电阻加热元件6的电引出焊盘14和压敏电阻4的电引出焊盘15；
[0051] 第三步：中心薄膜结构的制备
[0052] 步骤31：在栅氧化层8上表面旋涂第二光刻胶层并曝光进行图形化，露出制备L型镂空16的刻蚀区域；
[0053] 步骤32：刻蚀掉制备L型镂空16的刻蚀区域位置的栅氧化层8，直至裸露出SOI圆片1的二氧化硅层；
[0054] 步骤33：刻蚀掉第二光刻胶层；
[0055] 步骤34：在SOI圆片1下表面利用各向异性腐蚀，形成方形空腔；
[0056] 步骤35：利用DRIE各向异性刻蚀，去除方形空腔区域内的二氧化硅层；
[0057] 第四步：划片，完成三维风速风向传感器的制备，如图3和图4所示。
[0058] 传统的风速风向传感器一般具有较厚的硅衬底，加热元件产生的热量绝大部分从硅衬底以热传导的方式耗散掉，仅有少量热量与空气进行热对流换热。利用SOI圆片硅器件层厚度薄的特点，以及利用在SOI圆片衬底层背面制作空腔的工艺，实现了加热元件6的热隔离，降低了电阻加热元件6功耗，提高了传感器灵敏度。
[0059] 在传感器中心区域，形成薄膜结构18，并在薄膜结构18的四个悬臂梁19根部制作压敏电阻4，在无需增大芯片面积的情况下，实现了三维风速风向的测量。
[0060] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
