CN106568569B - 一种mems二维湍流传感器结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋湍流探测领域，具体是一种MEMS二维湍流传感器结构及其制备方法，包括SOI基片，SOI基片的顶层硅被刻蚀至埋氧层并被刻蚀成中心圆盘结构，埋氧层被刻蚀形成“田”字型结构，中心圆盘位于“田”字型结构的十字悬臂梁的交叉处，十字悬臂梁的四个梁臂上都设有硅纳米线，埋氧层上还设有金属引线，金属引线将硅纳米线连接由此形成惠斯通电桥，中心圆盘上集成有硅纤毛，底层硅被刻蚀至埋氧层并被刻蚀成方框状结构，“田”字型结构的四周支撑在方框状结构上。本发明针对海洋湍流探测维度、分辨率、灵敏度不够的技术问题，提出基于巨压阻效应的MEMS二维湍流传感器，利用纤毛‑十字梁结构和硅纳米线敏感单元实现湍流高灵敏度、高分辨、二维探测。

Description

一种MEMS二维湍流传感器结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及海洋湍流探测领域，具体是一种MEMS二维湍流传感器结构及其制备方法。

背景技术

随着物理海洋学的迅速发展，人们已经认识到微尺度海洋湍流测试对于人类科学研究的重要性。

当前，国际上常用的湍流传感器主要有以下几种：加拿大Bedford海洋研究所N.Oakey研制的剪切流传感器；美国Oregon州立大学M.Moum研制的剪切流传感器，直径：3.2cm，灵敏度0.37╳10^-4V/Pa；德国ISW Washer公司H.Prandke研制的PNS系列剪切流传感器，PNS03翼型的直径3mm，灵敏度1╳10^-4V/Pa；加拿大Rockland公司T.Osbern研制的SPM传感器，直径0.95cm，灵敏度0.57╳10^-4V/Pa。

目前，湍流传感器的研发成果集中在美国、德国、加拿大等国家，虽然我国也已经开展湍流传感器的相关研究，但在传感器特性认识、制造工艺上还较为缺乏。2010年，天津大学研制出了垂向剖面仪工程样机，并搭载自己研发的剪切流传感器和国外PNS传感器进行了南海实验比对。2013年，中国海洋大学利用自主研制的潜标海洋湍流观测平台并搭载国外进口的PNS系列湍流传感器在中国南海海域(21°09.900’N，117°42.031’E)进行试验，国际上首次获取了长达110天的长期定点湍流观测数据。

综合分析国内外当前湍流传感器的研究现状，普遍存在以下问题：一、当前，市面上常见的国外湍流传感器，如PNS系列和SPM系列，价格均在3万元人民币/只以上，从而造成湍流剖面仪(10万元/个)价格居高不下，这与大面积、广区域海洋观测非常不利。二、湍流在形成和消散过程中并非各向同性，在微尺度上具有一定空间分布特性。当前，所有的湍流传感器均以一维传感为主，在实际应用中往往由两个传感器正交配对组合成二维传感，继而安装误差不可避免，且不易形成单点多维观测。三、当前，国内外海洋湍流传感器空间测量的最高分辨率为3mm[11]，这对研究微尺度湍流空间精细分布、能量耗散机理而言，精度不够。综上，对于研究海洋微尺度湍流亟需可实现单点多维高分辨率观测的高性能、低成本的湍流传感器。

发明内容

本发明针对海洋湍流探测维度、分辨率、灵敏度不够的技术瓶颈问题，提出基于巨压阻效应的一种MEMS二维湍流传感器结构及其制备方法，利用纤毛-十字悬臂梁结构和硅纳米线敏感单元实现湍流高灵敏度高分辨二维探测。本发明揭示纤毛式传感器二维拾振与湍流的影响机制，为研究湍流动能耗散率时空变化规律提供支持；利用与半导体工艺兼容的侧墙掩模法制备硅纳米线，基于其巨压阻效应实现高灵敏检测；开发基于巨压阻效应MEMS二维湍流传感器一体化制备工艺，合理设计结构参数以提高器件性能。本发明能为微尺度湍流的形成、消失机理及运动轨迹研究提供可靠探测手段,对认知湍流动态演化过程、明晰能量交换内在机理有着非常重要意义。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种MEMS二维湍流传感器结构，包括SOI基片，SOI基片的顶层硅被刻蚀至埋氧层并被刻蚀成中心圆盘结构，埋氧层被刻蚀形成“田”字型结构，中心圆盘位于“田”字型结构的十字悬臂梁的交叉处，埋氧层十字悬臂梁的四个梁臂上都设有硅纳米线，埋氧层上还设有金属引线，金属引线将硅纳米线连接由此在埋氧层上形成惠斯通电桥，中心圆盘上集成有硅纤毛，底层硅被刻蚀至埋氧层并被刻蚀成方框状结构，“田”字型结构的四周支撑在方框状结构上。

本发明探测机理为：当湍流剪切流作用于硅纤毛时，硅纤毛的摆动导致十字悬臂梁发生应力应变，从而导致十字悬臂梁上压敏电阻(硅纳米线)阻值发生变化，通过惠斯通电桥提取该变化分析剪切流的大小和方向，从而得到二维湍流信息。硅纳米线巨压阻效应实现高灵敏度湍流探测，剪切流灵敏度和压敏单元压阻系数成正比，利用巨压阻效应的硅纳米线作为压敏单元，大大提高灵敏度。

上述的一种MEMS二维湍流传感器结构的制备方法，包括以下步骤：

第一步：选取SOI片作为基片，在基片上生长一层SiO₂层；

第二步：在正面进行光刻，使其图形化SiO₂层，在基片顶层得到SiO₂块，然后在基片顶层上PECVD氮化硅；

第三步：采用干法刻蚀方法，刻蚀掉基片顶层上的的氮化硅，SiO₂块两侧的氮化硅得到保留；

第四步：正面刻蚀顶层硅至埋氧层，顶层硅被刻蚀成中心圆盘，埋氧层被刻蚀形成“田”字型结构，中心圆盘位于“田”字型结构的十字悬臂梁交叉处；同时腐蚀掉基片顶层的SiO₂块，得到氮化硅侧墙，利用氮化硅侧墙制备闭合方块式硅纳米线，构成惠斯通电桥的压敏电阻，每个压敏电阻为两条并联的硅纳米线，硅纳米线位于十字悬臂梁的梁臂上；

第五步：正面溅射金属Cr、Au；光刻、腐蚀Cr、Au，形成金属引线；金属引线将硅纳米线连接，由此在埋氧层上形成惠斯通电桥，在闭合方块硅纳米线两端形成欧姆接触；第六步：双面光刻，在正面已经成型的情况下，从背面深刻蚀底层硅至埋氧层，底层硅被刻蚀成方框状结构，在中心圆盘上一体化集成硅纤毛。

上述的一种MEMS二维湍流传感器结构，硅纤毛的横向尺寸为0.3mm，相对于目前商用海洋湍流传感器空间测量的最高分辨率3mm，极大地提高了空间分辨率，这对微尺度湍流空间精细分布、能量耗散机理的研究大有裨益。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、提出利用MEMS跨尺度微加工技术实现集成纤毛式二维湍流传感器，实现微尺度湍流动能耗散率高分辨率、二维探测，为海洋湍流能量耗散内在机理研究提供技术支持。分析湍流动能耗散率随时-空变化的物理数学模型，为认知湍流动能耗散等物理现象奠定理论基础，也为研究海洋湍流提供实验手段。

2、提出利用与半导体工艺兼容的侧墙掩模法制备硅纳米线作为压阻敏感单元，基于其巨压阻效应解决MEMS湍流传感器微结构高灵敏度和宽频响带宽不能兼得的矛盾，实现传感器灵敏度和工作频带共同提高，并为相同传感原理的MEMS器件性能提升提供技术储备。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的制备流程示意图。

图3为本发明湍流测试结果图。

图4为PNS湍流传感器测试结果图。

图中：1-SOI基片，2-硅纳米线，3-金属引线，4-十字悬臂梁，5-硅纤毛。

具体实施方式

一种MEMS二维湍流传感器结构，包括SOI基片1，SOI基片1的顶层硅被刻蚀至埋氧层并形成中心圆盘，埋氧层被刻蚀形成“田”字型结构，中心圆盘位于“田”字型结构的十字悬臂梁4的交叉处，“田”字型结构的十字悬臂梁的四个梁臂上都设有两条并联的闭合方块式硅纳米线2，埋氧层上还设有金属引线3，金属引线3将硅纳米线连接由此在埋氧层上形成惠斯通电桥，中心圆盘上集成有高400μm、横向尺寸为0.3mm的硅纤毛5，底层硅被刻蚀至埋氧层并形成方框状结构，“田”字型结构的四周支撑在方框状结构上。

上述的一种MEMS二维湍流传感器结构的制备方法，包括以下步骤：

第一步：选取SOI片作为基片，在基片上生长一层SiO₂层；

第二步：在正面进行光刻，使其图形化SiO₂层，在基片顶层得到SiO₂块，然后在基片顶层上PECVD氮化硅；

第三步：采用干法刻蚀方法，刻蚀掉基片顶层上的的氮化硅，SiO₂块两侧的氮化硅得到保留；

第四步：正面刻蚀顶层硅至埋氧层，顶层硅被刻蚀成中心圆盘，埋氧层被刻蚀形成“田”字型结构，中心圆盘位于“田”字型结构的十字悬臂梁交叉处；同时腐蚀掉基片顶层的SiO₂块，得到氮化硅侧墙，利用氮化硅侧墙制备闭合方块式硅纳米线，构成惠斯通电桥的压敏电阻，每个压敏电阻为两条并联的硅纳米线，硅纳米线位于十字悬臂梁的梁臂上；

第五步：正面先溅射金属Cr、再溅射Au；光刻、腐蚀Cr、Au，形成金属引线；金属引线将硅纳米线连接，由此在埋氧层上形成惠斯通电桥，在闭合方块硅纳米线两端形成欧姆接触，金属Cr的作用是起到了粘附的效果，使金属Au更加牢固；

第六步：双面光刻，在正面已经成型的情况下，从背面深刻蚀底层硅至埋氧层，底层硅被刻蚀成方框状结构，在中心圆盘上一体化集成硅纤毛。

MEMS二维湍流传感器的动能耗散率敏感机理为：

硅纤毛在X轴方向产生弯矩为M_f、Y轴产生扭矩为M_t，X方向拉伸/压缩应力F_x为硅纤毛X方向受力，b为十字悬臂梁宽度，d为十字梁厚度，与中心圆盘厚度一致。

十字悬臂梁上应力分布为：

(3)，式中，M_x＝十字悬臂梁上任何一点的力矩，Wz＝流体垂直纤毛轴向的相对速度，μ＝泊松比，l＝十字悬臂梁长度，R＝中心圆盘半径，d＝中心圆盘厚度，h＝硅纤毛高度，β＝扭矩系数；

利用惠斯通电桥把压敏电阻变化转化成电压输出：

(4)，式中：V_in＝输入电压，Vout＝输出电压，π_l＝纵向压阻系数，F_x＝ρ(2r₀h)Uw(5)，ρ＝流体密度，r₀＝硅纤毛半径，w＝流体垂直纤毛轴向的相对速度，U＝流体沿硅纤毛中轴线的相对速度，结合公式(4)和(5)，输出电压

定义灵敏度

流速剪切信号

湍流动能耗散率：(8)，式中，ψ(k)为脉动剪切流速的波数谱，k＝波数，ν＝流体运动学粘滞系数。

方法验证：湍流测试初步验证

在中国海洋大学利用MEMS二维湍流传感器进行过室内湍流试验，与国外PNS湍流传感器测试结果非常吻合(20％的误差主要来源于湍流制造涡轮所引起的平台振动)，初步验证了该纤毛式微结构观测湍流的可行性。其结果如图3和图4所示。

灵敏度分析：

基于体硅压阻的纤毛式传感器灵敏度为-180dB(0dB＝1V/μPa)，余弦指向性凹点深度大于30dB，换算为水流灵敏度为3.5╳10-4Vms2/kg，交叉轴灵敏度小于3％。根据巨压阻效应的研究报道，硅纳米线的巨压阻系数为体硅的10倍以上，对应于灵敏度即为提高10倍，大于3╳10-3Vms2/kg，交叉轴灵敏度小于3％。

Claims (3)

1.一种MEMS二维湍流传感器结构，其特征在于包括SOI基片（1），SOI基片（1）的顶层硅被刻蚀至埋氧层并被刻蚀成中心圆盘结构，埋氧层被刻蚀形成“田”字型结构，中心圆盘位于“田”字型结构的十字悬臂梁（4）的交叉处，埋氧层十字悬臂梁（4）的四个梁臂上都设有硅纳米线（2），埋氧层上还设有金属引线（3），金属引线（3）将硅纳米线（2）连接由此在埋氧层上形成惠斯通电桥，中心圆盘上集成有硅纤毛（5），底层硅被刻蚀至埋氧层并被刻蚀成方框状结构，“田”字型结构的四周支撑在方框状结构上。

2.如权利要求1所述的一种MEMS二维湍流传感器结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：选取SOI片作为基片，在基片上生长一层SiO₂层；

第二步：在正面进行光刻，使其图形化SiO₂层，在基片顶层得到SiO₂块，然后在基片顶层上PECVD氮化硅；

第三步：采用干法刻蚀方法，刻蚀掉基片顶层上的的氮化硅，SiO₂块两侧的氮化硅得到保留；

第四步：正面刻蚀顶层硅至埋氧层，顶层硅被刻蚀成中心圆盘，埋氧层被刻蚀形成“田”字型结构，中心圆盘位于“田”字型结构的十字悬臂梁交叉处；同时腐蚀掉基片顶层的SiO₂块，得到氮化硅侧墙，利用氮化硅侧墙制备闭合方块式硅纳米线，构成惠斯通电桥的压敏电阻，每个压敏电阻为两条并联的硅纳米线，硅纳米线位于十字悬臂梁的梁臂上；

第五步：正面溅射金属Cr、Au；光刻、腐蚀Cr、Au，形成金属引线；金属引线将硅纳米线连接，由此在埋氧层上形成惠斯通电桥，在闭合方块硅纳米线两端形成欧姆接触；

第六步：双面光刻，在正面已经成型的情况下，从背面深刻蚀底层硅至埋氧层，底层硅被刻蚀成方框状结构，在中心圆盘上一体化集成硅纤毛。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS二维湍流传感器结构，其特征在于硅纤毛的横向尺寸为0.3mm。