CN114675050B - 一种应变计式三维mems风速风向传感器的制备方法及结构 - Google Patents
一种应变计式三维mems风速风向传感器的制备方法及结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法及结构，属于微电子领域。本发明利用应变计发生形变阻值发生变化来反映风速的大小：当有风从传感器表面吹过时，第一悬臂梁作为感风单元，受到作用于悬臂梁的气流的作用将发生形变，第一悬臂梁上表面的第一应变计也发生形变、电阻值发生变化。同理，当有垂直方向的风通过传感器的空腔时，第二悬臂梁作为感风单元，受到垂直风向的气流作用而发生形变，第二悬臂梁上表面的第二应变计也发生形变、电阻值发生变化。通过检测每个风速测量单元的应变计电阻值的变化，可以检测风速的大小，也可以检测风速的方向。本发明的三维风速传感器响应速度快，温度影响小，功耗低，结构简单，体积小。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法及结构。
背景技术
风速风向传感器广泛应用在智慧农业、风力发电厂、高速公路风速监测、气象预警等领域。目前，二维风速风向传感器技术比较成熟，具有精度高、功耗低、尺寸小、成本低等优点，应用比较广泛。对于三维风速风向的测量多使用超声风速计，体积大，功耗高，价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法及结构，能够测量三维风速，并且具有响应速度快，结构简单，体积小，容易批量加工、成本低等优点。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法，包括：
提供衬底，在衬底的表面制作铝牺牲层和可光刻的聚酰亚胺；
对所述聚酰亚胺图像化，形成聚合物膜、第一悬臂梁和第二悬臂梁的主体结构；
在第一悬臂梁和第二悬臂梁的上表面分别形成第一应变计和第二应变计；接着形成第一刚性铰链、第一金属引线、第二刚性铰链、第二金属引线以及磁性板的初步图形；
在第一悬臂梁的上表面电镀磁性材料形成磁性板；
将其放置在磷酸溶液中，腐蚀铝牺牲层，释放其上方的第一悬臂梁和第二悬臂梁；
将其放到电镀槽中，并施加外部磁场使得含有磁性材料的第一悬臂梁和所述衬底分离并倾斜，所述第二悬臂梁无磁性材料保持水平；
通过磁控溅射电极金属铝形成第一电极和第二电极；
在所述硅衬底的下表面采用各向异性腐蚀，形成长方形空腔，制作完成应变计式三维MEMS风速风向传感器。
可选的，在衬底的表面制作铝牺牲层和可光刻的聚酰亚胺包括：在衬底上蒸发一层铝牺牲层，并且图像化，在需要形成梁结构的地方保留铝牺牲层，并且在衬底的上表面旋涂一层可光刻的聚酰亚胺。
可选的，通过在第一悬臂梁和第二悬臂梁的上表面使用电子束蒸发淀积一层NiCr层，形成第一应变计和第二应变计；
通过蒸发一层Au/Cr形成第一刚性铰链、第一金属引线、第二刚性铰链、第二金属引线以及磁性板的初步图形。
可选的，所述磁性板形成于初步图形区域，所述磁性材料包括铁镍合金。
可选的，在电镀槽中使第一悬臂梁和衬底分离并倾斜的同时，通过电镀一层合金加厚所述第一刚性铰链和所述第二刚性铰链。
本发明还提供了一种应变计式三维MEMS风速风向传感器，包括第一悬臂梁，磁性板，第一应变计，第一刚性铰链，第一金属引线、第一电极，第二悬臂梁，第二应变计、第二刚性铰链，第二金属引线，第二电极，空腔，聚合物膜以及硅衬底；
聚合物膜有若干个，分布在所述硅衬底的表面，所述第一悬臂梁通过所述第一刚性铰链与一个聚合物膜连接在一起，所述第一悬臂梁的上表面靠近所述第一刚性铰链处覆盖第一应变计，所述第一悬臂梁的上表面远离所述第一刚性铰链处覆盖磁性板，所述磁性板与所述第一应变计相连；
所述第二悬臂梁通过第二刚性铰链与另一个聚合物膜连接在一起，所述第二悬臂梁的上表面靠近所述第二刚性铰链处覆盖第二应变计，所述空腔位于所述第二悬臂梁的下方；
所述第一电极通过第一金属引线与第一刚性铰链相连，第一刚性铰链和第一应变计相连，所述第一刚性铰链既作为支撑，也作为导线。
可选的，所述第一悬臂梁的可移动端倾斜向上，与所述磁性板、所述第一应变计、所述第一刚性铰链、所述第一金属引线、所述第一电极组成一个水平方向风速测试单元，该水平方向风速测量单元环绕传感器的中心每隔90度分布一个，共四个；当有水平方向的风作用于倾斜的第一悬臂梁时，第一应变计将发生形变、阻值发生变化，根据应变计的阻值计算出水平风速大小。
可选的，所述第二悬臂梁为水平，与所述第二应变计、所述第二刚性铰链、所述第二金属引线、所述第二电极以及所述空腔组成一个垂直风速测量单元，第二应变计通过第二刚性铰链和第二金属引线实现电连接，当有垂直方向吹过第二悬臂梁时，第二应变计将发生形变、阻值发生变化，根据该应变计的阻值计算出垂直风速的大小。
在本发明提供的应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法及结构，利用了机械原理对风速的三个分量进行测量，利用应变计的阻值变化来测量风速的大小，相对于现有的热式风速计，响应速度要快，温度影响小，功耗低；本发明的三维风速传感器的结构简单，体积小，便于集成安装和携带，满足野外等作业的需要；传感器容易加工，可以采用微机械加工方法批量加工，成本较低。
附图说明
图1为在硅衬底上蒸发铝牺牲层、图形化和旋涂聚酰亚胺的示意图；
图2为对聚酰亚胺图像化形成梁的主体结构的示意图；
图3为形成应变计、刚性铰链、金属引线和磁性板的基础图形的示意图；
图4为在第一悬臂梁的上表面电镀磁性材料形成磁性板的示意图；
图5为腐蚀铝牺牲层释放梁结构的示意图；
图6为利用磁场使第一悬臂梁倾斜、电镀加厚刚性铰链的示意图；
图7为利用磁控溅射电极金属铝形成第一电极的示意图；
图8为腐蚀硅衬底形成长方形空腔的示意图；
图9为本发明应变计式三维MEMS风速风向传感器结构的剖视示意图；
图10为本发明应变计式三维MEMS风速风向传感器结构的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法及结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供的一种应变计式三维MEMS风速风向传感器的制作过程如下：
如图1所示，选择硅片作为衬底9，在衬底9上蒸发一层铝牺牲层，并且图像化，在需要形成梁结构的地方保留铝牺牲层13，并且在衬底9的上表面旋涂一层可光刻的聚酰亚胺14；
如图2所示，对所述聚酰亚胺14图像化，形成聚合物膜7、第一悬臂梁11和第二悬臂梁12的主体结构；
如图3所示，所述第一悬臂梁11和所述第二悬臂梁12的上表面使用电子束蒸发淀积一层NiCr层，形成第一应变计31和第二应变计32；接着蒸发一层Au/Cr用作第一刚性铰链41的初步形状、第一金属引线51、第二刚性铰链42的初步形状、第二金属引线52以及磁性板的初步图形20；
如图4所示，在所述第一悬臂梁11的上表面，磁性板的初步图形20区域电镀磁性材料形成磁性板2，磁性材料可以选用铁镍合金；
如图5所示，将其放置在磷酸溶液中，对铝牺牲层13进行腐蚀释放其上方的所述第一悬臂梁11和所述第二悬臂梁12；
如图6所示，将其放到电镀槽中，并施加外部磁场使得含有磁性材料的所述第一悬臂梁11和所述衬底9分离并倾斜，所述第二悬臂梁12无磁性材料保持水平，同时通过电镀一层合金加厚所述第一刚性铰链41和所述第二刚性铰链42；
如图7所示，通过磁控溅射电极金属铝形成第一电极61和第二电极62；
如图8所示，在所述硅衬底9的下表面采用各向异性腐蚀，形成长方形空腔8，
最终制作形成如图9所示的本发明提供的应变计式三维MEMS风速风向传感器，如图10所示为传感器的俯视图。
如图9和图10所示分别为本发明提供的一种应变计式三维MEMS风速风向传感器的剖视图和俯视图，该传感器包括第一悬臂梁11，磁性板2，第一应变计31，第一刚性铰链41，第一金属引线51、第一电极61，第二悬臂梁12，第二应变计32、第二刚性铰链42，第二金属引线52，第二电极62，空腔8，聚合物膜7以及硅衬底9。
聚合物膜7有若干个，分布在所述硅衬底9的表面，作为所有悬臂梁(包括第一悬臂梁11和第二悬臂梁12)的固定端。所述第一悬臂梁11通过所述第一刚性铰链41与一个聚合物膜7连接在一起，所述第一悬臂梁11的上表面靠近所述第一刚性铰链41处覆盖第一应变计31，所述第一悬臂梁11的上表面远离所述第一刚性铰链41处覆盖磁性板2；
所述第二悬臂梁12通过第二刚性铰链42与另一个聚合物膜7连接在一起，所述第二悬臂梁12的上表面靠近所述第二刚性铰链42处覆盖第二应变计32，第二悬臂梁12的上表面没有磁性板。所述空腔8位于所述第二悬臂梁12的下方。
所述第一电极61通过第一金属引线51与第一刚性铰链41相连，第一刚性铰链41和第一应变计31相连，第一刚性铰链41既作为支撑，也作为导线。
第一悬臂梁11上表面有磁性板2，用于在传感器制作过程中利用磁场产生倾斜悬臂梁，所述磁性板2与所述第一应变计31相连。
所述第一悬臂梁11的可移动端是倾斜向上的，与所述磁性板2、所述第一应变计31、所述第一刚性铰链41、所述第一金属引线51、所述第一电极61组成一个水平方向风速测试单元，该水平方向风速测量单元环绕传感器中心每隔90度分布一个，共四个，如图10所示。当有水平方向的风作用于倾斜的第一悬臂梁11时，第一应变计31将发生形变、阻值发生变化，将应变计的阻值记作R，无风时应变计的阻值记作R0，风速v风正比于应变计的阻值变化值(R-R0)，即v风＝k×(R-R0)，通过风速标定可以得出k的值，因此根据应变计的阻值可以计算出应变计的阻值变化值，进而得出水平风速大小。
所述第二悬臂梁12是水平的，与所述第二应变计32、所述第二刚性铰链42、所述第二金属引线52、所述第二电极62以及所述空腔8组成一个垂直风速测量单元，第二应变计32通过第二刚性铰链42和第二金属引线52实现电连接，当有垂直方向吹过第二悬臂梁12时，第二应变计32将发生形变、阻值发生变化，类似上述原理根据该应变计的阻值可以计算出垂直风速的大小。
如图9所示，所述第一悬臂梁11上表面靠近第一刚性铰链41处覆盖有第一应变计31，第一应变计31的电阻值为R1，当有风从传感器表面吹过时，第一悬臂梁11作为感风单元，受到作用于悬臂梁的气流作用将发生形变，第一应变计31也发生形变，电阻值R1发生变化，电阻值R1的值反映了水平方向风速的大小，通过四个水平风速测量单元既可以确定水平风速大小也可以确定风速的方向。同理，当有垂直方向的风通过传感器的空腔8时，第二悬臂梁12作为感风单元，发生形变，第二应变计发生形变，第二应变计电阻值R2发生变化，电阻值R2的大小反映垂直方向风速大小。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底，在衬底的表面制作铝牺牲层和可光刻的聚酰亚胺；
对所述聚酰亚胺图像化，形成聚合物膜、第一悬臂梁和第二悬臂梁的主体结构；
在第一悬臂梁和第二悬臂梁的上表面分别形成第一应变计和第二应变计；接着形成第一刚性铰链、第一金属引线、第二刚性铰链、第二金属引线以及磁性板的初步图形；
在第一悬臂梁的上表面电镀磁性材料形成磁性板；
将其放置在磷酸溶液中，腐蚀铝牺牲层，释放其上方的第一悬臂梁和第二悬臂梁；
将其放到电镀槽中，并施加外部磁场使得含有磁性材料的第一悬臂梁和所述衬底分离并倾斜，所述第二悬臂梁无磁性材料保持水平；
通过磁控溅射电极金属铝形成第一电极和第二电极；
在所述衬底的下表面采用各向异性腐蚀，形成长方形空腔，制作完成应变计式三维MEMS风速风向传感器。
2.如权利要求1所述的应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法，其特征在于，在衬底的表面制作铝牺牲层和可光刻的聚酰亚胺包括：在衬底上蒸发一层铝牺牲层，并且图像化，在需要形成梁结构的地方保留铝牺牲层，并且在衬底的上表面旋涂一层可光刻的聚酰亚胺。
3.如权利要求1所述的应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法，其特征在于，通过在第一悬臂梁和第二悬臂梁的上表面使用电子束蒸发淀积一层NiCr层，形成第一应变计和第二应变计；
通过蒸发一层Au/Cr形成第一刚性铰链、第一金属引线、第二刚性铰链、第二金属引线以及磁性板的初步图形。
4.如权利要求1所述的应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法，其特征在于，所述磁性板形成于初步图形区域，所述磁性材料包括铁镍合金。
5.如权利要求1所述的应变计式三维MEMS风速风向传感器的制备方法，其特征在于，在电镀槽中使第一悬臂梁和衬底分离并倾斜的同时，通过电镀一层合金加厚所述第一刚性铰链和所述第二刚性铰链。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的制备方法制备出的应变计式三维MEMS风速风向传感器，其特征在于，包括第一悬臂梁，磁性板，第一应变计，第一刚性铰链，第一金属引线、第一电极，第二悬臂梁，第二应变计、第二刚性铰链，第二金属引线，第二电极，空腔，聚合物膜以及衬底；
聚合物膜有若干个，分布在所述衬底的表面，所述第一悬臂梁通过所述第一刚性铰链与一个聚合物膜连接在一起，所述第一悬臂梁的上表面靠近所述第一刚性铰链处覆盖第一应变计，所述第一悬臂梁的上表面远离所述第一刚性铰链处覆盖磁性板，所述磁性板与所述第一应变计相连；
所述第二悬臂梁通过第二刚性铰链与另一个聚合物膜连接在一起，所述第二悬臂梁的上表面靠近所述第二刚性铰链处覆盖第二应变计，所述空腔位于所述第二悬臂梁的下方；
所述第一电极通过第一金属引线与第一刚性铰链相连，第一刚性铰链和第一应变计相连，所述第一刚性铰链既作为支撑，也作为导线。
7.如权利要求6所述的应变计式三维MEMS风速风向传感器，其特征在于，所述第一悬臂梁的可移动端倾斜向上，与所述磁性板、所述第一应变计、所述第一刚性铰链、所述第一金属引线、所述第一电极组成一个水平方向风速测试单元，该水平方向风速测量单元环绕传感器的中心每隔90度分布一个，共四个；当有水平方向的风作用于倾斜的第一悬臂梁时，第一应变计将发生形变、阻值发生变化，根据应变计的阻值计算出水平风速大小。
8.如权利要求6所述的应变计式三维MEMS风速风向传感器，其特征在于，所述第二悬臂梁为水平，与所述第二应变计、所述第二刚性铰链、所述第二金属引线、所述第二电极以及所述空腔组成一个垂直风速测量单元，第二应变计通过第二刚性铰链和第二金属引线实现电连接，当有垂直方向吹过第二悬臂梁时，第二应变计将发生形变、阻值发生变化，根据该应变计的阻值计算出垂直风速的大小。
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