一种测风传感器芯片结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于微机械加工的测风传感器及其制作方法，尤其涉及一种背面引线、正面通过刻蚀聚合物的方式实现感风结构的测风传感器芯片及其制造方法。
【背景技术】
[0002]风速、风向是反应气象情况非常重要的参数，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响，因此快速准确测量出风速和风向具有重要的实际意义。众所周知，利用机械加工的风杯和风向标虽然也能测量风速和风向，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。典型超声风速传感器发射和探测接收头位置固定，因此相对结构也较大。基于MEMS加工技术的微型流速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来流体传感器研宄的热点。压阻效应的成熟，也使其在流体传感器中有很重要的应用。但是传统的压阻式风速计，其感风结构与感压薄膜通过封装过程中粘合的方式固定，在长期使用中，结构容易损坏，使用寿命短。
【发明内容】
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测风传感器芯片结构及其制造方法，通过对有机聚合物材料进行光刻加工以实现圆片级制造测风传感器的工
-H-
O
[0004]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0005]一种测风传感器芯片结构，包括方形衬底；在衬底的背面设置环形凹槽，环形凹槽在衬底中心位置，将环形凹槽围合形成的凸起称为中心支撑体；在衬底的正面设置感风柱，感风柱垂直位于衬底的中心，感风柱的底端深入到中心支撑体的实体内部，感风柱的上端高出衬底的上表面用于感风；以衬底的中心为中心，靠近中心的一侧为内侧，远离中心的一侧为外侧，在衬底的正面二维正交对称分布有四个结构、尺寸相同的压敏电阻，压敏电阻的内端在环形凹槽正对区域范围内，压敏电阻的外端在环形凹槽外斜面正对区域范围内；在压敏电阻与感风柱连线方向上，在衬底的背面设置倒锥型通孔，倒锥型通孔位于环形凹槽外侧，压敏电阻的金属引线通过对应的倒锥型通孔转移到衬底的背面引出。
[0006]上述传感器芯片结构中，感风柱位于感压薄膜(环形凹槽及其围合的内部区域)的中心位置，并深入到感压薄膜下方的中心支撑体内且被固定，实现了感风柱与感压薄膜的锁定嵌套，提高了传感器结构的可靠性；压敏电阻位于感压薄膜边缘附近，且二维正交对称分布，压敏电阻的引线通过衬底边缘附近的倒锥型通孔转移到衬底的背面引出；四个压阻传感器可以根据风速和风向对感风柱的作用而产生不同的输出，经过数值计算可以得到风速和风向的信息。
[0007]上述传感器芯片在工作时，若有风吹来，感风柱受到风力会发生摆动，带动感压薄膜产生应力，位于下风向的压敏电阻受到感压薄膜的应力阻值增大，位于上风向的压敏电阻受到的感压薄膜的应力阻值减小，由于四组压敏电阻以感风柱为中心正交分布，所以可以得到两组正交的电阻阻值变化，通过一定的电路读取这些变化，最后通过数值计算，可以得到风速和风向的信息。
[0008]一种上述测风传感器芯片结构的制造方法，包括如下步骤:
[0009]步骤一:在η型硅衬底的正面旋涂光刻胶并进行光刻，然后采用离子注入或扩散硼的方式形成四个压敏电阻；
[0010]步骤二:首先在衬底的正面和背面通过热氧化的方式生长一层氧化硅保护膜，然后光刻背面的氧化硅保护膜，最后利用氢氧化钾腐蚀液刻蚀背面形成环形凹槽和部分倒锥型通孔；
[0011]步骤三:首先在衬底背面通过热氧化的方式重新生长一层氧化硅保护膜，然后光刻倒锥型通孔位置的氧化硅保护膜，最后利用氢氧化钾腐蚀液刻蚀倒锥型通孔直至露出衬底正面的氧化硅保护膜；
[0012]步骤四:首先在衬底的正面和背面通过热氧化的方式重新生长一层氧化硅保护膜，然后在衬底的背面采用采用磁控溅射方式淀积一层金属铝，最后通过光刻和腐蚀金属铝的方式形成背面的金属引线；
[0013]步骤五:首先在衬底的正面光刻，露出压敏电阻的引线孔和倒锥型通孔的引线孔，然后淀积金属铝，最后通过光刻和腐蚀金属铝的方式形成正面的金属引线；
[0014]步骤六:首先在在衬底的正面采用深反应离子刻蚀的方式刻蚀形成封闭垂直槽，然后利用硅各向异性腐蚀液(例如氢氧化钾)对封闭垂直槽进行各向异性腐蚀形成内部宽敞、开口狭窄的空槽，接着在空槽内以及空槽的正上方淀积足够厚度的SU-8胶，光刻SU-8胶最终形成中心嵌套在中心支撑体中的感风柱。
[0015]有益效果:本发明提供的测风传感器芯片结构及其制造方法，相对于现有技术，具有如下优势:1、引线面和测量表面分离，封装简单、功耗低、便携性好；2、采用微电子制造工艺制作，一致性好、成本低；3、感风柱作为一个整体结构被嵌套固定在感压薄膜下方的中心支撑体中，可以经受长期频繁的摆动且不会发生脱离的现象，显著提高了测风传感器的可靠性；4、采用二维对称结构，温漂小。
【附图说明】
[0016]图1为本发明结构的结构示意图；
[0017]图2为本发明方法的实现流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0019]如图1所示为一种测风传感器芯片结构，包括方形衬底I ;在衬底I的背面设置环形凹槽，环形凹槽形衬底I中心位置，将环形凹槽围合形成的凸起称为中心支撑体7 ;在衬底I的正面设置感风柱6，感风柱6垂直位于衬底I的中心，感风柱6的底端深入到中心支撑体7的实体内部，感风柱6的上端高出衬底I的上表面用于感风；以衬底I的中心为中心，靠近中心的一侧为内侧，远离中心的一侧为外侧，在衬底I的正面二维正交对称分布有四个结构、尺寸相同的压敏电阻4，压敏电阻4的内端在环形凹槽正对区域范围内，压敏电阻4的外端在环形凹槽外斜面正对区域范围内；在压敏电阻4与感风柱6连线方向上，在衬底I的背面设置倒锥型通孔2，倒锥型通孔2位于环形凹槽外侧，压敏电阻4的金属引线5通过对应的倒锥型通孔2转移到衬底I的背面引出。
[0020]上述测风传感器芯片结构的制造方法，包括如下步骤:
[0021]步骤一:如图2(a)，在η型硅衬底I的正面旋涂光刻胶并进行光刻，然后采用离子注入或扩散硼的方式形成四个压敏电阻4 ;
[0022]步骤二:如图2(b)，首先在衬底I的正面和背面通过热氧化的方式生长一层氧化硅保护膜3，然后光刻背面的氧化硅保护膜3，最后利用氢氧化钾腐蚀液刻蚀背面形成环形凹槽和部分倒锥型通孔2 ;
[0023]步骤三:如图2 (C)，首先在衬底I背面通过热氧化的方式重新生长一层氧化硅保护膜3，然后光刻倒锥型通孔2位置的氧化硅保护膜3，最后利用氢氧化钾腐蚀液刻蚀倒锥型通孔2直至露出衬底I正面的氧化硅保护膜3 ;
[0024]步骤四:如图2(d)，首先在衬底I的正面和背面通过热氧化的方式重新生长一层氧化硅保护膜3，然后在衬底I的背面采用采用磁控溅射方式淀积一层金属铝，最后通过光刻和腐蚀金属铝的方式形成背面的金属引线5 ;
[0025]步骤五:如图2(e)，首先在衬底I的正面光刻，露出压敏电阻4的引线孔和倒锥型通孔2的引线孔，然后淀积金属铝，最后通过光刻和腐蚀金属铝的方式形成正面的金属引线5 ;
[0026]步骤六:如图2(f)，首先在在衬底I的正面采用深反应离子刻蚀的方式刻蚀形成封闭垂直槽，然后利用硅各向异性腐蚀液对封闭垂直槽进行各向异性腐蚀形成内部宽敞、开口狭窄的空槽，接着在空槽内以及空槽的正上方淀积足够厚度的SU-8胶，光刻SU-8胶最终形成中心嵌套在中心支撑体7中的感风柱6。
[0027]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。
【主权项】
1.一种测风传感器芯片结构，其特征在于:包括方形衬底(I);在衬底(I)的背面设置环形凹槽，环形凹槽在衬底(I)中心位置，将环形凹槽围合形成的凸起称为中心支撑体(7);在衬底(I)的正面设置感风柱￠)，感风柱(6)垂直位于衬底(I)的中心，感风柱(6)的底端深入到中心支撑体(7)的实体内部，感风柱(6)的上端高出衬底(I)的上表面用于感风；以衬底(I)的中心为中心，靠近中心的一侧为内侧，远离中心的一侧为外侧，在衬底(1)的正面二维正交对称分布有四个结构、尺寸相同的压敏电阻(4)，压敏电阻(4)的内端在环形凹槽正对区域范围内，压敏电阻(4)的外端在环形凹槽外斜面正对区域范围内；在压敏电阻(4)与感风柱(6)连线方向上，在衬底(I)的背面设置倒锥型通孔(2)，倒锥型通孔⑵位于环形凹槽外侧，压敏电阻⑷的金属引线(5)通过对应的倒锥型通孔(2)转移到衬底(I)的背面引出。2.一种测风传感器芯片结构的制造方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤一:在η型硅衬底(I)的正面旋涂光刻胶并进行光刻，然后采用离子注入或扩散硼的方式形成四个压敏电阻⑷； 步骤二:首先在衬底(I)的正面和背面通过热氧化的方式生长一层氧化硅保护膜(3)，然后光刻背面的氧化硅保护膜(3)，最后利用氢氧化钾腐蚀液刻蚀背面形成环形凹槽和部分倒锥型通孔(2); 步骤三:首先在衬底(I)背面通过热氧化的方式重新生长一层氧化硅保护膜(3)，然后光刻倒锥型通孔(2)位置的氧化硅保护膜(3)，最后利用氢氧化钾腐蚀液刻蚀倒锥型通孔(2)直至露出衬底⑴正面的氧化硅保护膜(3); 步骤四:首先在衬底(I)的正面和背面通过热氧化的方式重新生长一层氧化硅保护膜(3)，然后在衬底(I)的背面采用采用磁控溅射方式淀积一层金属铝，最后通过光刻和腐蚀金属铝的方式形成背面的金属引线(5); 步骤五:首先在衬底(I)的正面光刻，露出压敏电阻(4)的引线孔和倒锥型通孔(2)的引线孔，然后淀积金属铝，最后通过光刻和腐蚀金属铝的方式形成正面的金属引线(5); 步骤六:首先在在衬底(I)的正面采用深反应离子刻蚀的方式刻蚀形成封闭垂直槽，然后利用硅各向异性腐蚀液对封闭垂直槽进行各向异性腐蚀形成内部宽敞、开口狭窄的空槽，接着在空槽内以及空槽的正上方淀积足够厚度的SU-8胶，光刻SU-8胶最终形成中心嵌套在中心支撑体(7)中的感风柱(6)。
【专利摘要】本发明公开了一种测风传感器芯片结构及其制造方法，利用聚合物的形状可塑特性形成与薄膜中心支撑体稳固嵌套的中心感风聚合物柱，再利用感风柱的摆动引起的薄膜应力造成的压敏电阻阻值的变化测量风速风向。所述感风柱不易与感压薄膜分离，使得传感器具有结构整体性好、可靠性高的特点。
【IPC分类】G01P5/08, G01P13/02
【公开号】CN104977425
【申请号】CN201510346422
【发明人】秦明, 王芳, 姚玉瑾, 杨佳伟, 叶一舟
【申请人】东南大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月19日