RU2353998C1 - Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor - Google Patents
Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2353998C1 RU2353998C1 RU2007129547/28A RU2007129547A RU2353998C1 RU 2353998 C1 RU2353998 C1 RU 2353998C1 RU 2007129547/28 A RU2007129547/28 A RU 2007129547/28A RU 2007129547 A RU2007129547 A RU 2007129547A RU 2353998 C1 RU2353998 C1 RU 2353998C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- layer
- tubular
- sensing element
- multilayer film
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 180
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 65
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 61
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 52
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 22
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 33
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 24
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 22
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 17
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 11
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 229920001486 SU-8 photoresist Polymers 0.000 claims description 7
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 7
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 5
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 297
- 239000010408 film Substances 0.000 description 66
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 17
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 9
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 9
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 5
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 5
- BDKZHNJTLHOSDW-UHFFFAOYSA-N [Na].CC(O)=O Chemical compound [Na].CC(O)=O BDKZHNJTLHOSDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 4
- 238000009388 chemical precipitation Methods 0.000 description 4
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 4
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- LGQLOGILCSXPEA-UHFFFAOYSA-L nickel sulfate Chemical compound [Ni+2].[O-]S([O-])(=O)=O LGQLOGILCSXPEA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 229910000363 nickel(II) sulfate Inorganic materials 0.000 description 4
- NFIYTPYOYDDLGO-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;sodium Chemical compound [Na].OP(O)(O)=O NFIYTPYOYDDLGO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 3
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 3
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000637 aluminium metallisation Methods 0.000 description 2
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000001659 ion-beam spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-BJUDXGSMSA-N Boron-10 Chemical compound [10B] ZOXJGFHDIHLPTG-BJUDXGSMSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- -1 boron ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений характеристик потоков в таких областях человеческой деятельности, как аэродинамика, химия, биология и медицина, в которых остро необходимы сверхчувствительные и сверхбыстродействующие датчики, регистрирующие скорость потока газа или жидкости, а также их состав.The invention relates to measuring technique and can be used to measure flow characteristics in such areas of human activity as aerodynamics, chemistry, biology and medicine, in which ultra-sensitive and ultra-fast sensors that record the gas or liquid flow rate, as well as their composition, are urgently needed.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики, функционирующие на законах теплообмена между нагретым телом и тестируемым газом или жидкостью. Традиционно чувствительным элементом таких датчиков является металлическая проволока диаметром от 2 до 10 мкм и длиной от 100 до 2000 мкм или проводящая пленка, которые нагреваются при пропускании через них электрического тока.Currently, the most widely used sensors are those that operate on the laws of heat transfer between a heated body and a test gas or liquid. The traditionally sensitive element of such sensors is a metal wire with a diameter of 2 to 10 microns and a length of 100 to 2000 microns or a conductive film that heats up when an electric current is passed through them.
В первом случае конструктивно датчик термоанемометра представляет собой стержень, в торце которого в виде насадки выполнены ножки с закрепленной на них проволокой, например, платины. Во втором случае датчик представляет собой кварцевый стержень с коническим концом-подложкой, с концентрически расположенной в его вершине, например, платиновой пленкой, с диаметрально расходящимися от нее контактами, например, из золота. Датчики приведенных конструкций вносят малые возмущения в поток, и ими возможны локальные измерения скорости в любой его точке.In the first case, structurally, the hot-wire anemometer sensor is a rod, in the end of which, in the form of a nozzle, legs are made with a wire fixed to them, for example, platinum. In the second case, the sensor is a quartz rod with a conical end-substrate, with a platinum film concentrically located at its apex, for example, with contacts diametrically diverging from it, for example, of gold. The sensors of the above structures introduce small perturbations into the flow, and local measurements of speed at any point are possible with them.
При протекании электрического тока проволока или пленка нагреваются до температур выше, чем температура потока газа или жидкости. Поток газа или жидкости охлаждает чувствительный элемент, вызывая падением его температуры изменение электрического сопротивления. Изменение сопротивления происходит вследствие конвекционных потерь тепла, обусловленных потоком.When electric current flows, the wire or film is heated to temperatures higher than the temperature of the gas or liquid flow. The flow of gas or liquid cools the sensitive element, causing a drop in its temperature to change the electrical resistance. Resistance changes due to convection heat loss due to flow.
Изменение температуры чувствительного элемента может быть также вызвано изменением состава газовой смеси из-за изменения ее теплопроводности, что используется в газоанализаторах.A change in the temperature of the sensitive element can also be caused by a change in the composition of the gas mixture due to a change in its thermal conductivity, which is used in gas analyzers.
Непреодолимой негативной особенностью приведенных традиционных датчиков является их низкое быстродействие, постоянная времени находится в диапазоне от 0,2 до 1 мс и ограничивается в случае проволочных датчиков теплоемкостью чувствительного элемента, а в случае пленочных - теплообменом с подложкой (J.O.Hinze, Turbulence an Introduction to its Mechanism and Theory, McGraw-Hill Book Company, INC., New York, 1959, 680 р.; W.Gopel, J.Hesse, J.N.Zemel, Sensors, A Comprehensive Survey, Vol.7, «Mechanical sensors», edited by H.H.Bau, N.F. de Rooij, and B.Kloeck, VCH Publishers Inc., New York (USA) 1994, 574 р.; W.Gopel, J.Hesse, J.N.Zemel, Sensors, A Comprehensive Survey, Vol.8, «Micro-and nanosensor technology/trends in sensor markets», edited by H.Meixner and R.Jones, VCH Publishers Inc., New York (USA), 1995, 565 р.; F.Mailly, A.Giani, R.Bonnot, P.Temple-Boyer, F.Pascal-Delannoy, A.Foucaran, A.Boyer, «Anemometer with hot platinum thin film», Sensors and Actuators A 94 (2001) pp.32-38; S.Hung, S.Wong, W.Fang, «The development and application of microthermal sensors with a mesh-membrane supporting structure», Sensors and Actuators A 84 (2000) pp.70-75). В результате, например, чувствительность традиционных датчиков термоанемометров быстро уменьшается на частотах больше 1 кГц и становится недостаточной для регистрации при высокочастотных пульсациях (больше 100 кГц), характерных для высокоскоростных течений и возникновения турбулентности.An insurmountable negative feature of these traditional sensors is their low speed, the time constant is in the range from 0.2 to 1 ms and is limited in the case of wire sensors by the heat capacity of the sensing element, and in the case of film sensors, by heat exchange with the substrate (JOHinze, Turbulence an Introduction to its Mechanism and Theory, McGraw-Hill Book Company, INC., New York, 1959, 680 p .; W. Goopel, J. Hesse, JNZemel, Sensors, A Comprehensive Survey, Vol.7, “Mechanical sensors”, edited by HHBau, NF de Rooij, and B. Kloeck, VCH Publishers Inc., New York (USA) 1994, 574 pp .; W. Gopel, J. Hesse, JNZemel, Sensors, A Comprehensive Survey, Vol.8, " Micro-and nanosensor technology / trends in sensor markets ", edited by H. Meixner and R. Jones, VCH Publishers Inc., New York (USA), 1995, 565 pp .; F.Mailly, A. Giani, R. Bonnot, P. Temple-Boyer, F. Pascal-Delannoy , A.Foucaran, A. Boyer, “Anemometer with hot platinum thin film”, Sensors and Actuators A 94 (2001) pp. 32-38; S. Hung, S. Wong, W. Fang, “The development and application of microthermal sensors with a mesh-membrane supporting structure ”, Sensors and Actuators A 84 (2000) pp. 70-75). As a result, for example, the sensitivity of traditional hot-wire anemometer sensors rapidly decreases at frequencies greater than 1 kHz and becomes insufficient for recording at high-frequency pulsations (more than 100 kHz), characteristic of high-speed flows and the occurrence of turbulence.
Коммерчески доступными являются только инерционные проволочные и пленочные датчики термоанемометров, изготавливаемые зарубежными фирмами (в основном США). В мире идет активный поиск методов массового изготовления термоанемометрических датчиков посредством использования технологии интегральных схем. Также предпринимаются попытки повысить чувствительность и быстродействие изготовлением на основе подвешенных мостиков и мембран (W.Gopel, J.Hesse, J.N.Zemel, Sensors, A Comprehensive Survey, Vol.7, «Mechanical sensors», edited by H.H.Bau, N.F. de Rooij and B.Kloeck, VCH Publishers Inc., New York (USA) 1994, 574 р.; W.Gopel, J.Hesse, J.N.Zemel, Sensors, A Comprehensive Survey, Vol.8, «Micro-and nanosensor technology/trends in sensor markets», edited by H.Meixner and R.Jones, VCH Publishers Inc., New York (USA), 1995, 565 р.; F.Mailly, A.Giani, R.Bonnot, P.Temple-Boyer, F.Pascal-Delannoy, A.Foucaran, A.Boyer, «Anemometer with hot platinum thin film», Sensors and Actuators A 94 (2001) pp.32-38; S.Hung, S.Wong, W.Fang, «The development and application of microthermal sensors with a mesh-membrane supporting structure», Sensors and Actuators A 84 (2000) pp.70-75).Only inertial wire and film sensors of hot-wire anemometers manufactured by foreign companies (mainly the USA) are commercially available. The world is actively searching for methods of mass production of hot-wire anemometric sensors through the use of integrated circuit technology. Attempts are also being made to increase sensitivity and speed by fabricating from suspended bridges and membranes (W. Gopel, J. Hesse, JN Zemel, Sensors, A Comprehensive Survey, Vol. 7, “Mechanical sensors”, edited by HHBau, NF de Rooij and B. Kloeck, VCH Publishers Inc., New York (USA) 1994, 574 pp .; W. Goel, J. Hesse, JN Zemel, Sensors, A Comprehensive Survey, Vol. 8, “Micro-and nanosensor technology / trends in sensor markets ”, edited by H. Meixner and R. Jones, VCH Publishers Inc., New York (USA), 1995, 565 pp. F.Mailly, A. Giani, R. Bonnot, P. Temple-Boyer, F .Pascal-Delannoy, A.Foucaran, A. Boyer, “Anemometer with hot platinum thin film”, Sensors and Actuators A 94 (2001) pp. 32-38; S. Hung, S. Wong, W. Fang, “The development and application of microthermal sensors with a mesh-membrane supporting structure ”, Sensors and Actuators A 84 (2000) pp. 70-75).
Важным моментом в конструкции отдельных датчиков термоанемометров, например в датчиках с чувствительным элементом, лежащим в плоскости подложки-чипа, является решение проблемы выноса чувствительного элемента за пределы держателя или чипа. Поскольку если чувствительный элемент расположен в плоскости подложки, то измерения можно проводить только в пограничном слое на исследуемой поверхности из-за существенного ввода возмущений держателем или подложкой в набегающий поток, что ограничивает возможность измерения в любой заданной точке потока над исследуемой поверхностью.An important point in the design of individual sensors of hot-wire anemometers, for example, in sensors with a sensitive element lying in the plane of the chip substrate, is the solution to the problem of the removal of the sensitive element outside the holder or chip. Since if the sensitive element is located in the plane of the substrate, then measurements can be carried out only in the boundary layer on the surface under study due to the significant input of disturbances by the holder or substrate into the incident flow, which limits the possibility of measurement at any given point of the stream above the surface under study.
В случае датчика с чувствительным элементом, лежащим в плоскости подложки-чипа, истинное измерение скорости потока возможно только при его встраивании в исследуемую поверхность. В иных случаях расположения датчика подложка-чип вводит возмущения в поток раньше, чем он достигнет чувствительного элемента. В случае решения проблемы выноса чувствительного элемента за пределы подложки, возможно измерение скорости потока в любой точке над исследуемой поверхностью.In the case of a sensor with a sensitive element lying in the plane of the chip substrate, a true measurement of the flow velocity is possible only when it is embedded in the test surface. In other cases, the location of the sensor, the substrate-chip introduces disturbances into the flow before it reaches the sensing element. In the case of solving the problem of the removal of the sensitive element beyond the substrate, it is possible to measure the flow velocity at any point above the surface under study.
Попытки решения данной проблемы были предприняты на базе использования методов планарной технологии (J.Chen and С.Liu, «Development and Characterization of Surface Micromachined, Out-of-Plane Hot-Wire Anemometer», Journal of microelectromechanical systems, vol.12, №6, (2003) pp.979-988; С.Liu, J.Chen, «Microscale out-of-plane anemometer». United States Patent, Patent №: US 2005/0109102 A1, Date of Patent May 26, 2005). Дальнейшим шагом было успешное объединение данного типа сенсора со схемой управления (J.Chen, J.Engel, M.Chang, С.Liu, «3D Out-of-Plane Flow Sensor Array with Integrated Circuits», in Proceedings of the 18th European Conference on Solid-State Transducers (Eurosensors XVI), Rome, Italy, September 2004) и проведение измерений характеристик потока с использованием массива сенсоров, интегрированных с интегральной схемой управления (J.Chen, J.Engel, M.Chang, С.Liu, «A Monolithic Integrated Array of Out-of-Plane Hot-Wire Flow Sensors and Demonstration of Boundary-Layer Flow Imaging», in Proceedings of the 18th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '05), pp.299-302, Miami Beach, Fla, USA, January-February 2005). Использование планарных технологий позволило изготовить компланарные сенсоры (Т.Ebefors, E.Kalvesten, G.Stemme, «Three dimensional silicon triple-hot-wire anemometer based on polyimide joints» IEEE Int. Workshop on Micro Electro Mechanical System (MEMS '98), Heidelberg, Germany, January 25-29, 1998; F.Carlsson, M.Thunblom, P.Johansson, A.Bakchinov, L.Löfdah, T.Ebefors and G.Stemme, «Using Silicon Based Hot-Wires for Turbulence Measurements», http://www.s3.kth.se/mst/research/publications/pdf/2000/teexpfluidmanuscript.pdf, 1999), позволяющие проводить измерение потока в трех направлениях, с этой целью формировались две нити из поликремния в плоскости подложки, а третья поднималась перпендикулярно методом, основанным на усадке отжигом полиимида, заполняющего V-образные канавки. Одним из существенных недостатков всех последних перечисленных конструкций датчиков термоанемометром является их низкая механическая прочность.Attempts to solve this problem were made using planar technology methods (J. Chen and C. Liu, “Development and Characterization of Surface Micromachined, Out-of-Plane Hot-Wire Anemometer”, Journal of microelectromechanical systems, vol. 12, no. 6, (2003) pp. 979-988; C. Liu, J. Chen, “Microscale out-of-plane anemometer.” United States Patent, Patent No .: US 2005/0109102 A1, Date of Patent May 26, 2005) . The next step was the successful integration of this type of sensor with a control circuit (J. Chen, J. Engel, M. Chang, C. Liu, “3D Out-of-Plane Flow Sensor Array with Integrated Circuits”, in Proceedings of the 18th European Conference on Solid-State Transducers (Eurosensors XVI), Rome, Italy, September 2004) and measuring flow characteristics using an array of sensors integrated with an integrated control circuit (J. Chen, J. Engel, M.Chang, C. Liu, “ A Monolithic Integrated Array of Out-of-Plane Hot-Wire Flow Sensors and Demonstration of Boundary-Layer Flow Imaging ", in Proceedings of the 18th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '05), pp. 299-302, Miami Beach, Fla, USA, January-February 2005). The use of planar technologies made it possible to fabricate coplanar sensors (T. Ebefors, E. Kalvesten, G. Stemme, “Three dimensional silicon triple-hot-wire anemometer based on polyimide joints” IEEE Int. Workshop on Micro Electro Mechanical System (MEMS '98), Heidelberg, Germany, January 25-29, 1998; F. Carlsson, M. Thunblom, P. Johansson, A. Bakchinov, L. Löfdah, T. Ebefors and G. Stemme, “Using Silicon Based Hot-Wires for Turbulence Measurements” , http://www.s3.kth.se/mst/research/publications/pdf/2000/teexpfluidmanuscript.pdf, 1999), which allow measuring the flow in three directions, for this purpose two filaments of polysilicon were formed in the substrate plane, and the third was raised perpendicular to the method based on shrinkage by annealing liimida filling the V-shaped grooves. One of the significant drawbacks of all the last listed sensor designs with a hot-wire anemometer is their low mechanical strength.
Известен способ изготовления датчика скорости потока газа и жидкости (патент США на изобретение №6923054, МПК 7 G01F 1/68), заключающийся в том, что на планарной поверхности подложки изготавливают многослойную пленочную структуру, используя приемы планарной полупроводниковой технологии формируют конструктивные элементы анемометра и в финальной стадии посредством магнитного поля осуществляют вынос чувствительного элемента от поверхности подложки. Таким образом, на подложку сначала наносят жертвенный слой, включающий последовательно нанесенные слои: хрома толщиной около 10 нм для обеспечения хорошей адгезии, меди толщиной 250 нм и титана толщиной 25 нм для предотвращения процессов окисления меди. Затем наносят фоторезист и проводят фотолитографию, одновременно формируя из фоторезиста в окнах площадки крепления держателей, а на жертвенном слое - основу держателей в виде двух полосок. Далее напылением четырехслойной пленки Cr/Pt/Ni/Pt, с толщинами слоев соответственно 20 нм, 20 нм 80 нм и 20 нм, и литографией изготавливают чувствительный элемент в виде полоски, расположенной между концами основы держателей из фоторезиста. Затем напыляют двухслойную пленку Cr/Au толщиной 500 нм и проводят литографию, формируя тоководы к чувствительному элементу, расположенные на основе держателей, и элементы сочленения держателей и площадок крепления держателей. После электрохимического нанесения ферромагнитного материала на тоководы и частично на сочленяющие элементы в местах соединения их с держателями и площадками крепления проводят удаление жертвенного слоя путем использования жидкостного травления в смеси уксусной кислоты и перекиси водорода. В заключение с помощью постоянного магнита прикладывают магнитное поле величиной 800 Гс к основанию подложки, под действием которого осуществляют подъем над подложкой держателей вместе с чувствительным элементом в результате вращательного движения, совершаемого держателями относительно сочленяющих элементов. В качестве подложки используют пластины кремния, или стекла, или полимера. Фоторезистом служит слой полиимида толщиной 2,7 мкм, полученный центрифугированием.A known method of manufacturing a gas and liquid flow velocity sensor (US patent for invention No. 6923054, IPC 7 G01F 1/68), which consists in the fact that a multilayer film structure is made on the planar surface of the substrate using the methods of planar semiconductor technology to form the structural elements of the anemometer and the final stage through the magnetic field carry out the removal of the sensitive element from the surface of the substrate. Thus, a sacrificial layer is first applied to the substrate, including successively deposited layers: chromium about 10 nm thick to ensure good adhesion, copper 250 nm thick and
К недостаткам известного технического решения относится, во-первых, низкая механическая прочность изготовленных изделий, во-вторых, недостаточно высокая точность измерения. Приведенные недостатки обусловлены конструктивными особенностями изготовления чувствительного элемента в виде проволоки, представляющей тонкослойную полоску. Такой элемент не обладает достаточной механической прочностью. Кроме того, для данной конструкции чувствительного элемента существует зависимость выходного напряжения от угла обдувания проволоки, приводящая к искажению характеристик, из-за четырехугольной формы поперечного сечения проволоки.The disadvantages of the known technical solutions include, firstly, the low mechanical strength of the manufactured products, and secondly, insufficiently high measurement accuracy. The above disadvantages are due to the design features of the manufacture of the sensing element in the form of a wire representing a thin layer strip. Such an element does not have sufficient mechanical strength. In addition, for this design of the sensing element, there is a dependence of the output voltage on the angle of blowing of the wire, leading to distortion of characteristics, due to the quadrangular cross-sectional shape of the wire.
Ближайшим техническим решением к заявляемому изобретению является способ изготовления датчика скорости потока газа и жидкости (патент США на изобретение №5883310, МПК 6 G01B 7/16), заключающийся в том, что на планарной поверхности подложки изготавливают многослойную пленочную структуру и используя приемы планарной полупроводниковой технологии формируют анемометр. При этом на подложке сначала формируют стоп-слой из кремния, сильнолегированного бором, затем на нем выращивают эпитаксиальный слой кремния, легированный бором, толщиной 10 мкм, на который наносят слой двуокиси кремния толщиной 0,5 мкм. На непланарной стороне подложки формируют толстый слой двуокиси кремния. Затем с планарной стороны осаждают при 560°С слой аморфного кремния толщиной 600 нм и литографически создают рисунок анемометра посредством травления в плазме, задавая участки держателей и чувствительного элемента, на непланарной стороне также формируют слой аморфного кремния. Для получения на планарной стороне конструктивных поликремниевых элементов анемометра проводят имплантацию ионов бора с энергией 80 кэВ дозой 1016 см-2 с последующим отжигом при 1100°С в течение 30 минут. После отжига осуществляют металлизацию алюминием с последующим фотолитографическим созданием рисунка на участках поликремния и двуокиси кремния со стороны держателей. Затем с планарной стороны осаждают низкотемпературный слой двуокиси кремния (при 450°С) толщиной 3 мкм. На планарной и непланарной сторонах формируют окна соответственно до эпитаксиального слоя кремния через низкотемпературный слой двуокиси кремния и слой двуокиси кремния толщиной 0,5 мкм и до подложки через аморфный слой кремния и толстый слой двуокиси кремния посредством жидкостного и сухого травления. Размер окна с непланарной стороны существенно превосходит размер окна с планарной стороны. С непланарной стороны посредством травления в течение 10 часов при 95°С удаляют материал подложки, формируя полость под стоп-слоем, залегающую в латеральном направлении под окном с планарной стороны и основной частью анемометра, до участков металлизации алюминием. С планарной стороны через окно под основной частью анемометра, в латеральном направлении до участков металлизации алюминием, удаляют материал эпитаксиального слоя кремния, создавая полость над стоп-слоем, разделенную с полостью под стоп-слоем посредством стоп-слоя. Затем удаляют стоп-слой, разделяющий обе полости, и удаляют низкотемпературный слой двуокиси кремния.The closest technical solution to the claimed invention is a method of manufacturing a gas and liquid flow velocity sensor (US patent for the invention No. 5883310, IPC 6 G01B 7/16), which consists in the fact that on the planar surface of the substrate a multilayer film structure is made and using techniques of planar semiconductor technology form an anemometer. In this case, a stop layer of silicon heavily doped with boron is first formed on the substrate, then an epitaxial silicon layer doped with
К недостаткам известного технического решения относится, во-первых, низкая механическая прочность изготовленных изделий, во-вторых, недостаточно высокая точность измерения. Приведенные недостатки обусловлены конструктивными особенностями изготовления чувствительного элемента в виде проволоки, представляющей тонкослойную полоску. Такой элемент не обладает достаточной механической прочностью. Кроме того, для данной конструкции чувствительного элемента существует зависимость выходного напряжения от угла обдувания проволоки, приводящая к искажению характеристик, из-за четырехугольной (трапециевидной) формы поперечного сечения проволоки.The disadvantages of the known technical solutions include, firstly, the low mechanical strength of the manufactured products, and secondly, insufficiently high measurement accuracy. The above disadvantages are due to the design features of the manufacture of the sensing element in the form of a wire representing a thin layer strip. Such an element does not have sufficient mechanical strength. In addition, for this design of the sensing element, there is a dependence of the output voltage on the angle of blowing of the wire, leading to distortion of characteristics, due to the quadrangular (trapezoidal) cross-sectional shape of the wire.
Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности готовых изделий и повышение точности измерений.The technical result of the invention is to increase the mechanical strength of the finished product and increase the accuracy of measurements.
Технический результат достигают тем, что в способе изготовления датчика скорости потока газа и жидкости, заключающемся в том, что на планарной поверхности подложки изготавливают многослойную пленочную структуру, литографически задают рисунок анемометра, многослойную пленочную структуру изготавливают содержащей механически напряженные слои, а рисунок анемометра задают включающим отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента, после чего на остальной части многослойной пленочной структуры формируют сквозные окна до поверхности подложки, обеспечивающие выполнение последующих операций травления подложки, или формирование указанных сквозных окон осуществляют в процессе литографического задания рисунка анемометра, затем травлением материала подложки под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента, указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент, в заключение удалением материала подложки формируют держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing the gas and liquid flow velocity sensor, which consists in the fact that a multilayer film structure is made on the planar surface of the substrate, the anemometer is set lithographically, the multilayer film structure is made containing mechanically stressed layers, and the anemometer is set to include a detachable from the substrate, a section intended for the formation of a tubular sensitive element under the action of mechanical stresses, and a section then gadgets to the ends of the tubular sensing element, after which through the rest of the multilayer film structure through holes are formed to the surface of the substrate, providing subsequent etching of the substrate, or the formation of these through windows is carried out in the process of lithographic job drawing anemometer, then etching the substrate material under the multilayer film structures intended for the formation of a tubular sensitive element, the specified area under the action of internal The early mechanical stresses are transformed into a tubular sensitive element; finally, by removing the substrate material, holders of the tubular sensitive element are formed on which the current conductors are located, and they also form a chip as a whole.
В способе в качестве подложки используют пластину полупроводника.In the method, a semiconductor wafer is used as a substrate.
В способе в качестве подложки используют пластину Si, или InP, или GaAs.In the method, a Si plate, or InP, or GaAs is used as a substrate.
В способе многослойную пленочную структуру изготавливают содержащей механически напряженные слои последовательно на подложке: сжатый слой, растянутый слой, являющиеся формообразующими для трубчатого чувствительного элемента, проводящий слой; или сжатый слой, растянутый слой, являющиеся формообразующими для трубчатого чувствительного элемента, причем один из них или оба создают с возможностью выполнения функции проводящего слоя.In the method, a multilayer film structure is made containing mechanically stressed layers sequentially on a substrate: a compressed layer, a stretched layer, which are forming for the tubular sensing element, a conductive layer; or a compressed layer, an extended layer, which are forming for the tubular sensing element, moreover, one of them or both create with the possibility of performing the function of a conductive layer.
В способе слои многослойной пленочной структуры изготавливают из металлов, или диэлектриков, или полупроводников, или сочетают слои из перечисленных материалов.In the method, layers of a multilayer film structure are made of metals, or dielectrics, or semiconductors, or layers of the above materials are combined.
В способе для создания сжатого слоя используют SiO2, для создания растянутого слоя - Si3N4, проводящий слой создают из Au с подслоем Ti, или для создания сжатого слоя используют InxGa1-xAs, для создания растянутого слоя - InyGa1-yAs, проводящий слой создают из Au с подслоем Ti, или для создания сжатого слоя используют InxGa1-xAs, для создания растянутого слоя - InyGa1-yAs, причем слои создают легированными, выполняющими функцию проводящего слоя, или для создания сжатого слоя используют Та2О5, для создания растянутого слоя - Та, причем слои создают выполняющими функцию проводящего слоя, или для создания сжатого слоя используют SiGe, для создания растянутого слоя - Si, причем слои создают выполняющими функцию проводящего слоя, или для создания сжатого слоя используют SiO2, для создания растянутого слоя - Au с подслоем Ti, причем слой создают выполняющим функцию проводящего слоя.In the method for creating a compressed layer of used SiO 2, for creating a stretched layer - Si 3 N 4, a conductive layer is formed from a Au with sublayer Ti, or to create a compressed layer using In x Ga 1-x As, to create a stretched layer - In y Ga 1-y As, a conductive layer is made of Au with a Ti sublayer, or In x Ga 1-x As is used to create a compressed layer, In y Ga 1-y As is used to create a stretched layer, the layers being doped, acting as a conductive layer layer, or to create a compressed layer using Ta 2 O 5, to create a stretched layer - Ta, being layers create performing and the function of the conductive layer, or to create a compressed layer using SiGe, for creating a stretched layer - Si, the layers being created fulfilling the function of the conductive layer, or to create a compressed layer using SiO 2, for creating a stretched layer - Au with sublayer Ti, wherein the layer is produced performing the function of a conductive layer.
В способе суммарная толщина многослойной пленочной структуры равна 5÷200 нм.In the method, the total thickness of the multilayer film structure is 5 ÷ 200 nm.
В способе финальную стадию изготовления многослойной пленочной структуры с механически напряженными слоями, заключающуюся в создании проводящего слоя, осуществляют одновременно с начальной стадией задания рисунка анемометра, заключающейся в нанесении резиста, последующем формировании в нем сквозного окна с геометрией, определяющей рисунок анемометра, в котором осуществляют нанесение проводящего слоя.In the method, the final stage of manufacturing a multilayer film structure with mechanically strained layers, which consists in creating a conductive layer, is carried out simultaneously with the initial stage of setting the pattern of the anemometer, which consists in applying a resist, the subsequent formation of a through window in it with a geometry that determines the pattern of the anemometer in which the application conductive layer.
В способе формируют сквозные окна до поверхности подложки, обеспечивающие выполнение последующих операций травления подложки, посредством нанесения защитной маски из фоторезиста на участки рисунка анемометра и последующего травления незащищенных участков многослойной пленочной структуры до подложки или частично с материалом подложки.Through the method, through-holes are formed to the surface of the substrate, providing subsequent etching of the substrate by applying a protective mask from the photoresist to the areas of the anemometer pattern and then etching the unprotected sections of the multilayer film structure to the substrate or partially with the substrate material.
В способе на участках тоководов осуществляют формирование низкоомных тоководов, являющихся одновременно и механическими упорами для трубчатого чувствительного элемента, посредством нанесения защитной маски из фоторезиста, химического осаждения через маску на участки тоководов слоя никеля толщиной 5÷10 мкм, удаления защитной маски и проведения отжига для релаксации напряжений в осажденном материале и повышения прочности тоководов.In the method, low-resistance current conductors are formed at the current lead sections, which are also mechanical stops for the tubular sensing element by applying a protective mask made of photoresist, chemical deposition through the mask onto the current lead sections of a
Дополнительное формирование механических упоров для трубчатого чувствительного элемента осуществляют посредством фоторезиста SU-8 толщиной до 50 мкм.The additional formation of mechanical stops for the tubular sensing element is carried out by means of a SU-8 photoresist with a thickness of up to 50 μm.
В способе травление материала подложки под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента, для трансформации указанного участка под действием механических напряжений в трубчатый чувствительный элемент, осуществляют посредством селективного анизотропного травления или посредством селективного травления с предварительными защитой планарной стороны резистом и стравливанием материала подложки с непланарной стороны до толщины, сравнимой с размером стороны участка в виде полоски, трансформируемого в трубчатый чувствительный элемент путем сворачивания в направлении вдоль указанной стороны.In the method, the etching of the substrate material under the portion of the multilayer film structure designed to form the tubular sensing element for transforming the indicated portion under the action of mechanical stresses into the tubular sensing element is carried out by selective anisotropic etching or by selective etching with preliminary protection of the planar side by resist and etching of the substrate material from the non-planar side to a thickness comparable to the size of the side of the plot in ide strips, transformed into a tubular sensing element by folding in a direction along the specified side.
В способе держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, и в целом чип формируют селективным травлением подложки одновременно с формированием трубчатого чувствительного элемента или после формирования трубчатого чувствительного элемента и формируют посредством селективного травления материала подложки.In the method, the holders of the tubular sensitive element on which the current conductors are located, and in general the chip is formed by selective etching of the substrate simultaneously with the formation of the tubular sensitive element or after the formation of the tubular sensitive element and formed by selective etching of the substrate material.
На участках тоководов осуществляют формирование низкоомных тоководов.In sections of current leads, low-resistance current conductors are formed.
На тоководах дополнительно формируют механический упор для трубчатого чувствительного элемента.On current leads additionally form a mechanical stop for the tubular sensing element.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 схематически изображен датчик скорости потока газа и жидкости, его основные конструктивные элементы: а) модель с тоководами, выполняющими функцию упора для трубчатого чувствительного элемента, б) модель с дополнительным выполняющим функцию упора покрытием тоководов, где 1 - трубчатый чувствительный элемент, 2 - держатели или ножки-тоководы трубчатого чувствительного элемента, 3 - корпус, необходимый для интеграции. На Фиг.2 схематически приведено детализированное изображение модели датчика скорости потока газа и жидкости с дополнительным выполняющим функцию упора для трубчатого чувствительного элемента покрытием тоководов, где 3 - корпус, необходимый для интеграции, 4 - формообразующий сжатый слой, 5 - формообразующий растянутый слой, 6 - проводящий слой, 7 - дополнительный слой, уменьшающий сопротивление, 8 - слой, выполняющий функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента. На Фиг.3 схематически приведено детализированное изображение модели датчика скорости потока газа и жидкости с тоководами, выполняющими функцию упора для трубчатого чувствительного элемента, где 3 - корпус, необходимый для интеграции, 4 - формообразующий сжатый слой, 5 - формообразующий растянутый слой, 6 - проводящий слой, 9 - слой, выполняющий функцию низкоомных тоководов и механических упоров для трубчатого чувствительного элемента. На Фиг.4 схематически показан технологический маршрут изготовления чипа трубчатого анемометра с тоководами, выполняющими функцию упора для трубчатого чувствительного элемента, где 1 - трубчатый чувствительный элемент, 2 - держатели или ножки-тоководы трубчатого чувствительного элемента, 4 - формообразующий сжатый слой, 5 - формообразующий растянутый слой, 6 - проводящий слой, 9 - слой, выполняющий функцию низкоомных тоководов и механических упоров для трубчатого чувствительного элемента, 10 - подложка, 11 - слой, улучшающий адгезию, 12 - фоторезист. На Фиг.5 схематически показан технологический маршрут изготовления чипа трубчатого анемометра с дополнительным выполняющим функцию упора для трубчатого чувствительного элемента покрытием тоководов, где 4 - формообразующий сжатый слой, 5 - формообразующий растянутый слой, 6 - проводящий слой, 7 - дополнительный слой, уменьшающий сопротивление, 8 - слой, выполняющий функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента, 10 - подложка, 11 - слой, улучшающий адгезию, 12 - фоторезист, 13 - защитный слой. На Фиг.6 схематически показан технологический маршрут изготовления чипа трубчатого анемометра с механически напряженными слоями, выполняющими одновременно функции формообразующих и проводящих слоев, где 7 - дополнительный слой, уменьшающий сопротивление, 8 - слой, выполняющий функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента, 10 - подложка, 13 - защитный слой, 14 - формообразующий сжатый слой, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя, 15 - формообразующий растянутый слой, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя. На Фиг.7 приведены полученные электронной микроскопией изображения закрепленных на подложке датчиков с подвешенным трубчатым чувствительным элементом: а) вид сверху, б) вид в наклонном положении. На Фиг.8 приведена фотография чипа термоанемометра. На Фиг.9 приведена фотография чипа трубчатого термоанемометра, интегрированного с сапфировым держателем.The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings. Figure 1 schematically shows a gas and liquid flow velocity sensor, its main structural elements: a) a model with current conductors acting as an abutment for a tubular sensing element, b) a model with an additional covering function of an abutment coating of current leads, where 1 is a tubular sensitive element, 2 - holders or legs-current leads of the tubular sensing element, 3 - housing required for integration. Figure 2 schematically shows a detailed image of a model of a gas and liquid flow velocity sensor with an additional coating of conductors serving as an abutment for a tubular sensitive element, where 3 is a housing necessary for integration, 4 is a forming compression layer, 5 is a forming forming layer, 6 is a conductive layer, 7 is an additional layer that reduces resistance, 8 is a layer that performs the function of a mechanical stop for a tubular sensing element. Figure 3 schematically shows a detailed image of a model of a gas and liquid flow velocity sensor with current conductors acting as an abutment for a tubular sensing element, where 3 is a housing necessary for integration, 4 is a forming compression layer, 5 is a forming forming layer, 6 is a conducting layer, 9 - a layer that performs the function of low-resistance current leads and mechanical stops for a tubular sensing element. Figure 4 schematically shows the technological route for manufacturing a chip of a tubular anemometer with conductors serving as an abutment for a tubular sensing element, where 1 is a tubular sensing element, 2 are holders or legs-current leads of a tubular sensing element, 4 is a shaping compressed layer, 5 is a shaping a stretched layer, 6 - a conductive layer, 9 - a layer that performs the function of low-resistance current leads and mechanical stops for a tubular sensing element, 10 - a substrate, 11 - a layer that improves adhesion, 12 - photoresis . Figure 5 schematically shows the technological route for manufacturing a chip of a tubular anemometer with an additional coating of conductors serving as an abutment for a tubular sensitive element, where 4 is a forming compression layer, 5 is a forming forming layer, 6 is a conductive layer, 7 is an additional layer that reduces resistance, 8 - a layer that performs the function of a mechanical stop for a tubular sensitive element, 10 - a substrate, 11 - a layer that improves adhesion, 12 - photoresist, 13 - a protective layer. 6 schematically shows the technological route of manufacturing a tube anemometer chip with mechanically stressed layers that simultaneously perform the functions of forming and conducting layers, where 7 is an additional layer that reduces resistance, 8 is a layer that performs the function of a mechanical stop for a tubular sensitive element, 10 is a substrate 13 - a protective layer, 14 - forming a compressed layer that simultaneously performs the function of a conductive layer, 15 - forming a stretched layer that simultaneously performs a function of conductive on the layer. Figure 7 shows the images obtained by electron microscopy mounted on a substrate of sensors with a suspended tubular sensing element: a) a top view, b) a view in an inclined position. Figure 8 is a photograph of a hot-wire anemometer chip. Figure 9 shows a photograph of a chip tubular anemometer integrated with a sapphire holder.
Предложенный способ изготовления датчика скорости потока газа и жидкости используется при изготовлении датчиков, содержащих в конструкции трубчатый чувствительный элемент 1, закрепленный на держателях 2 (или ножках-тоководах), выполненных в корпусе для дальнейшей интеграции 3 (см. фиг.1а) и б)). Трубчатый проводящий чувствительный элемент вынесен за пределы чипа за счет ножек-тоководов, изготовленных из материала подложки 10 (см. Фиг.4-6). Все конструктивные элементы датчика термоанемометра (см. Фиг.1-6) изготовлены в едином технологическом процессе. В способе изготовления использованы: а) технология полупроводниковых и гибридных металл-полупроводниковых микро- и нанотрубок (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, A.K.Gutakovsky, A.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazenskii, M.A.Putyato, T.A.Gavrilova. Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays. Physica E, 2000, v.6, №1-4, pp.828-831); б) традиционные методы оптической литографии; в) широко используемые в планарной технологии методы напыления металлов; г) селективное и анизотропное травление подложек.The proposed method of manufacturing a gas and liquid flow velocity sensor is used in the manufacture of sensors containing a tubular sensing element 1, mounted on holders 2 (or current legs), made in a housing for further integration 3 (see figa) and b) ) The tubular conductive sensing element is placed outside the chip due to the legs-current leads made of the substrate material 10 (see Fig. 4-6). All structural elements of the sensor of the hot-wire anemometer (see Fig.1-6) are made in a single technological process. The manufacturing method used: a) technology of semiconductor and hybrid metal-semiconductor micro- and nanotubes (V.Ya.Prinz, VASeleznev, AKGutakovsky, AVChehovskiy, VVPreobrazenskii, MAPutyato, TAGavrilova. Free-standing and overgrown InGaAs / GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays. Physica E, 2000, v. 6, No. 1-4, pp. 828-831); b) traditional methods of optical lithography; c) metal spraying methods widely used in planar technology; d) selective and anisotropic etching of substrates.
Способ позволяет изготавливать датчики различных модификаций (см. Фиг.1-3), отличающиеся используемыми материалами при создании многослойной пленочной структуры, толщинами слоев, материалами подложек, тоководов и механических упоров для трубчатого чувствительного элемента. На Фиг.2 детализированно представлена конструкция датчика, изображенного на Фиг.1б), на Фиг.3 - конструкция датчика, изображенного на Фиг.1а). В обеих модификациях трубчатый чувствительный элемент содержит формообразующий сжатый слой 4, формообразующий растянутый слой 5 и проводящий слой 6.The method allows the manufacture of sensors of various modifications (see Figure 1-3), characterized by the materials used to create a multilayer film structure, layer thicknesses, substrate materials, current leads and mechanical stops for a tubular sensing element. Figure 2 shows in detail the design of the sensor depicted in Figure 1b), Figure 3 shows the design of the sensor depicted in Figure 1a). In both versions, the tubular sensing element comprises a shaping
Для получения трубчатого чувствительного элемента многослойную пленочную структуру, являющуюся основой, изготавливают содержащей механически напряженные слои, которые являются формообразующими. На подложке 10 последовательно формируют сжатый слой 4, растянутый слой 5 (см. Фиг.4а) и 5а)) и проводящий слой 6 (см. Фиг.4б)-5б)). Между формообразующим растянутым слоем 5 и проводящим слоем 6 может быть дополнительно сформирован слой, улучшающий адгезию 11. Формообразующие слои 4 и 5 обеспечивают сворачивание нанесенного проводящего слоя 6 в трубку при удалении под ними подложки. Слои 4-6, а также и 11 многослойной пленочной структуры изготавливают из аморфных, или поликристаллических, или монокристаллических металлов, или диэлектриков, или полупроводников, или их композиций. Указанные слои формируют посредством эпитаксии кристаллических веществ с различными постоянными решетками с соблюдением условия псевдоморфного роста, или их изготавливают посредством вакуумного напыления из материалов, характеризующихся различными деформациями относительно подложки и друг друга, или - с использованием первого и второго. Также могут быть использованы и другие методы формирования, например термоокисление, низкотемпературное плазмохимическое осаждение, осаждение посредством ионно-лучевого распыления мишени.To obtain a tubular sensing element, a multilayer film structure, which is the basis, is made containing mechanically stressed layers that are formative. A
Подложка 10, на которой формируют многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями, может быть аморфной, или поликристаллической, или монокристаллической пластиной металла, или полупроводника, или диэлектрика. В случае использования проводящего материала для подложки 10 необходимо обеспечить электрическую изоляцию, используя в качестве материала формообразующего сжатого слоя 4 диэлектрик.The
Кроме вышеприведенных случаев возможна модификация датчика, в которой многослойную пленочную структуру изготавливают содержащей на подложке формообразующие для трубчатого чувствительного элемента сжатый и растянутый слои, из которых один или оба созданы с возможностью выполнения функции проводящего слоя (см. Фиг.6а)). В этом случае нет необходимости специально формировать проводящий слой 6, а также дополнительный слой 11. Совмещение функций может осуществляться, например, тем, что указанные формообразующий сжатый слой 14, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя, и формообразующий растянутый слой 15, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя, изготавливают из полупроводникового материала сильно легированными.In addition to the above cases, it is possible to modify the sensor in which a multilayer film structure is made containing compressed and stretched layers that form on the substrate for the tubular sensing element, of which one or both are designed to perform the function of a conductive layer (see Fig. 6a)). In this case, there is no need to specifically form the
После формирования многослойной пленочной структуры, которое заканчивается созданием проводящего слоя 6, литографически задают рисунок анемометра, например методом взрывной литографии. Начальная стадия операции формирования рисунка в некоторых случаях (Фиг.4-5) осуществляется одновременно с созданием проводящего слоя 6, являющимся финальной стадией изготовления многослойной пленочной структуры с механически напряженными слоями. На начальной стадии создания рисунка анемометра наносят на созданную пару формообразующих слоев 4 и 5 резист и формируют в нем сквозное окно. Затем осуществляют нанесение проводящего слоя, в том числе и в сформированном сквозном окне. Геометрия сквозного окна определяет рисунок анемометра. Рисунок анемометра содержит детали: отделяемый от подложки участок многослойной пленочной структуры, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента, который впоследствии остается связанным с подложкой (см. Фиг.4б)-5б)).After the formation of the multilayer film structure, which ends with the creation of the
В случае, когда сами формообразующие слои выполняют функцию проводящих слоев (Фиг.6), литографическое задание рисунка термоанемометра следует непосредственно после окончания операции создания многослойной пленочной структуры с механически напряженными слоями, без совмещения во времени начальной и финальной стадий указанных операций. Создание рисунка термоанемометра осуществляют посредством проведения литографии по механически напряженным слоям 4 и 5, например методом оптической литографии (см. Фиг.6б)).In the case when the forming layers themselves perform the function of conductive layers (Fig.6), the lithographic task of the hot-wire anemometer drawing follows immediately after the operation of creating a multilayer film structure with mechanically stressed layers, without combining the initial and final stages of these operations in time. Creating a hot-wire anemometer pattern is carried out by conducting lithography on mechanically stressed
Затем вне поля созданного рисунка анемометра формируют сквозные окна до поверхности подложки (см. Фиг.4в)-5в)). Они предназначены обеспечить выполнение последующих операций травления материала подложки. Защитную маску из фоторезиста наносят на участки рисунка анемометра и затем осуществляют травление незащищенных участков многослойной пленочной структуры до подложки или частично с материалом подложки. В случае формообразующих напряженных слоев, выполняющих функцию проводящих слоев (см. Фиг.6), операцией создания рисунка термоанемометра обеспечивают и формирование сквозных окон до подложки (см. Фиг.6б)), предназначенных для проведения последующего травления материала подложки.Then, through the field of the created figure of the anemometer, through windows are formed to the surface of the substrate (see Fig. 4c) -5c)). They are designed to ensure the subsequent etching of the substrate material. A protective mask of photoresist is applied to the areas of the anemometer pattern and then etched unprotected sections of the multilayer film structure are carried out to the substrate or partially with the substrate material. In the case of forming stress layers that perform the function of conductive layers (see Fig.6), the operation of creating a hot-wire anemometer pattern also ensures the formation of through windows to the substrate (see Fig.6b)), which are intended for subsequent etching of the substrate material.
На участках тоководов созданного рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов, являющихся одновременно и механическими упорами (см. Фиг.4г), слой 9, выполняющий функцию низкоомных тоководов и механических упоров для трубчатого чувствительного элемента), или дополнительно изготавливают механический упор для трубчатого чувствительного элемента (см. Фиг.5г) и д), Фиг.6в) и г)). В первом случае из фоторезиста формируют защитную маску и посредством химического осаждения через маску на участки тоководов наносят толстый металлический слой, например, никеля толщиной 5÷10 мкм, затем защитную маску удаляют и проводят отжиг для релаксации напряжений в осажденном материале и повышения прочности тоководов. Во втором случае сначала напыляют относительно тонкий металлический слой (дополнительный слой 7, уменьшающий сопротивление), например, золота толщиной 300 нм, а затем формируют механические упоры для трубчатого чувствительного элемента из диэлектрического материала, например фоторезиста SU-8 толщиной до 50 мкм (слой 8, выполняющий функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента).In sections of the current leads of the created figure of the anemometer, low-resistance current conductors are formed, which are also mechanical stops (see Fig. 4d),
Таким образом, перед заключительным этапом изготовления датчика все детали термоанемометра, являющиеся участками многослойной пленочной структуры с напряженными слоями, находятся в плоском состоянии за счет связи с подложкой.Thus, before the final stage of manufacturing the sensor, all parts of the hot-wire anemometer, which are parts of a multilayer film structure with strained layers, are in a flat state due to communication with the substrate.
Если для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 не используется свойство анизотропии травления подложки (как это имеет место в случае на Фиг.4д)), то поверхность подложки 10 с изготовленными на ней деталями термоанемометра перед проведением заключительного этапа защищают резистом 13 или воском (см. Фиг.5е) и Фиг.6д)).If the anisotropy of the etching of the substrate is not used to form the tubular sensor 1 (as is the case in Fig. 4e)), then the surface of the
На заключительном этапе изготовления датчика трубчатый чувствительный элемент формируют травлением материала подложки под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента. При удалении травлением материала подложки 10, указанный участок освобождается от связи с подложкой 10 и под действием внутренних механических напряжений трансформируется в трубчатый чувствительный элемент 1 (см. Фиг.4д), е). Фиг.5ё), Фиг.6е)), располагаясь над поверхностью подложки 10. Участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента остается связанным с подложкой.At the final stage of the manufacture of the sensor, the tubular sensing element is formed by etching the substrate material under the portion of the multilayer film structure designed to form the tubular sensitive element. When the
Данную операцию осуществляют, например, селективным анизотропным травлением подложки (см. Фиг.4д)), при этом формируют трубчатый чувствительный элемент 1 и очертания будущего чипа.This operation is carried out, for example, by selective anisotropic etching of the substrate (see Fig. 4d)), while forming a tubular sensing element 1 and the outline of the future chip.
Также данная операция может быть осуществлена посредством селективного травления. Перед этим, предварительно защитив планарную сторону подложки 10, на которой изготовлены детали датчика, резистом 13 или воском, стравливают материал подложки 10 с непланарной стороны до толщины, сравнимой с размером стороны участка в виде полоски, трансформируемого в трубчатый чувствительный элемент путем сворачивания в направлении вдоль указанной стороны. В ходе выполнения данной операции одновременно осуществляют формирование отдельных чипов с ножками-тоководами (держателями 2), на которых закреплен трубчатый чувствительный элемент 1 (см Фиг.1а)).Also, this operation can be carried out by selective etching. Before that, having previously protected the planar side of the
В предыдущем случае формирование отдельных чипов осуществляют дальнейшим селективным травлением подложки 10 (см. Фиг.4е)). Для защиты будущих чипов от растравливания используют заливку поверхности растопленным воском. Формирование отдельных чипов заканчивают удалением воска в толуоле. Формирование отдельных чипов также возможно и на предыдущем этапе (см. Фиг.4д)) при условии предварительного утонения подложки до толщины, сравнимой с размером стороны участка в виде полоски, трансформируемого в трубчатый чувствительный элемент путем сворачивания в направлении вдоль указанной стороны. В этом случае осуществляют одновременное формирование трубчатого чувствительного элемента и чипа в целом с ножками-тоководами (держателями 2), на которых закреплен трубчатый чувствительный элемент 1 (см. Фиг.1б)).In the previous case, the formation of individual chips is carried out by further selective etching of the substrate 10 (see Fig. 4e)). To protect future chips from pickling, surface melting with melted wax is used. The formation of individual chips is completed by the removal of wax in toluene. The formation of individual chips is also possible at the previous stage (see Fig. 4e)) provided that the substrate is preliminarily thinned to a thickness comparable to the size of the side of the strip-like section that can be transformed into a tubular sensitive element by folding in the direction along this side. In this case, the tubular sensitive element and the chip as a whole are formed simultaneously with the legs-conductors (holders 2) on which the tubular sensitive element 1 is fixed (see Fig. 1b).
В случае дополнительного формирования механических упоров для трубчатого чувствительного элемента (см. Фиг.5г) и д), Фиг.6в) и г)) в слое 8, выполняющем функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента, вскрывают окна глубиной до дополнительного слоя 7, уменьшающего сопротивление (см. Фиг.1б), Фиг.2), с целью обеспечения электрического подключения при осуществлении датчиком измерений.In the case of additional formation of mechanical stops for the tubular sensing element (see Fig. 5g) and e), Fig. 6c) and d)) in the
Ножки-тоководы (держатели 2) датчика могут содержать кроме вышеприведенных слоев также и другие элементы, позволяющие упрочнить области крепления трубчатого чувствительно элемента к ножкам-тоководам.The legs-current leads (holders 2) of the sensor may contain, in addition to the above layers, also other elements that make it possible to strengthen the fastening areas of the tubular sensitive element to the legs-current leads.
Готовые изделия представлены на Фиг.7-9.Finished products are presented in Fig.7-9.
Достижение технического результата в предлагаемом изобретении базируется на изготовлении чувствительного элемента трубчатым на основе многослойной пленочной структуры, содержащей механически напряженные слои. Во-первых, наличие механически напряженных слоев, свернутых в результате действия механических напряжений в трубку, обеспечивает прочность готовым изделиям. Во-вторых, форма чувствительного элемента, трубчатая, с поперечным круглым сечением, обеспечивает устранение зависимости выходного напряжения от угла обдувания проволоки, приводящей к искажению характеристик. В отличие от известных технических решений с чувствительными элементами, характеризующимися четырехугольными формами поперечного сечения, для трубчатого чувствительного элемента с сечением в поперечнике в виде круга, каков бы ни был угол его обдувания, результат измерения будет одним и тем же.The achievement of the technical result in the present invention is based on the manufacture of the sensing element tubular based on a multilayer film structure containing mechanically stressed layers. Firstly, the presence of mechanically stressed layers, rolled up as a result of mechanical stresses into the tube, provides strength to the finished products. Secondly, the shape of the sensor element, tubular, with a transverse circular cross section, eliminates the dependence of the output voltage on the angle of blowing of the wire, leading to distortion of characteristics. In contrast to the known technical solutions with sensitive elements characterized by quadrangular cross-sectional shapes, for a tubular sensitive element with a cross-section in the form of a circle, whatever the angle of blowing, the measurement result will be the same.
Также в изготовленных предлагаемым способом изделиях возможно уменьшить поперечное сечение чувствительного элемента. За счет уменьшения поперечного сечения пропорционально уменьшается теплопередача вдоль чувствительного элемента. Следовательно, его длину можно выбрать значительно меньшей, чем у традиционного проволочного датчика. Это обстоятельство дополнительно способствует повышению прочности изделия в целом, а также увеличению пространственного разрешения датчика.Also, in the products made by the proposed method, it is possible to reduce the cross section of the sensing element. By reducing the cross section, heat transfer proportionally decreases along the sensing element. Therefore, its length can be chosen much less than that of a traditional wire sensor. This circumstance additionally contributes to increasing the strength of the product as a whole, as well as increasing the spatial resolution of the sensor.
Кроме того, частотная характеристика изготовленных предлагаемым способом датчиков не ухудшится по сравнению с традиционными датчиками, но постоянная времени при одинаковых размерах в поперечнике уменьшится пропорционально уменьшению площади поперечного сечения, то есть примерно в 25 раз.In addition, the frequency response of the sensors manufactured by the proposed method will not deteriorate compared to traditional sensors, but the time constant at the same cross-sectional dimensions will decrease in proportion to the decrease in the cross-sectional area, i.e. approximately 25 times.
Существенным преимуществом разработанной технологии изготовления датчиков термоанемометров является возможность их массового производства в едином технологическом процессе, что снижает их себестоимость в десятки и сотни раз по сравнению с используемыми в мире методами изготовления традиционных проволочных анемометров. Использование оптических масок позволяет изготовить сотни анемометров за один технологический маршрут.A significant advantage of the developed technology for manufacturing sensors of hot-wire anemometers is the possibility of their mass production in a single technological process, which reduces their cost by tens and hundreds of times in comparison with the methods used in the world for the manufacture of traditional wire anemometers. The use of optical masks makes it possible to produce hundreds of anemometers in one technological route.
Важнейшими параметрами датчиков являются: а) чувствительность - характеристика, определяющая насколько малые изменения скорости потока можно будет измерить; б) постоянная времени - характеристика, определяющая быстродействие; в) прочность.The most important parameters of the sensors are: a) sensitivity - a characteristic that determines how small changes in the flow rate can be measured; b) time constant - a characteristic that determines the speed; c) strength.
Хорошо известно, что замена сплошных цилиндрических стержней на трубки позволяет создавать более легкие конструкции, которые по прочностным характеристикам практически не уступают исходным. В нашем случае производится замена проволоки тонкостенной трубкой. И очень важно знать насколько при этом уменьшится механическая прочность конструкции. В потоке на активный элемент действует нагрузка, создаваемая движением потока, поэтому в первом приближении данную задачу можно свести к задаче о стержне с жесткозакрепленными концами с равномерно распределенной нагрузкой.It is well known that replacing solid cylindrical rods with tubes allows you to create lighter structures that are practically inferior in strength to the original ones. In our case, the wire is replaced with a thin-walled tube. And it is very important to know how much the mechanical strength of the structure decreases. In the flow, the load is affected by the load created by the movement of the flow, therefore, as a first approximation, this problem can be reduced to the problem of a rod with rigidly fixed ends with a uniformly distributed load.
Предположим, что на стержень длиной L, закрепленный по краям, действует равномерно распределенная нагрузка q. Было показано (Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов. Москва, Мир, 1976), что для данной задачи изгибающий момент М описывается формулой:Assume that a uniformly distributed load q acts on a rod of length L fixed along the edges. It was shown (Timoshenko S.P., Hera J. Material Mechanics. Moscow, Mir, 1976) that for this problem, the bending moment M is described by the formula:
где q - равномерно распределенная нагрузка;where q is the uniformly distributed load;
L - длина стрежня;L is the length of the rod;
x - координата вдоль оси стержня.x is the coordinate along the axis of the rod.
При x=L/2 возникает максимальный изгибающий момент, равныйAt x = L / 2, the maximum bending moment arises equal to
По толщине стержня напряжения распределяются согласно выражениюThe thickness of the rod stresses are distributed according to the expression
где σ - продольное механическое напряжение;where σ is the longitudinal mechanical stress;
у - координата в поперечном направлении;y is the coordinate in the transverse direction;
Jz - момент инерции поперечного сечения относительно оси z.J z is the moment of inertia of the cross section relative to the z axis.
И у поверхности стержня напряжения достигают максимального значения:And at the surface of the rod voltage reaches its maximum value:
Для цилиндрического неполого стержня диаметром dout момент инерции Jz равенFor a cylindrical incomplete rod with a diameter of d out, the moment of inertia J z is
Для трубки:For tube:
где din - внутренний диаметр трубки;where d in is the inner diameter of the tube;
dout - внешний диаметр трубки.d out is the outer diameter of the tube.
В случае din=0 выражение (6) переходит в (5). Таким образом, для сравнения прочности трубки с прочностью сплошного стержня при их одинаковой длине достаточно сравнить моменты инерции поперечных сечений.In the case d in = 0, expression (6) goes over into (5). Thus, to compare the strength of the tube with the strength of a solid rod with their same length, it is sufficient to compare the moments of inertia of the cross sections.
Момент инерции поперечного сечения трубки диаметром 10 мкм с толщиной стенки 100 нм почти в 13 раз меньше момента инерции поперечного сечения неполого стержня диаметром 10 мкм. Соответственно и прочность трубки в 13 раз меньше, что соответствует прочности сплошного стержня диаметром около 5,3 мкм.The moment of inertia of the cross section of a tube with a diameter of 10 μm and a wall thickness of 100 nm is almost 13 times less than the moment of inertia of the cross section of an incomplete rod with a diameter of 10 μm. Accordingly, the strength of the tube is 13 times less, which corresponds to the strength of a solid rod with a diameter of about 5.3 microns.
Площадь поперечного сечения проволоки диаметром 5,3 мкм равнаThe cross-sectional area of a wire with a diameter of 5.3 μm is
S≈22·10-12 m2.S≈22 · 10 -12 m 2 .
Площадь поперечного сечения трубки диаметром 10 мкм и толщиной стенок 100 нм равнаThe cross-sectional area of the tube with a diameter of 10 μm and a wall thickness of 100 nm is
S≈3,11·10-12 m2.S≈3.11 · 10 -12 m 2 .
Площадь поперечного сечения (соответственно и масса) трубки почти в семь раз меньше проволоки (сплошного стержня). Соответственно при одинаковых прочностных характеристиках у трубки в семь раз меньше инерционность. Кроме того, площадь поверхности теплообмена трубки почти в два раза больше проволоки, что еще больше уменьшает ее инерционность. Из опубликованных данных (J.O.Hinze, Turbulence an Introduction to its Mechanism and Theory, McGraw-Hill Book Company, INC., New York, 1959, 680 р.) следует, что постоянная времени τ нити пропорциональна ее полной теплоемкости:The cross-sectional area (respectively, and mass) of the tube is almost seven times smaller than the wire (solid rod). Accordingly, with the same strength characteristics, the tube has seven times less inertia. In addition, the heat exchange surface area of the tube is almost two times larger than the wire, which further reduces its inertia. From published data (J.O. Hinze, Turbulence an Introduction to its Mechanism and Theory, McGraw-Hill Book Company, INC., New York, 1959, 680 p.) It follows that the time constant τ of the thread is proportional to its total heat capacity:
где с - удельная теплоемкость нити;where c is the specific heat of the thread;
m - масса нити.m is the mass of the thread.
Таким образом, прочность чувствительного элемента ближайшего прототипа (патент США на изобретение №5883310, МПК 6 G01B 7/16) как минимум в 20 раз меньше предлагаемого трубчатого элемента, при одинаковой массе, и соответственно площади поперечного сечения.Thus, the strength of the sensitive element of the closest prototype (US patent for invention No. 5883310,
Датчик скорости потока газа и жидкости используют следующим образом.The gas and liquid flow rate sensor is used as follows.
Для измерения скорости потока, например, газа трубчатый чувствительный элемент подключают посредством тоководов через мостовую измерительную схему к регистрирующему устройству и нагревают посредством пропускания электрического тока. Датчик устанавливают в потоке так, чтобы трубчатый чувствительный элемент был расположен перпендикулярно направлению течения. Трубчатый чувствительный элемент охлаждается потоком газа, вызывая падение его температуры и, следовательно, уменьшение электрического сопротивления. По показаниям регистрирующего устройства с помощью предварительно полученной индивидуальной градуировочной характеристики датчика определяют скорость потока.To measure the flow rate of, for example, gas, a tubular sensing element is connected via current leads through a bridge measuring circuit to a recording device and heated by passing an electric current. The sensor is installed in the stream so that the tubular sensing element is perpendicular to the direction of flow. The tubular sensing element is cooled by a gas stream, causing a drop in its temperature and, consequently, a decrease in electrical resistance. According to the testimony of the recording device using the previously obtained individual calibration characteristics of the sensor determine the flow rate.
В качестве сведений, подтверждающих возможность достижения технического результата с реализацией назначения изобретения, приводим нижеследующие примеры осуществления способа.As information confirming the possibility of achieving a technical result with the implementation of the purpose of the invention, we give the following examples of the method.
Пример 1.Example 1
На планарной поверхности подложки 10 изготавливают многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями 4-6 и литографически задают рисунок анемометра, включающий отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.4).A multilayer film structure with mechanically strained layers 4-6 is made on the planar surface of the
В качестве подложки 10 используют монокристаллическую пластину полупроводника Si с ориентацией (100).As the
В многослойной пленочной структуре слои сформированы последовательно на подложке 10: сжатый слой 4, растянутый слой 5, являющиеся формообразующими для трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.4а)), и проводящий слой 6 (см. Фиг.4б)). Указанные слои изготавливают из диэлектриков и металлов. Для создания сжатого слоя 4 используют SiO2, для создания растянутого слоя 5 - Si3N4, а проводящий слой 6 создают из Au с подслоем Ti, выполняющим функцию слоя 11, улучшающего адгезию. Сжатый слой 4 термического SiO2 формируют толщиной 20 нм, а растянутый слой 5 Si3N4 формируют низкотемпературным плазмохимическим осаждением толщиной 20 нм. Проводящий слой 6 Au с подслоем Ti, являющимся слоем 11, улучшающим адгезию, наносят вакуумным напылением, соответственно, толщинами 50 и 5 нм (см. Фиг.4б)).In the multilayer film structure, the layers are formed sequentially on the substrate 10: the
При этом финальную стадию изготовления многослойной пленочной структуры с механически напряженными слоями, заключающуюся в создании проводящего слоя, осуществляют одновременно с начальной стадией задания рисунка анемометра, заключающейся в нанесении резиста, последующем формировании в нем сквозного окна с геометрией, определяющей рисунок анемометра, в котором осуществляют нанесение проводящего слоя (см. Фиг.4б)). Частично совмещенное во времени выполнение операций осуществляют методом взрывной литографии. Перед формированием проводящего слоя 6 с дополнительным слоем 11, улучшающим адгезию, наносят резист, формируют в нем сквозное, до растянутого напряженного слоя 6, окно, после чего осуществляют напыление сначала дополнительного слоя 11, улучшающего адгезию, а затем проводящего слоя 6, в том числе и в окно, после чего осуществляют удаление резиста.In this case, the final stage of manufacturing a multilayer film structure with mechanically strained layers, which consists in creating a conductive layer, is carried out simultaneously with the initial stage of setting the pattern of the anemometer, which consists in applying a resist, the subsequent formation of a through window with a geometry that determines the pattern of the anemometer in which the application conductive layer (see Fig.4b)). Partially time-aligned operations are performed using explosive lithography. Before the formation of the
Затем на остальной части многослойной пленочной структуры формируют сквозные окна до поверхности подложки 10, обеспечивающие выполнение последующих операций травления подложки (см. Фиг.4в)). Наносят защитную маску из фоторезиста 12 на участки рисунка анемометра и далее травят незащищенные участки многослойной пленочной структуры частично с материалом подложки 10. Плазмохимическое стравливание SiO2/Si3N4 осуществляют в плазме CF4.Then, through windows to the surface of the
Далее на участках тоководов рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов, являющихся одновременно и механическими упорами для трубчатого чувствительного элемента (см. Фиг.4г)). Для этого сначала наносят защитную маску из фоторезиста, затем через маску на участки тоководов химически осаждают слой 9 никеля толщиной 10 мкм, после чего защитную маску удаляют и проводят отжиг для релаксации напряжений в осажденном материале и повышения прочности тоководов. Химическое осаждение никеля проводят из раствора: никель сернокислый (20÷30 г/л), натрий уксуснокислый (10÷20 г/л), натрий фосфорноватистокислый (25÷30 г/л), кислота уксусная (5÷6 г/л). Температура осаждения составляет 80°С, время - 1 час. Защитную маску удаляют в ацетоне и проводят отжиг при температуре 400°С в инертной атмосфере в течение 1 часа.Further, on the sections of the current leads of the anemometer drawing, low-resistance current conductors are formed, which are also mechanical stops for the tubular sensitive element (see Fig. 4d). For this, a protective mask made of photoresist is first applied, then a nickel layer of 10 μm thick is chemically deposited onto the current guide sections, after which the protective mask is removed and annealed to relax the stresses in the deposited material and increase the strength of the current leads. Chemical precipitation of nickel is carried out from a solution: nickel sulfate (20 ÷ 30 g / l), sodium acetic acid (10 ÷ 20 g / l), sodium phosphoric acid (25 ÷ 30 g / l), acetic acid (5 ÷ 6 g / l) . The deposition temperature is 80 ° C, the time is 1 hour. The protective mask is removed in acetone and annealed at a temperature of 400 ° C in an inert atmosphere for 1 hour.
Далее травят материал подложки 10 под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента 1, и указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент 1 (см. Фиг.4д)). Данную операцию осуществляют посредством селективного анизотропного травления кремниевой подложки в водном растворе аммиака NH4OH:H2O (1:5,3).Next, the
В заключение удалением материала подложки 10 формируют держатели 2 трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип (см. Фиг.4е)). Данную операцию осуществляют после формирования трубчатого чувствительного элемента посредством селективного травления материала подложки в травителе HNO3:HF:СН3ООН в соотношении 1:1:1. В целях защиты будущих чипов от растравливания поверхность заливают растопленным воском. После окончания формирования травлением чипа воск удаляют в толуоле.In conclusion, by removing the
Отметим, что после формирования трубчатого чувствительного элемента диэлектрические слои находятся снаружи трубки, а нагрев осуществляется посредством пропускания по находящейся изнутри пленке золота электрического тока. Поскольку диэлектрики имеют величину теплопроводности, которая в 10 раз меньше, чем у металлов, то казалось бы, что при теплообмене между потоком газа и поверхностью трубки данное обстоятельство является негативным фактором. Однако в нашем случае толщина диэлектрика составляет всего 40 нм и, следовательно, их низкой теплопроводностью можно пренебречь. Кроме того, известно, что у традиционных проволочных датчиков в целях стабилизации их характеристик при эксплуатации (загрязнение поверхности чувствительного элемента частицами потока обуславливает изменение характеристик датчиков) чувствительный элемент специально покрывают SiO2. Поэтому в нашем случае проблема защитного покрытия решается автоматически.Note that after the formation of the tubular sensing element, the dielectric layers are located outside the tube, and heating is carried out by passing an electric current through the gold film inside. Since dielectrics have a thermal conductivity that is 10 times less than that of metals, it would seem that this is a negative factor during heat transfer between the gas stream and the tube surface. However, in our case, the thickness of the dielectric is only 40 nm and, therefore, their low thermal conductivity can be neglected. In addition, it is known that in traditional wire sensors in order to stabilize their characteristics during operation (contamination of the surface of the sensitive element by particles of the flow causes a change in the characteristics of the sensors), the sensitive element is specially coated with SiO 2 . Therefore, in our case, the problem of a protective coating is solved automatically.
Пример 2.Example 2
На планарной поверхности подложки 10 изготавливают многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями 4-6 и литографически задают рисунок анемометра, включающий отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.5).A multilayer film structure with mechanically strained layers 4-6 is made on the planar surface of the
В качестве подложки 10 используют монокристаллическую полуизолирующую пластину полупроводника InP с ориентацией (100).As the
В многослойной пленочной структуре слои сформированы последовательно на подложке 10: сжатый слой 4, растянутый слой 5, являющиеся формообразующими для трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.5а)), и проводящий слой 6 (см. Фиг.5б)). Указанные слои изготавливают из полупроводников и металлов. Для создания сжатого слоя 4 используют InxGa1-xAs (х=0,62), для создания растянутого слоя 5 - InyGa1-yAs (y=0,45), а проводящий слой 6 создают из Au с подслоем Ti, выполняющим функцию слоя 11, улучшающего адгезию. Сжатый слой 4 формируют толщиной 20 нм, растянутый слой 5 - толщиной 20 нм. Формообразующие слои 4 и 5 получают посредством эпитаксии кристаллических веществ с различными постоянными решетками с соблюдением условия псевдоморфного роста. Проводящий слой 6 Au с подслоем Ti, являющегося слоем 11, улучшающим адгезию, наносят вакуумным напылением, соответственно, толщинами 50 и 5 нм (см. Фиг.5б)).In the multilayer film structure, the layers are formed sequentially on the substrate 10: a
При этом финальную стадию операции изготовления многослойной пленочной структуры с механически напряженными слоями, заключающуюся в создании проводящего слоя, осуществляют одновременно с начальной стадией операции задания рисунка анемометра, заключающейся в нанесении резиста, последующем формировании в нем сквозного окна с геометрией, определяющей рисунок анемометра, в котором осуществляют нанесение проводящего слоя (см. Фиг.5б)). Частично совмещенное во времени выполнение операций осуществляют методом взрывной литографии. При взрывной литографии перед формированием проводящего слоя 6 с дополнительным слоем 11, улучшающим адгезию, наносят резист, формируют в нем сквозное, до растянутого напряженного слоя 6, окно, после чего осуществляют напыление сначала дополнительного слоя 11, улучшающего адгезию, а затем проводящего слоя 6, в том числе и в окно, после чего осуществляют удаление резиста.In this case, the final stage of the operation of manufacturing a multilayer film structure with mechanically strained layers, which consists in creating a conductive layer, is carried out simultaneously with the initial stage of the operation of setting the pattern of the anemometer, which consists in applying a resist, the subsequent formation of a through window in it with a geometry that defines the pattern of the anemometer, in which carry out the application of the conductive layer (see Fig.5b)). Partially time-aligned operations are performed using explosive lithography. In explosive lithography, before forming a
Затем на остальной части многослойной пленочной структуры формируют сквозные окна до поверхности подложки 10, обеспечивающие выполнение последующих операций травления подложки (см. Фиг.5в)). Наносят защитную маску из фоторезиста 12 на участки рисунка анемометра и далее травят незащищенные участки многослойной пленочной структуры до подложки 10. Травление InxGa1-xAs/InyGa1-yAs осуществляют в растворе Н3PO4:Н2О2:Н2О с соотношением 3:1:50.Then, through windows to the surface of the
Далее на участках тоководов рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов (см. Фиг.5г)). Для этого напыляют через маску слой золота толщиной 300 нм (дополнительный слой 7, уменьшающий сопротивление).Further, at the sections of the current leads of the anemometer drawing, the formation of low-resistance current leads (see Fig. 5d)). To do this, a layer of gold with a thickness of 300 nm is sprayed through the mask (
Дополнительно формируют механический упор для трубчатого чувствительного элемента (см. Фиг.5д)). Для изготовления механических упоров для трубчатого чувствительного элемента используют диэлектрический материал, фоторезист SU-8 толщиной до 50 мкм (слой 8, выполняющий функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента).Additionally form a mechanical stop for the tubular sensing element (see Fig.5d)). For the manufacture of mechanical stops for a tubular sensing element, a dielectric material, a SU-8 photoresist, up to 50 μm thick (
Перед заключительным этапом поверхность подложки 10 с изготовленными на ней деталями термоанемометра защищают резистом 13 (см. Фиг.5е)).Before the final stage, the surface of the
На заключительном этапе материал подложки под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента, травят. Указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент. В заключение удалением материала подложки формируют держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип (см. Фиг.5ё)).At the final stage, the substrate material under the portion of the multilayer film structure designed to form the tubular sensing element is etched. The specified area under the influence of internal mechanical stress is transformed into a tubular sensing element. In conclusion, by removing the substrate material, holders of the tubular sensitive element are formed on which the current conductors are located, and they also form a chip as a whole (see Fig. 5e)).
Операцию осуществляют посредством селективного травления. Предварительно защитив планарную сторону резистом 13, стравливают материал подложки 10 с непланарной стороны до толщины, сравнимой с размером стороны участка в виде полоски, трансформируемого в трубчатый чувствительный элемент путем сворачивания в направлении вдоль указанной стороны. Держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, и в целом чип формируют селективным травлением подложки 10 одновременно с формированием трубчатого чувствительного элемента. В качестве травителя используют HCl:Н3PO4 с соотношением 1:3 (установлено, что указанный травитель не травит InxGa1-xAs (x=0,62)).The operation is carried out by selective etching. Having previously protected the planar side with resist 13, etch the
Пример 3.Example 3
На планарной поверхности подложки 10 изготавливают многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями и литографически задают рисунок анемометра, включающий отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.6).A multilayer film structure with mechanically strained layers is made on the planar surface of the
В качестве подложки 10 используют монокристаллическую полуизолирующую пластину полупроводника InP с ориентацией (100).As the
В многослойной пленочной структуре слои сформированы последовательно на подложке 10: формообразующий сжатый слой 14, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя, и формообразующий растянутый слой 15, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя. Указанные слои изготавливают из полупроводникового материала сильно легированными, до n-типа проводимости (см. Фиг.6а)). Для создания сжатого слоя 14 используют InxGa1-xAs (x=0,62), для создания растянутого слоя 15 - InyGa1-yAs (y=0,45). Сжатый слой 14 формируют толщиной 25 нм, а растянутый слой 15 - толщиной 25 нм. Формообразующие слои 14 и 15, выполняющие одновременно функцию проводящего слоя, получают посредством эпитаксии кристаллических веществ с различными постоянными решетками с соблюдением условия псевдоморфного роста.In the multilayer film structure, the layers are formed sequentially on the substrate 10: a
Формирование сквозных окон, обеспечивающих выполнение последующих операций травления подложки, осуществляют в процессе литографического задания рисунка анемометра. Для литографического задания рисунка анемометра и одновременного формирования сквозных окон (см. Фиг.6б)) используют метод оптической литографии. Гетеропленку InxGa1-xAs/InyGa1-yAs травят через маску в растворе Н3PO4:Н2O2:H2O с соотношением 3:1:50 до подложки 10.The formation of through windows, ensuring the implementation of subsequent operations of etching the substrate, is carried out in the process of lithographic job drawing anemometer. For lithographic job drawing anemometer and the simultaneous formation of through windows (see Fig.6b)) use the method of optical lithography. The In x Ga 1-x As / In y Ga 1-y As heterofilm is etched through a mask in a H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O solution with a ratio of 3: 1: 50 to a substrate of 10.
Далее на участках тоководов рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов (см. Фиг.6в)). Для этого напыляют через маску слой золота толщиной 300 нм (дополнительный слой 7, уменьшающий сопротивление).Further, at the sections of the current leads of the anemometer drawing, the formation of low-resistance current leads (see Fig.6c)). To do this, a layer of gold with a thickness of 300 nm is sprayed through the mask (
Дополнительно формируют механический упор для трубчатого чувствительного элемента (см. Фиг.6г)). Для изготовления механических упоров для трубчатого чувствительного элемента используют диэлектрический материал, фоторезист SU-8 толщиной до 50 мкм (слой 8, выполняющий функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента).Additionally form a mechanical stop for the tubular sensing element (see Fig.6d). For the manufacture of mechanical stops for a tubular sensing element, a dielectric material, a SU-8 photoresist, up to 50 μm thick (
Перед заключительным этапом поверхность подложки 10 с изготовленными на ней деталями термоанемометра защищают резистом 13 (см. Фиг.6д)).Before the final stage, the surface of the
На заключительном этапе материал подложки под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента, травят. Указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент. В заключение удалением материала подложки формируют держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип (см. Фиг.6е)).At the final stage, the substrate material under the portion of the multilayer film structure designed to form the tubular sensing element is etched. The specified area under the influence of internal mechanical stress is transformed into a tubular sensing element. In conclusion, by removing the substrate material, holders of the tubular sensing element are formed on which the current conductors are located, and also a chip is formed as a whole (see Fig. 6e)).
Операцию осуществляют посредством селективного травления. Предварительно защитив планарную сторону резистом 13, стравливают материал подложки 10 с непланарной стороны до толщины, сравнимой с размером стороны участка в виде полоски, трансформируемого в трубчатый чувствительный элемент путем сворачивания в направлении вдоль указанной стороны. Держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, и в целом чип формируют селективным травлением подложки 10 одновременно с формированием трубчатого чувствительного элемента. В качестве травителя используют HCl:Н2PO4 с соотношением 1:3 (установлено, что указанный травитель не травит InxGa1-xAs (x=0,62)).The operation is carried out by selective etching. Having previously protected the planar side with resist 13, etch the
Пример 4.Example 4
На планарной поверхности подложки 10 изготавливают многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями и литографически задают рисунок анемометра, включающий отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.6).A multilayer film structure with mechanically strained layers is made on the planar surface of the
В качестве подложки 10 используют монокристаллическую полуизолирующую пластину полупроводника GaAs с ориентацией (100).As the
В многослойной пленочной структуре слои сформированы последовательно на подложке 10: формообразующий сжатый слой 4, выполняющий одновременно функцию изолирующего слоя, и формообразующий растянутый слой 15, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя. Указанные слои изготавливают соответственно из Та2O5 и Та (см. Фиг.6а)). Сжатый слой 4 формируют толщиной 20 нм, а растянутый слой 15 - толщиной 20 нм. Формообразующие слои 4 и 15 получают посредством ионно-лучевого распыления мишени.In the multilayer film structure, the layers are formed sequentially on the substrate 10: a
Формирование сквозных окон, обеспечивающих выполнение последующих операций травления подложки, осуществляют в процессе литографического задания рисунка анемометра. Для литографического задания рисунка анемометра и одновременного формирования сквозных окон (см. Фиг.6б)) используют ионное травление до подложки 10.The formation of through windows, ensuring the implementation of subsequent operations of etching the substrate, is carried out in the process of lithographic job drawing anemometer. For lithographic job drawing of the anemometer and the simultaneous formation of through windows (see Fig.6b)) use ion etching to the
Далее на участках тоководов рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов (см. Фиг.6в)). Для этого напыляют через маску слой золота толщиной 300 нм (дополнительный слой 7, уменьшающий сопротивление).Further, at the sections of the current leads of the anemometer drawing, the formation of low-resistance current leads (see Fig.6c)). To do this, a layer of gold with a thickness of 300 nm is sprayed through the mask (
Дополнительно формируют механический упор для трубчатого чувствительного элемента (см. Фиг.6г)). Для изготовления механических упоров трубчатого чувствительного элемента используют диэлектрический материал, фоторезист SU-8 толщиной до 50 мкм (слой 8, выполняющий функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента).Additionally form a mechanical stop for the tubular sensing element (see Fig.6d). For the manufacture of mechanical stops of the tubular sensing element, a dielectric material, a SU-8 photoresist with a thickness of up to 50 μm (
Перед заключительным этапом поверхность подложки 10 с изготовленными на ней деталями термоанемометра защищают резистом 13 (см. Фиг.6д)).Before the final stage, the surface of the
На заключительном этапе материал подложки под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента, травят. Указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент. В заключение удалением материала подложки формируют держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип (см. Фиг.6е)).At the final stage, the substrate material under the portion of the multilayer film structure designed to form the tubular sensing element is etched. The specified area under the influence of internal mechanical stress is transformed into a tubular sensing element. In conclusion, by removing the substrate material, holders of the tubular sensing element are formed on which the current conductors are located, and also a chip is formed as a whole (see Fig. 6e)).
Операцию осуществляют посредством селективного травления. Предварительно защитив планарную сторону резистом 13, стравливают материал подложки 10 с непланарной стороны до толщины, сравнимой с размером стороны участка в виде полоски, трансформируемого в трубчатый чувствительный элемент путем сворачивания в направлении вдоль указанной стороны. Держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, и в целом чип формируют селективным травлением подложки 10 одновременно с формированием трубчатого чувствительного элемента. В качестве травителя используют Н3PO4:Н2O2:Н2O с соотношением 7:3:3.The operation is carried out by selective etching. Having previously protected the planar side with resist 13, etch the
Пример 5.Example 5
На планарной поверхности подложки 10 изготавливают многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями и литографически задают рисунок анемометра, включающий отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.6).A multilayer film structure with mechanically strained layers is made on the planar surface of the
В качестве подложки 10 используют монокристаллическую пластину полупроводника Si с ориентацией (100).As the
В многослойной пленочной структуре слои сформированы последовательно на подложке 10: формообразующий сжатый слой 14, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя, и формообразующий растянутый слой 15, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя. Указанные слои изготавливают соответственно из SiGe и Si (см. Фиг.6а)). Сжатый слой 14 из SiGe формируют толщиной 20 нм, а растянутый слой 15 Si - также толщиной 20 нм. Формообразующие слои 14 и 15, выполняющие одновременно функцию проводящего слоя, получают посредством молекулярно-лучевой эпитаксии из кристаллических веществ с различными постоянными решетки, соблюдая условия псевдоморфного роста. При этом формообразующий слой 14, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя, сильно легирован бором (1020 см-3).In the multilayer film structure, the layers are formed sequentially on the substrate 10: a
Формирование сквозных окон, обеспечивающих выполнение последующих операций травления подложки, осуществляют в процессе литографического задания рисунка анемометра. Для литографического задания рисунка анемометра и одновременного формирования сквозных окон (см. Фиг.6б)) используют реактивное ионное травление до подложки 10 в плазме SF6.The formation of through windows, ensuring the implementation of subsequent operations of etching the substrate, is carried out in the process of lithographic job drawing anemometer. For lithographic job drawing anemometer and the simultaneous formation of through windows (see Fig.6b)) use reactive ion etching to the
Далее на участках тоководов рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов, являющихся одновременно и механическими упорами для трубчатого чувствительного элемента (операция не показана на Фиг.6). Для этого сначала наносят защитную маску из фоторезиста, затем через маску на участки тоководов химически осаждают слой 9 никеля толщиной 8 мкм, после чего защитную маску удаляют и проводят отжиг для релаксации напряжений в осажденном материале и повышения прочности тоководов. Химическое осаждение никеля проводят из раствора: никель сернокислый (20÷30 г/л), натрий уксуснокислый (10÷20 г/л), натрий фосфорноватистокислый (25÷30 г/л), кислота уксусная (5÷6 г/л). Температура осаждения составляет 80°С, время - 1 час. Защитную маску удаляют в ацетоне и проводят отжиг при температуре 400°С в инертной атмосфере в течение 1 часа.Further, in the sections of the current leads of the anemometer drawing, low-resistance current conductors are formed, which are also mechanical stops for the tubular sensing element (the operation is not shown in Fig.6). For this, a protective mask from a photoresist is first applied, then a
Травят материал подложки 10 под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента 1, и указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент 1 (см. Фиг.4д)). Данную операцию осуществляют посредством селективного анизотропного травления кремниевой подложки в водном растворе аммиака NH4OH:H2О (1:5,3).The
В заключение удалением материала подложки 10 формируют держатели 2 трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип (см. Фиг.4е)). Данную операцию осуществляют после формирования трубчатого чувствительного элемента посредством селективного травления материала подложки в травителе HNO3:HF:СН3ООН в соотношении 1:1:1. В целях защиты будущих чипов от растравливания поверхность заливают растопленным воском. После окончания формирования травлением чипа, воск удаляют в толуоле.In conclusion, by removing the
Пример 6.Example 6
На планарной поверхности подложки 10 изготавливают многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями и литографически задают рисунок анемометра, включающий отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента 1.A multilayer film structure with mechanically strained layers is made on the planar surface of the
В качестве подложки 10 используют монокристаллическую пластину полупроводника Si с ориентацией (100).As the
В многослойной пленочной структуре слои сформированы последовательно на подложке 10: формообразующий сжатый слой 4 и формообразующий растянутый слой 15, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя. Указанные слои изготавливают соответственно из SiO2 и Au с подслоем Ti. Сжатый слой 4 из SiO2 формируют толщиной 20 нм, а растянутый слой 15 Au с подслоем Ti - толщиной 50 нм для Au, толщиной 5 нм для подслоя Ti. Формообразующий слой 4 и 15, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя, получают соответственно путем термического окисления кремния и электронно-лучевым распылением в вакууме.In the multilayer film structure, the layers are formed sequentially on the substrate 10: a
Формирование сквозных окон, обеспечивающих выполнение последующих операций травления подложки, осуществляют в процессе литографического задания рисунка анемометра. Для литографического задания рисунка анемометра и одновременного формирования сквозных окон используют в отношении верхнего слоя золота с подслоем титана метод взрывной литографии. Перед формированием растянутого слоя 15, выполняющего одновременно функцию проводящего слоя, наносят резист, формируют в нем сквозное, до сжатого напряженного слоя 4, окно, после чего осуществляют напыление формообразующего слоя 15, выполняющего одновременно функцию проводящего слоя, - сначала подслоя Ti, улучшающего адгезию, а затем слоя Au, в том числе и в окно, после чего осуществляют удаление резиста, чем создают рисунок анемометра в отношении верхнего слоя. Далее, используя рисунок верхнего слоя в качестве маски, осуществляют травление формообразующего слоя 4 до подложки 10 жидкостным методом.The formation of through windows, ensuring the implementation of subsequent operations of etching the substrate, is carried out in the process of lithographic job drawing anemometer. For lithographic assignment of the anemometer pattern and the simultaneous formation of through windows, explosive lithography is used in relation to the upper layer of gold with a titanium sublayer. Before forming the stretched
Далее на участках тоководов рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов, являющихся одновременно и механическими упорами для трубчатого чувствительного элемента. Для этого сначала наносят защитную маску из фоторезиста, затем через маску на участки тоководов химически осаждают слой 9 никеля толщиной 5 мкм, после чего защитную маску удаляют и проводят отжиг для релаксации напряжений в осажденном материале и повышения прочности тоководов. Химическое осаждение никеля проводят из раствора: никель сернокислый (20÷30 г/л), натрий уксуснокислый (10÷20 г/л), натрий фосфорноватистокислый (25÷30 г/л), кислота уксусная (5÷6 г/л). Температура осаждения составляет 80°С, время - 1 час. Защитную маску удаляют в ацетоне и проводят отжиг при температуре 400°С в инертной атмосфере в течение 1 часа.Further, on the sections of the current leads of the anemometer drawing, low-resistance current conductors are formed, which are also mechanical stops for the tubular sensitive element. For this, a protective mask from a photoresist is first applied, then a
Травят материал подложки 10 под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента 1, и указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент 1. Данную операцию осуществляют посредством селективного анизотропного травления кремниевой подложки в водном растворе аммиака NH4OH:H2O (1:5,3).The
В заключение удалением материала подложки 10 формируют держатели 2 трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип. Данную операцию осуществляют после формирования трубчатого чувствительного элемента посредством селективного травления материала подложки в травителе HNO3:HF:СН3ООН в соотношении 1:1:1. В целях защиты будущих чипов от растравливания поверхность заливают растопленным воском. После окончания формирования травлением чипа воск удаляют в толуоле.In conclusion, by removing the
Пример 7.Example 7
На планарной поверхности подложки 10 изготавливают многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями и литографически задают рисунок анемометра, включающий отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.6).A multilayer film structure with mechanically strained layers is made on the planar surface of the
В качестве подложки 10 используют монокристаллическую полуизолирующую пластину полупроводника InP с ориентацией (100).As the
В многослойной пленочной структуре слои сформированы последовательно на подложке 10: формообразующий сжатый слой 14, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя, и формообразующий растянутый слой 15, выполняющий одновременно функцию проводящего слоя. Указанные слои изготавливают из полупроводникового материала сильно легированными, до n-типа проводимости (см. Фиг.6а)). Для создания сжатого слоя 14 используют InxGa1-xAs (x=0,62), для создания растянутого слоя 55 - InyGa1-yAs (y=0,45). Сжатый слой 14 формируют толщиной, равной около десяти монослоям, и растянутый слой - таким же. Суммарная толщина слоев 14 и 15 составляет около 5 нм. Формообразующие слои 14 и 15, выполняющие одновременно функцию проводящего слоя, получают посредством эпитаксии кристаллических веществ с различными постоянными решетками с соблюдением условия псевдоморфного роста.In the multilayer film structure, the layers are formed sequentially on the substrate 10: a
Формирование сквозных окон, обеспечивающих выполнение последующих операций травления подложки, осуществляют в процессе литографического задания рисунка анемометра. Для литографического задания рисунка анемометра и одновременного формирования сквозных окон (см. Фиг.6б)) используют метод оптической литографии. Гетеропленку InxGa1-xAs/InyGa1-yAs травят через маску в растворе Н3PO4:H2O2:Н2О с соотношением 3:1:50 до подложки 10.The formation of through windows, ensuring the implementation of subsequent operations of etching the substrate, is carried out in the process of lithographic job drawing anemometer. For lithographic job drawing anemometer and the simultaneous formation of through windows (see Fig.6b)) use the method of optical lithography. The In x Ga 1-x As / In y Ga 1-y As heterofilm is etched through a mask in a solution of H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O with a ratio of 3: 1: 50 to a substrate of 10.
Далее на участках тоководов рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов (см. Фиг.6в)). Для этого напыляют через маску слой золота толщиной 300 нм (дополнительный слой 7, уменьшающий сопротивление).Further, at the sections of the current leads of the anemometer drawing, the formation of low-resistance current leads (see Fig.6c)). To do this, a layer of gold with a thickness of 300 nm is sprayed through the mask (
Дополнительно формируют механический упор для трубчатого чувствительного элемента (см. Фиг.6г)). Для изготовления механических упоров для трубчатого чувствительного элемента используют диэлектрический материал, фоторезист SU-8 толщиной до 50 мкм (слой 8, выполняющий функцию механического упора для трубчатого чувствительного элемента).Additionally form a mechanical stop for the tubular sensing element (see Fig.6d). For the manufacture of mechanical stops for a tubular sensing element, a dielectric material, a SU-8 photoresist, up to 50 μm thick (
Перед заключительным этапом поверхность подложки 10 с изготовленными на ней деталями термоанемометра защищают резистом 13 (см. Фиг.6д)).Before the final stage, the surface of the
На заключительном этапе материал подложки под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента, травят. Указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент. В заключение удалением материала подложки формируют держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип (см. Фиг.6е)).At the final stage, the substrate material under the portion of the multilayer film structure designed to form the tubular sensing element is etched. The specified area under the influence of internal mechanical stress is transformed into a tubular sensing element. In conclusion, by removing the substrate material, holders of the tubular sensing element are formed on which the current conductors are located, and also a chip is formed as a whole (see Fig. 6e)).
Операцию осуществляют посредством селективного травления. Предварительно защитив планарную сторону резистом 13, стравливают материал подложки 10 с непланарной стороны до толщины, сравнимой с размером стороны участка в виде полоски, трансформируемого в трубчатый чувствительный элемент путем сворачивания в направлении вдоль указанной стороны. Держатели трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, и в целом чип формируют селективным травлением подложки 10 одновременно с формированием трубчатого чувствительного элемента. В качестве травителя используют HCl:Н3PO4 с соотношением 1:3 (установлено, что указанный травитель не травит InxGa1-xAs (x=0,62)).The operation is carried out by selective etching. Having previously protected the planar side with resist 13, etch the
Пример 8.Example 8
На планарной поверхности подложки 10 изготавливают многослойную пленочную структуру с механически напряженными слоями 4-6 и литографически задают рисунок анемометра, включающий отделяемый от подложки участок, предназначенный для формирования трубчатого чувствительного элемента 1 под действием механических напряжений, и участок тоководов к концам трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.4).A multilayer film structure with mechanically strained layers 4-6 is made on the planar surface of the
В качестве подложки 10 используют монокристаллическую пластину полупроводника Si с ориентацией (100).As the
В многослойной пленочной структуре слои сформированы последовательно на подложке 10: сжатый слой 4, растянутый слой 5, являющиеся формообразующими для трубчатого чувствительного элемента 1 (см. Фиг.4а)), и проводящий слой 6 (см. Фиг.4б)). Указанные слои изготавливают из диэлектриков и металлов. Для создания сжатого слоя 4 используют SiO2, для создания растянутого слоя 5 - Si3N4, а проводящий слой 6 создают из Au с подслоем Ti, выполняющего функцию слоя 11, улучшающего адгезию. Сжатый слой 4 термического SiO2 формируют толщиной 75 нм, а растянутый слой 5 Si3N4 формируют низкотемпературным плазмохимическим осаждением толщиной 75 нм. Проводящий слой 6 Au с подслоем Ti, являющимся слоем 11, улучшающим адгезию, наносят вакуумным напылением, соответственно, толщинами 50 и 5 нм (см. Фиг.4б)).In the multilayer film structure, the layers are formed sequentially on the substrate 10: the
При этом финальную стадию изготовления многослойной пленочной структуры с механически напряженными слоями, заключающуюся в создании проводящего слоя, осуществляют одновременно с начальной стадией задания рисунка анемометра, заключающейся в нанесении резиста, последующем формировании в нем сквозного окна с геометрией, определяющей рисунок анемометра, в котором осуществляют нанесение проводящего слоя (см. Фиг.4б)). Частично совмещенное во времени выполнение операций осуществляют методом взрывной литографии. Перед формированием проводящего слоя 6 с дополнительным слоем 11, улучшающим адгезию, наносят резист, формируют в нем сквозное, до растянутого напряженного слоя 6, окно, после чего осуществляют напыление сначала дополнительного слоя 11, улучшающего адгезию, а затем проводящего слоя 6, в том числе и в окно, после чего осуществляют удаление резиста.In this case, the final stage of manufacturing a multilayer film structure with mechanically strained layers, which consists in creating a conductive layer, is carried out simultaneously with the initial stage of setting the pattern of the anemometer, which consists in applying a resist, the subsequent formation of a through window with a geometry that determines the pattern of the anemometer in which the application conductive layer (see Fig.4b)). Partially time-aligned operations are performed using explosive lithography. Before the formation of the
Затем на остальной части многослойной пленочной структуры формируют сквозные окна до поверхности подложки 10, обеспечивающие выполнение последующих операций травления подложки (см. Фиг.4в)). Наносят защитную маску из фоторезиста 12 на участки рисунка анемометра и далее травят незащищенные участки многослойной пленочной структуры частично с материалом подложки 10. Плазмохимическое стравливание SiO2/Si3N4 осуществляют в плазме CF4.Then, through windows to the surface of the
Далее на участках тоководов рисунка анемометра осуществляют формирование низкоомных тоководов, являющихся одновременно и механическими упорами для трубчатого чувствительного элемента (см. Фиг.4г)). Для этого сначала наносят защитную маску из фоторезиста, затем через маску на участки тоководов химически осаждают слой 9 никеля толщиной 10 мкм, после чего защитную маску удаляют и проводят отжиг для релаксации напряжений в осажденном материале и повышения прочности тоководов. Химическое осаждение никеля проводят из раствора: никель сернокислый (20÷30 г/л), натрий уксуснокислый (10÷20 г/л), натрий фосфорноватистокислый (25÷30 г/л), кислота уксусная (5÷6 г/л). Температура осаждения составляет 80°С, время - 1 час. Защитную маску удаляют в ацетоне и проводят отжиг при температуре 400°С в инертной атмосфере в течение 1 часа.Further, on the sections of the current leads of the anemometer drawing, low-resistance current conductors are formed, which are also mechanical stops for the tubular sensitive element (see Fig. 4d). For this, a protective mask made of photoresist is first applied, then a nickel layer of 10 μm thick is chemically deposited onto the current guide sections, after which the protective mask is removed and annealed to relax the stresses in the deposited material and increase the strength of the current leads. Chemical precipitation of nickel is carried out from a solution: nickel sulfate (20 ÷ 30 g / l), sodium acetic acid (10 ÷ 20 g / l), sodium phosphoric acid (25 ÷ 30 g / l), acetic acid (5 ÷ 6 g / l) . The deposition temperature is 80 ° C, the time is 1 hour. The protective mask is removed in acetone and annealed at a temperature of 400 ° C in an inert atmosphere for 1 hour.
Осуществляют предварительное утонение подложки до толщины, сравнимой с размером стороны участка в виде полоски, трансформируемого в трубчатый чувствительный элемент путем сворачивания в направлении вдоль указанной стороны. При этом используют селективное травление материала подложки в травителе HNO3:HF:СН3ООН в соотношении 1:1:1. В целях защиты от растравливания изготовленных элементов поверхность заливают растопленным воском. После окончания операции предварительного утонения воск удаляют в толуоле.The substrate is preliminarily thinned to a thickness comparable to the size of the side of the strip-shaped section that can be transformed into a tubular sensing element by folding in the direction along this side. In this case, selective etching of the substrate material in the etchant HNO 3 : HF: CH 3 UN in a ratio of 1: 1: 1 is used. In order to protect against pickling of manufactured elements, the surface is poured with melted wax. After the preliminary thinning operation is completed, the wax is removed in toluene.
Травят материал подложки 10 под участком многослойной пленочной структуры, предназначенным для формирования трубчатого чувствительного элемента 1, указанный участок под действием внутренних механических напряжений трансформируют в трубчатый чувствительный элемент 1, одновременно формируют держатели 2 трубчатого чувствительного элемента, на которых расположены тоководы, а также формируют в целом чип. Данную операцию осуществляют посредством селективного анизотропного травления кремниевой подложки в водном растворе аммиака NH4OH:H2O (1:5,3).The
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007129547/28A RU2353998C1 (en) | 2007-08-01 | 2007-08-01 | Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007129547/28A RU2353998C1 (en) | 2007-08-01 | 2007-08-01 | Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2353998C1 true RU2353998C1 (en) | 2009-04-27 |
Family
ID=41019137
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007129547/28A RU2353998C1 (en) | 2007-08-01 | 2007-08-01 | Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2353998C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4041578A1 (en) * | 1990-12-22 | 1992-07-02 | Bosch Gmbh Robert | SENSOR |
US5883310A (en) * | 1994-11-04 | 1999-03-16 | The Regents Of The University Of California | Micromachined hot-wire shear stress sensor |
RU2170438C2 (en) * | 1999-09-03 | 2001-07-10 | Растопов Станислав Федорович | Method and device for measurement of flow rate |
DE10058378A1 (en) * | 2000-11-24 | 2002-06-06 | Fraunhofer Ges Forschung | Device for monitoring a fluid through-flow rate in a fluid pipe has an outlet with a fluid passage channel, a moving element suspended flexibly against a flow of fluid and a detector device for non-contact detection of the element. |
US6923054B2 (en) * | 2002-01-18 | 2005-08-02 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Microscale out-of-plane anemometer |
-
2007
- 2007-08-01 RU RU2007129547/28A patent/RU2353998C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4041578A1 (en) * | 1990-12-22 | 1992-07-02 | Bosch Gmbh Robert | SENSOR |
US5883310A (en) * | 1994-11-04 | 1999-03-16 | The Regents Of The University Of California | Micromachined hot-wire shear stress sensor |
RU2170438C2 (en) * | 1999-09-03 | 2001-07-10 | Растопов Станислав Федорович | Method and device for measurement of flow rate |
DE10058378A1 (en) * | 2000-11-24 | 2002-06-06 | Fraunhofer Ges Forschung | Device for monitoring a fluid through-flow rate in a fluid pipe has an outlet with a fluid passage channel, a moving element suspended flexibly against a flow of fluid and a detector device for non-contact detection of the element. |
US6923054B2 (en) * | 2002-01-18 | 2005-08-02 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Microscale out-of-plane anemometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11228294B2 (en) | Graphene microelectromechanical system (MEMS) resonant gas sensor | |
CN1866007B (en) | An integrated piezoresistive silicon dioxide cantilever beam ultra-micro detection sensor, manufacturing method and application | |
US8069733B2 (en) | Device and method for measuring electromechanical properties and microstructure of nano-materials under stress state | |
CN100506686C (en) | Method for fabricating piezoresistive micro-cantilever sensor on SOI silicon wafer | |
EP2141503A1 (en) | A multi-point probe for testing electrical properties and a method of producing a multi-point probe | |
CN1538934A (en) | Method for producing a suspended porous silicon microstructure and use thereof in a gas sensor | |
WO2017080340A1 (en) | Nanowire giant piezo-resistive property measurement device and manufacturing method therefor | |
US20110167526A1 (en) | Microsprings Having Nanowire Tip Structures | |
US20110285416A1 (en) | Multi-point probe for testing electrical properties and a method of producing a multi-point probe | |
US6794296B1 (en) | Aperture in a semiconductor material, and the production and use thereof | |
RU2353998C1 (en) | Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor | |
Ghourichaei et al. | Multiscale Fabrication and Characterization of a NEMS Force Sensor | |
Liu et al. | NEMS by sidewall transfer lithography | |
KR100992883B1 (en) | Thermoelectric probe of scanning probe thermal microscope and its manufacturing method | |
RU2425387C1 (en) | Method of making tubular micro-, nano-needle in integrated form | |
Raskin et al. | Bulk and surface micromachined MEMS in thin film SOI technology | |
Seleznev et al. | Generation and registration of disturbances in a gas flow. 1. Formation of arrays of tubular microheaters and microsensors | |
JPH0852673A (en) | Ultra-small gripper with probe | |
KR101003448B1 (en) | Micro Probe Device and Manufacturing Method Thereof | |
Inomata et al. | Piezoresistive property of an aluminum‐doped zinc oxide thin film deposited via atomic‐layer deposition for microelectromechanical system/nanoelectromenchanical system applications | |
CN111717880B (en) | Cantilever beam and manufacturing method thereof | |
Yang et al. | A novel method to fabricate single crystal nano beams with (111)-oriented Si micromachining | |
CN120064842A (en) | Thermoelectric performance testing device of suspended island micro-motor system and preparation method thereof | |
EP1548748A1 (en) | A method for making probes for atomic force microscopy | |
Aprilia et al. | Integrated Fabrication Process of Si Microcantilever Using TMAH Solution with Planar Molybdenum Mask |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180802 |