[go: up one dir, main page]

RU2353998C1 - Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor - Google Patents

Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor Download PDF

Info

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
Application number
RU2007129547/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Селезнев (RU)
Владимир Александрович Селезнев
Виктор Яковлевич Принц (RU)
Виктор Яковлевич Принц
Original Assignee
Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук
Владимир Александрович Селезнев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, Владимир Александрович Селезнев filed Critical Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2007129547/28A priority Critical patent/RU2353998C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2353998C1 publication Critical patent/RU2353998C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: in method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor, on planar surface of semiconducting substrate multilayer film structure is arranged, which contains mechanically stressed layers in the following sequence: compressed, stretched and also conducting. Pattern of heat loss anemometer is set lithographically, which includes section separated from substrate for formation of tubular sensitive element under action of mechanical stresses and section of current carriers to ends of tubular sensitive element. Then on remaining part of multilayer film structure through windows are formed down to substrate for further etching of substrate. Low-ohm current carriers are created on sections of current carriers, which are also mechanical supports, or mechanical support is additionally formed for tubular sensitive element. Substrate material is etched under section intended for formation of tubular sensitive element, which transforms it into tubular sensitive element. In conclusion substrate material is removed to form both chip and holders of tubular sensitive element, on which current carriers are located.
EFFECT: increased mechanical strength of finished products and increased accuracy of measurements.
15 cl, 9 dwg

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 titanium 25 nm thick to prevent copper oxidation processes. Then a photoresist is applied and photolithography is carried out, at the same time forming the holders of the holders in the windows of the mounting pad, and on the sacrificial layer - the base of the holders in the form of two strips. Then, by spraying a four-layer Cr / Pt / Ni / Pt film, with layer thicknesses of 20 nm, 20 nm, 80 nm, and 20 nm, respectively, and lithography, a sensitive element is made in the form of a strip located between the ends of the base of the holders from photoresist. Then a two-layer Cr / Au film 500 nm thick is sprayed and lithography is carried out, forming current leads to the sensitive element located on the basis of the holders, and articulation elements of the holders and mounting sites of the holders. After the electrochemical deposition of ferromagnetic material on the current leads and partially on the connecting elements at the places of their connection with the holders and mountings, the sacrificial layer is removed by using liquid etching in a mixture of acetic acid and hydrogen peroxide. In conclusion, using a permanent magnet, a magnetic field of 800 G is applied to the base of the substrate, under the action of which the holders are lifted above the substrate together with the sensing element as a result of rotational movement made by the holders relative to the articulating elements. As the substrate using a plate of silicon, or glass, or polymer. The photoresist is a 2.7 μm thick polyimide layer obtained by centrifugation.

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 boron 10 μm thick is grown on it, onto which a 0.5 μm thick silicon dioxide layer is applied. A thick layer of silicon dioxide is formed on the non-planar side of the substrate. Then, a layer of amorphous silicon with a thickness of 600 nm is deposited at 560 ° C on the planar side and a plasma anemometer is lithographically created by etching in the plasma, specifying portions of the holders and the sensing element; an amorphous silicon layer is also formed on the nonplanar side. To obtain on the planar side of the structural polysilicon elements of the anemometer, boron ions are implanted with an energy of 80 keV with a dose of 10 16 cm -2 followed by annealing at 1100 ° C for 30 minutes. After annealing, metallization with aluminum is carried out, followed by photolithographic creation of a pattern in the areas of polysilicon and silicon dioxide from the holders. Then, on the planar side, a low-temperature layer of silicon dioxide (at 450 ° C) with a thickness of 3 μm is deposited. Windows are formed on the planar and non-planar sides, respectively, to the epitaxial layer of silicon through a low-temperature layer of silicon dioxide and a layer of silicon dioxide with a thickness of 0.5 μm and to the substrate through an amorphous layer of silicon and a thick layer of silicon dioxide by wet and dry etching. The window size on the non-planar side significantly exceeds the window size on the planar side. On the non-planar side, by etching for 95 hours at 95 ° C, the substrate material is removed, forming a cavity under the stop layer, lying in the lateral direction under the window on the planar side and the main part of the anemometer, to the aluminum metallization sites. From the planar side, through the window under the main part of the anemometer, in the lateral direction to the aluminum metallization sites, the material of the epitaxial silicon layer is removed, creating a cavity above the stop layer, divided with a cavity under the stop layer by means of the stop layer. Then, the stop layer separating the two cavities is removed, and the low temperature layer of silicon dioxide is removed.

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 nickel layer 5 ÷ 10 μm thick, removing the protective mask and conducting annealing for relaxation stresses in the deposited material and increase the strength of current leads.

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 compressed layer 4, a shaping stretched layer 5 and a conductive layer 6.

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 compressed layer 4, an extended layer 5 (see Fig. 4a) and 5a)) and a conductive layer 6 (see Fig. 4b) -5b)) are successively formed on the substrate 10. Between the forming stretched layer 5 and the conductive layer 6, an adhesion improving layer 11 may be additionally formed. The forming layers 4 and 5 provide for folding of the applied conductive layer 6 into the tube when the substrate is removed underneath. Layers 4-6, as well as 11 multilayer film structures are made of amorphous, or polycrystalline, or single crystal metals, or dielectrics, or semiconductors, or their compositions. These layers are formed by epitaxy of crystalline substances with different constant lattices under the conditions of pseudomorphic growth, or they are made by vacuum spraying from materials characterized by different deformations relative to the substrate and each other, or using the first and second. Other formation methods can also be used, for example, thermal oxidation, low-temperature plasma-chemical deposition, and deposition by ion beam sputtering of a target.

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 substrate 10, on which a multilayer film structure with mechanically strained layers is formed, can be an amorphous, or polycrystalline, or single crystal metal plate, or semiconductor, or dielectric. In the case of using a conductive material for the substrate 10, it is necessary to provide electrical insulation using a dielectric as the material of the forming compression layer 4.

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 conductive layer 6, as well as an additional layer 11. The combination of functions can be carried out, for example, by the fact that the said forming compression layer 14, which simultaneously performs the function of the conductive layer, and the shape-forming stretched layer 15, that simultaneously performs the function of the conductive layer are made of semiconductor material heavily alloyed.

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 conductive layer 6, lithographically set the pattern of the anemometer, for example by explosive lithography. The initial stage of the operation of forming a pattern in some cases (Figure 4-5) is carried out simultaneously with the creation of a conductive layer 6, which is the final stage of manufacturing a multilayer film structure with mechanically stressed layers. At the initial stage of creating an anemometer pattern, a resist is applied to the created pair of forming layers 4 and 5 and a through window is formed in it. Then carry out the application of the conductive layer, including in the formed through window. The geometry of the through window determines the pattern of the anemometer. The figure of the anemometer contains details: a portion of the multilayer film structure detachable from the substrate for forming a tubular sensitive element under the action of mechanical stresses, and a portion of current leads to the ends of the tubular sensitive element, which subsequently remains connected to the substrate (see Fig. 4b) -5b)) .

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 layers 4 and 5, for example, by the method of optical lithography (see Fig.6b)).

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), layer 9, which performs the function of low-resistance current leads and mechanical stops for a tubular sensitive element), or an additional mechanical stop is made for a tubular sensitive element ( see Fig. 5d) and e), Fig. 6c) and d)). In the first case, a protective mask is formed from the photoresist and, by chemical deposition through the mask, a thick metal layer is applied to the current lead sections, for example, nickel with a thickness of 5-10 μm, then the protective mask is removed and annealed to relax the stresses in the deposited material and increase the strength of the current leads. In the second case, first a relatively thin metal layer is deposited (additional layer 7, which reduces resistance), for example, 300 nm thick gold, and then mechanical stops are formed for the tubular sensitive element from a dielectric material, for example, SU-8 photoresist up to 50 μm thick (layer 8 acting as a mechanical stop for a tubular sensing element).

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 substrate 10 with the hot-wire anemometer parts made on it is protected with a resist 13 or wax before the final stage (see Fig. .5e) and Fig. 6d)).

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 substrate material 10 is removed by etching, the indicated section is freed from communication with the substrate 10 and, under the action of internal mechanical stresses, is transformed into a tubular sensitive element 1 (see Fig. 4e), e). Fig.5e), Fig.6e)), located above the surface of the substrate 10. A portion of the current leads to the ends of the tubular sensing element remains connected with the substrate.

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 substrate 10, on which the sensor parts were made, by resist 13 or wax, the substrate material 10 is etched from the non-planar side to a thickness comparable to the size of the side of the section in the form of a strip that can be transformed into a tubular sensitive element by folding in the direction along specified side. During this operation, the formation of individual chips with legs-conductors (holders 2), on which a tubular sensing element 1 is fixed (see Fig. 1a), is simultaneously carried out.

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 layer 8, which serves as a mechanical stop for the tubular sensitive element, open the windows to a depth of additional layer 7, reducing resistance (see Fig.1b), Fig.2), in order to ensure electrical connection when the sensor measures.

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:

Figure 00000001
Figure 00000001

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

Figure 00000002
Figure 00000002

По толщине стержня напряжения распределяются согласно выражениюThe thickness of the rod stresses are distributed according to the expression

Figure 00000003
Figure 00000003

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:

Figure 00000004
Figure 00000004

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

Figure 00000005
Figure 00000005

Для трубки:For tube:

Figure 00000006
Figure 00000006

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:

Figure 00000007
Figure 00000007

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, IPC 6 G01B 7/16) is at least 20 times less than the proposed tubular element, with the same mass, and accordingly the cross-sectional area.

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 substrate 10, and an anemometer pattern is lithographically set, including a section detachable from the substrate for forming the tubular sensing element 1 under the action of mechanical stresses, and a portion of the current leads to the ends of the tubular sensing element 1 ( see Figure 4).

В качестве подложки 10 используют монокристаллическую пластину полупроводника Si с ориентацией (100).As the substrate 10, a single crystal Si semiconductor wafer with an orientation of (100) is used.

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 compressed layer 4, the stretched layer 5, which are forming for the tubular sensing element 1 (see Fig. 4a)), and the conductive layer 6 (see Fig. 4b)). These layers are made of dielectrics and metals. To create a compressed layer 4, SiO 2 is used , to create a stretched layer 5, Si 3 N 4 , and a conductive layer 6 is created from Au with a Ti sublayer that acts as an adhesion-improving layer 11. The compressed layer 4 of thermal SiO 2 is formed with a thickness of 20 nm, and the stretched layer 5 Si 3 N 4 is formed by low-temperature plasma-chemical deposition with a thickness of 20 nm. The conductive layer 6 Au with a Ti sublayer, which is an adhesion-improving layer 11, is applied by vacuum deposition, respectively, with thicknesses of 50 and 5 nm (see Fig. 4b).

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 conductive layer 6 with an additional layer 11 that improves adhesion, a resist is applied, a through window is formed through it to the stretched stress layer 6, and then an additional layer 11, which improves adhesion, is sprayed first, and then the conductive layer 6, including and out the window, after which the resist is removed.

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 substrate 10 are formed on the remaining part of the multilayer film structure, which ensures subsequent etching of the substrate (see Fig. 4c). A protective mask of photoresist 12 is applied to the sections of the anemometer pattern, and then the unprotected sections of the multilayer film structure are etched partially with the substrate material 10. Plasma-chemical etching of SiO 2 / Si 3 N 4 is carried out in CF 4 plasma.

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 substrate material 10 is etched under the portion of the multilayer film structure for forming the tubular sensing element 1, and this portion is transformed into the tubular sensing element 1 by the action of internal mechanical stresses (see Fig. 4e)). This operation is carried out by selective anisotropic etching of a silicon substrate in an aqueous solution of ammonia NH 4 OH: H 2 O (1: 5.3).

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 substrate material 10, holders 2 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. 4e)). This operation is carried out after the formation of the tubular sensing element by selective etching of the substrate material in the etchant HNO 3 : HF: CH 3 UN in a ratio of 1: 1: 1. In order to protect future chips from pickling, the surface is poured with melted wax. After completion of chip etching, the wax is removed in toluene.

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 substrate 10, and an anemometer pattern is lithographically set, including a section detachable from the substrate for forming the tubular sensing element 1 under the action of mechanical stresses, and a portion of the current leads to the ends of the tubular sensing element 1 ( see Figure 5).

В качестве подложки 10 используют монокристаллическую полуизолирующую пластину полупроводника InP с ориентацией (100).As the substrate 10, a single-crystal semi-insulating InP semiconductor wafer with an orientation of (100) is used.

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 compressed layer 4, an extended layer 5, which are forming for the tubular sensing element 1 (see Fig. 5a)), and a conductive layer 6 (see Fig. 5b)). These layers are made of semiconductors and metals. In x Ga 1-x As (x = 0.62) is used to create the compressed layer 4, In y Ga 1-y As (y = 0.45) is used to create the stretched layer 5, and the conductive layer 6 is created from Au with the Ti sublayer, which acts as an adhesion improving layer 11. The compressed layer 4 is formed with a thickness of 20 nm, the stretched layer 5 is formed with a thickness of 20 nm. Forming layers 4 and 5 are obtained by epitaxy of crystalline substances with different constant lattices in compliance with the conditions of pseudomorphic growth. The conductive layer 6 Au with a Ti sublayer, which is an adhesion-improving layer 11, is applied by vacuum deposition, respectively, with thicknesses of 50 and 5 nm (see Fig. 5b)).

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 conductive layer 6 with an additional layer 11 that improves adhesion, a resist is applied, a window is formed through it, to the stretched stress layer 6, and then an additional layer 11, which improves adhesion, is sprayed first, and then the conductive layer 6, including through the window, after which the resist is removed.

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 Н3PO42О22О с соотношением 3:1:50.Then, through windows to the surface of the substrate 10 are formed on the remaining part of the multilayer film structure, which ensures subsequent etching of the substrate (see Fig. 5c). A protective mask of photoresist 12 is applied to the areas of the anemometer pattern and then the unprotected sections of the multilayer film structure are etched to the substrate 10. In x Ga 1-x As / In y Ga 1-y As is etched in a solution of H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O with a ratio of 3: 1: 50.

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 (additional layer 7, which reduces resistance).

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 (layer 8, acting as a mechanical stop for a tubular sensitive element) is used.

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 substrate 10 with the parts of the hot-wire anemometer made on it is protected by a resist 13 (see Fig. 5e)).

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 substrate material 10 from the non-planar side 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. The holders of the tubular sensing element on which the current conductors are located, and in general the chip is formed by selective etching of the substrate 10 simultaneously with the formation of the tubular sensing element. As an etchant, HCl: H 3 PO 4 with a ratio of 1: 3 was used (it was found that this etchant does not poison In x Ga 1-x As (x = 0.62)).

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 substrate 10, and an anemometer pattern is lithographically set, including a section detachable from the substrate for forming the tubular sensing element 1 under the action of mechanical stresses, and a portion of the current leads to the ends of the tubular sensing element 1 (see Fig. .6).

В качестве подложки 10 используют монокристаллическую полуизолирующую пластину полупроводника InP с ориентацией (100).As the substrate 10, a single-crystal semi-insulating InP semiconductor wafer with an orientation of (100) is used.

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 compression forming layer 14, which simultaneously performs the function of the conductive layer, and a shape-forming stretched layer 15, which simultaneously performs the function of the conductive layer. These layers are made of semiconductor material heavily doped, up to n-type conductivity (see Fig. 6a)). In x Ga 1-x As (x = 0.62) is used to create the compressed layer 14, In y Ga 1-y As (y = 0.45) is used to create the stretched layer 15. The compressed layer 14 is formed with a thickness of 25 nm, and the stretched layer 15 is formed with a thickness of 25 nm. Forming layers 14 and 15, which simultaneously perform the function of a conductive layer, are obtained by epitaxy of crystalline substances with various constant lattices, subject to the conditions of pseudomorphic growth.

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 Н3PO42O2: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 (additional layer 7, which reduces resistance).

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 (layer 8, acting as a mechanical stop for a tubular sensitive element) is used.

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 substrate 10 with the parts of the hot-wire anemometer made on it is protected by a resist 13 (see Fig.6d)).

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 substrate material 10 from the non-planar side 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. The holders of the tubular sensing element on which the current conductors are located, and in general the chip is formed by selective etching of the substrate 10 simultaneously with the formation of the tubular sensing element. As an etchant, HCl: H 2 PO 4 with a ratio of 1: 3 was used (it was found that this etchant does not poison In x Ga 1-x As (x = 0.62)).

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 substrate 10, and an anemometer pattern is lithographically set, including a section detachable from the substrate for forming the tubular sensing element 1 under the action of mechanical stresses, and a portion of the current leads to the ends of the tubular sensing element 1 (see Fig. .6).

В качестве подложки 10 используют монокристаллическую полуизолирующую пластину полупроводника GaAs с ориентацией (100).As the substrate 10, a single-crystal semi-insulating GaAs semiconductor wafer with an orientation of (100) is used.

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 compression forming layer 4, which simultaneously performs the function of an insulating layer, and a shape-forming stretched layer 15, which simultaneously performs the function of a conductive layer. These layers are made respectively from Ta 2 O 5 and Ta (see Figa)). The compressed layer 4 is formed with a thickness of 20 nm, and the stretched layer 15 is formed with a thickness of 20 nm. Forming layers 4 and 15 are obtained by ion beam sputtering of the target.

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 substrate 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 (additional layer 7, which reduces resistance).

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 (layer 8, acting as a mechanical stop for the tubular sensing element) is used.

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 substrate 10 with the parts of the hot-wire anemometer made on it is protected by a resist 13 (see Fig.6d)).

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 Н3PO42O22O с соотношением 7:3:3.The operation is carried out by selective etching. Having previously protected the planar side with resist 13, etch the substrate material 10 from the non-planar side 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. The holders of the tubular sensing element on which the current conductors are located, and in general the chip is formed by selective etching of the substrate 10 simultaneously with the formation of the tubular sensing element. As an etchant, H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O with a ratio of 7: 3: 3 is used.

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 substrate 10, and an anemometer pattern is lithographically set, including a section detachable from the substrate for forming the tubular sensing element 1 under the action of mechanical stresses, and a portion of the current leads to the ends of the tubular sensing element 1 (see Fig. .6).

В качестве подложки 10 используют монокристаллическую пластину полупроводника Si с ориентацией (100).As the substrate 10, a single crystal Si semiconductor wafer with an orientation of (100) is used.

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 compression forming layer 14, which simultaneously performs the function of the conductive layer, and a shape-forming stretched layer 15, which simultaneously performs the function of the conductive layer. These layers are made respectively of SiGe and Si (see Fig. 6a)). The compressed SiGe layer 14 is formed with a thickness of 20 nm, and the stretched Si layer 15 is also formed with a thickness of 20 nm. Forming layers 14 and 15, which simultaneously perform the function of a conductive layer, are obtained by molecular beam epitaxy from crystalline substances with different lattice constants, observing the conditions of pseudomorphic growth. In this case, the forming layer 14, which simultaneously performs the function of the conductive layer, is heavily doped with boron (10 20 cm -3 ).

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 substrate 10 in plasma SF 6 .

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 nickel layer 9 of 8 μm thickness is chemically precipitated through the mask 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.

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 substrate material 10 is etched under a portion of the multilayer film structure for forming the tubular sensing element 1, and this portion is transformed into a tubular sensing element 1 by the action of internal mechanical stresses (see Fig. 4e)). This operation is carried out by selective anisotropic etching of a silicon substrate in an aqueous solution of ammonia NH 4 OH: H 2 O (1: 5.3).

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 substrate material 10, holders 2 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. 4e)). This operation is carried out after the formation of the tubular sensing element by selective etching of the substrate material in the etchant HNO 3 : HF: CH 3 UN in a ratio of 1: 1: 1. In order to protect future chips from pickling, the surface is poured with melted wax. After the formation is complete by etching the chip, the wax is removed in toluene.

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 substrate 10, and an anemometer pattern is lithographically set, including a section detachable from the substrate for forming the tubular sensitive element 1 under the action of mechanical stresses, and a portion of the current leads to the ends of the tubular sensitive element 1.

В качестве подложки 10 используют монокристаллическую пластину полупроводника Si с ориентацией (100).As the substrate 10, a single crystal Si semiconductor wafer with an orientation of (100) is used.

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 compression forming layer 4 and a forming tension layer 15, which simultaneously performs the function of a conductive layer. These layers are made respectively of SiO 2 and Au with a Ti sublayer. The compressed layer 4 of SiO 2 is formed with a thickness of 20 nm, and the stretched layer of 15 Au with the Ti sublayer is 50 nm thick for Au, 5 nm thick for the Ti sublayer. The forming layer 4 and 15, which simultaneously performs the function of a conductive layer, is obtained, respectively, by thermal oxidation of silicon and electron beam spraying in vacuum.

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 layer 15, which simultaneously performs the function of the conductive layer, a resist is applied, a window is formed through it, until the compressed stress layer 4 is compressed, and then the mold-forming layer 15, which simultaneously performs the function of the conductive layer, is sprayed, first, the Ti sublayer, which improves adhesion, and then the Au layer, including through the window, after which the resist is removed, which creates an anemometer pattern in relation to the upper layer. Next, using the pattern of the upper layer as a mask, etching the forming layer 4 to the substrate 10 is carried out by the liquid method.

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 nickel layer 9 of 5 μm thickness is chemically precipitated through the mask 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.

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 substrate material 10 is etched under a portion of the multilayer film structure for forming the tubular sensing element 1, and this portion is transformed into a tubular sensing element under the action of internal mechanical stresses 1. This operation is carried out by selective anisotropic etching of the silicon substrate in an aqueous solution of ammonia NH 4 OH: H 2 O (1: 5.3).

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 substrate material 10, holders 2 of the tubular sensing element are formed on which the current leads are located, and a chip is formed on the whole. This operation is carried out after the formation of the tubular sensing element by selective etching of the substrate material in the etchant HNO 3 : HF: CH 3 UN in a ratio of 1: 1: 1. In order to protect future chips from pickling, the surface is poured with melted wax. After completion of chip etching, the wax is removed in toluene.

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 substrate 10, and an anemometer pattern is lithographically set, including a section detachable from the substrate for forming the tubular sensing element 1 under the action of mechanical stresses, and a portion of the current leads to the ends of the tubular sensing element 1 (see Fig. .6).

В качестве подложки 10 используют монокристаллическую полуизолирующую пластину полупроводника InP с ориентацией (100).As the substrate 10, a single-crystal semi-insulating InP semiconductor wafer with an orientation of (100) is used.

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 compression forming layer 14, which simultaneously performs the function of the conductive layer, and a shape-forming stretched layer 15, which simultaneously performs the function of the conductive layer. These layers are made of semiconductor material heavily doped, up to n-type conductivity (see Fig. 6a)). In x Ga 1-x As (x = 0.62) is used to create the compressed layer 14, In y Ga 1-y As (y = 0.45) is used to create the stretched layer 55. The compressed layer 14 is formed with a thickness equal to about ten monolayers, and the stretched layer is the same. The total thickness of the layers 14 and 15 is about 5 nm. Forming layers 14 and 15, which simultaneously perform the function of a conductive layer, are obtained by epitaxy of crystalline substances with various constant lattices, subject to the conditions of pseudomorphic growth.

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:H2O22О 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 (additional layer 7, which reduces resistance).

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 (layer 8, acting as a mechanical stop for a tubular sensitive element) is used.

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 substrate 10 with the parts of the hot-wire anemometer made on it is protected by a resist 13 (see Fig.6d)).

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 substrate material 10 from the non-planar side 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. The holders of the tubular sensing element on which the current conductors are located, and in general the chip is formed by selective etching of the substrate 10 simultaneously with the formation of the tubular sensing element. As an etchant, HCl: H 3 PO 4 with a ratio of 1: 3 was used (it was found that this etchant does not poison In x Ga 1-x As (x = 0.62)).

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 substrate 10, and an anemometer pattern is lithographically set, including a section detachable from the substrate for forming the tubular sensing element 1 under the action of mechanical stresses, and a portion of the current leads to the ends of the tubular sensing element 1 ( see Figure 4).

В качестве подложки 10 используют монокристаллическую пластину полупроводника Si с ориентацией (100).As the substrate 10, a single crystal Si semiconductor wafer with an orientation of (100) is used.

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 compressed layer 4, the stretched layer 5, which are forming for the tubular sensing element 1 (see Fig. 4a)), and the conductive layer 6 (see Fig. 4b)). These layers are made of dielectrics and metals. To create a compressed layer 4, SiO 2 is used , to create a stretched layer 5, Si 3 N 4 , and a conductive layer 6 is created from Au with a Ti sublayer, which acts as an adhesion-improving layer 11. The compressed layer 4 of thermal SiO 2 is formed with a thickness of 75 nm, and the stretched layer 5 Si 3 N 4 is formed by low-temperature plasma-chemical deposition with a thickness of 75 nm. The conductive layer 6 Au with a Ti sublayer, which is an adhesion-improving layer 11, is applied by vacuum deposition, respectively, with thicknesses of 50 and 5 nm (see Fig. 4b).

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 conductive layer 6 with an additional layer 11 that improves adhesion, a resist is applied, a through window is formed through it to the stretched stress layer 6, and then an additional layer 11, which improves adhesion, is sprayed first, and then the conductive layer 6, including and out the window, after which the resist is removed.

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 substrate 10 are formed on the remaining part of the multilayer film structure, which ensures subsequent etching of the substrate (see Fig. 4c). A protective mask of photoresist 12 is applied to the sections of the anemometer pattern, and then the unprotected sections of the multilayer film structure are etched partially with the substrate material 10. Plasma-chemical etching of SiO 2 / Si 3 N 4 is carried out in CF 4 plasma.

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 substrate material 10 is etched under the portion of the multilayer film structure for forming the tubular sensing element 1, this portion is transformed into tubular sensing element 1 by the action of internal mechanical stresses, simultaneously the holders 2 of the tubular sensing element on which the current conductors are located, and also form a whole chip. This operation is carried out by selective anisotropic etching of a silicon substrate in an aqueous solution of ammonia NH 4 OH: H 2 O (1: 5.3).

Claims (15)

1. Способ изготовления датчика скорости потока газа и жидкости, заключающийся в том, что на планарной поверхности подложки изготавливают многослойную пленочную структуру, литографически задают рисунок анемометра, отличающийся тем, что 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.1. A method of manufacturing a 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, an anemometer pattern is lithographically characterized, wherein the multilayer film structure is made containing mechanically stressed layers, and the anemometer pattern is set to include detachable from substrate section, designed to form a tubular sensitive element under the action of mechanical stresses, and a section of current leads to the ends of the pipes a sensing element, after which through the rest of the multilayer film structure are formed through windows to the substrate surface, which provide 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 structure intended for the formation of a tubular sensing element, the specified area under the action of internal mechanical voltages are transformed into a tubular sensing element; finally, by removing the substrate material, holders of the tubular sensitive element are formed on which the current conductors are located, and also form a chip as a whole. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки используют пластину полупроводника.2. The method according to claim 1, characterized in that a semiconductor wafer is used as a substrate. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве подложки используют пластину Si, или InP, или GaAs.3. The method according to claim 2, characterized in that as the substrate using a plate of Si, or InP, or GaAs. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.4. The method according to claim 1, characterized in that the 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. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что слои многослойной пленочной структуры изготавливают из металлов, или диэлектриков, или полупроводников, или сочетают слои из перечисленных материалов.5. The method according to claim 4, characterized in that the layers of the multilayer film structure are made of metals, or dielectrics, or semiconductors, or combine layers of these materials. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что 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 Та2O5, 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.6. The method according to claim 4, characterized in that SiO 2 is used to create a compressed layer, Si 3 N 4 is used to create a stretched layer, a conductive layer is created from Au with a Ti sublayer, or In x Ga 1- is used to create a compressed layer x As, to create a stretched layer - In y Ga 1-y As, a conductive layer is created from Au with a Ti sublayer, or In x Ga 1-x As is used to create a compressed layer, To create a stretched layer - In y Ga 1-y As, moreover, the layers are created by doping, performing the function of a conductive layer, or Ta 2 O 5 is used to create a compressed layer, Ta is used to create a stretched layer, and m layers are created to act as a conductive layer, or SiGe is used to create a compressed layer, Si is used to create a stretched layer, and layers are used to create a conductive layer, or SiO 2 is used to create a compressed layer, Au with an Ti sublayer is created, moreover, the layer is created to perform the function of a conductive layer. 7. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что суммарная толщина многослойной пленочной структуры равна 5÷200 нм.7. The method according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the total thickness of the multilayer film structure is 5 ÷ 200 nm. 8. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что 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.8. The method according to claim 1 or 4, characterized in that the final stage of manufacturing a multilayer film structure with mechanically stressed 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, and then forming a through windows with geometry defining the anemometer pattern in which the conductive layer is applied. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.9. The method according to claim 1, characterized in that through windows are formed to the surface of the substrate, providing subsequent etching of the substrate, by applying a protective mask of photoresist to the areas of the anemometer pattern and subsequent etching of the unprotected sections of the multilayer film structure to the substrate or partially with the material the substrate. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.10. The method according to claim 1, characterized in that in the sections of the current conductors, low-resistance current conductors are formed, which are also mechanical stops for the tubular sensing element, by applying a protective mask of photoresist, chemical deposition through the mask on the sections of the current leads of a nickel layer with a thickness of 5 ÷ 10 microns, removing the protective mask and conducting annealing to relax stresses in the deposited material and increase the strength of current leads. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительное формирование механических упоров для трубчатого чувствительного элемента осуществляют посредством фоторезиста SU-8 толщиной до 50 мкм.11. The method according to claim 1, characterized in that 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. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.12. The method according to claim 1, characterized in that the etching of the substrate material under the portion of the multilayer film structure designed to form the tubular sensing element, for transforming the specified section 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 the substrate material from the non-planar side to a thickness comparable to p By measuring the sides of a strip-shaped section, which can be transformed into a tubular sensing element by folding in a direction along this side. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.13. The method according to claim 1, characterized in that 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. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что после формирования сквозных окон на участках тоководов осуществляют формирование низкоомных тоководов.14. The method according to claim 1, characterized in that after the formation of the through windows in the sections of the current leads, the formation of low-resistance current leads. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что на тоководах дополнительно формируют механический упор для трубчатого чувствительного элемента. 15. The method according to 14, characterized in that on the conductors additionally form a mechanical stop for the tubular sensing element.
RU2007129547/28A 2007-08-01 2007-08-01 Method for manufacture of gas and liquid flow velocity sensor RU2353998C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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