具有二层基板的微机械传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了具有二层基板的微机械传感器，属于微机械传感器的【技术领域】。所述传感器包括二层单晶硅片制成的基板、第二空腔、第三空腔、通孔构成气体流通的唯一路径，在气体流通路径中最狭窄的部位布局测量电阻以及加热电阻，提高了气体流动速度。使用MEMS加工工艺，减小了传感器体积，利用这种微机械传感器可测量降水粒子。
【专利说明】具有二层基板的微机械传感器
【技术领域】
[0001]本发明公开了具有二层基板的微机械传感器，属于微机械传感器的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]测量降水是气象测量中重要的组成部分。传统的测量降水的方法主要使用翻斗式或量筒式雨量计。但传统雨量计存在浸润误差，当仅有少量降水粒子时，浸润误差可能使得仪器不能发现降水粒子。同时传统雨量计不能测量雨滴的质量，也不能区分雨滴或者冰雹。
[0003]现在的基于光学散射原理的雨滴谱仪，可以测量雨滴的质量，也可以避免浸润误差。但这种雨滴谱仪价格昂贵，难以大规模使用，其生产工艺也与微电子工艺不兼容。基于光学原理的仪器还容易受到周围环境的影响，例如灰尘遮挡住镜头，会对测量产生影响。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了具有二层基板的微机械传感器。
[0005]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
具有二层基板的微机械传感器，其特征在于，单晶硅片制成的第一基板、第二基板，第二基板为具有二层基板的微机械传感器的底座，第一基板置于第二基板上方且与第二基板连接，其中，
第一基板经过MEMS工艺处理得到开口向上的第一空腔以及开口向下的第二空腔，所述第一空腔与所述第二空腔之间的部分第一基板构成第一膜片，
第二基板经过MEMS工艺处理得到开口向上的第三空腔以及开口向下的第四空腔，所述第三空腔与所述第四空腔之间的部分第二基板构成第二膜片，所述第二膜片上开有通孔，所述第三空腔与所述第二空腔连通，所述第二膜片上固定有加热电阻、分别置于加热电阻两侧的第一测量电阻、第二测量电阻。
[0006]作为所述微机械传感器的进一步优化方案，第二膜片朝向的第三空腔的表面上有一层隔热层，所述加热电阻、第一测量电阻、第二测量电阻固定在隔热层有限区间上，有限区间从从第二空腔和第三空腔的连通处到通孔。
[0007]进一步的，所述微机械传感器上固定有烘干电阻。
[0008]本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:
(1)不仅可以测量粒子质量，还能分辨粒子相态；
(2)传感器使用MEMS工艺，成本较低，工艺质量易于控制，工艺兼容性好，减小了传感器体积；
(3)固定测量电阻以及加热电阻的膜片有隔热层，有效降低电阻散热，降低传感器功耗，防止漏电；
(4)第一空腔和第二空腔可以避免粒子撞击膜片时，膜片受到损坏，提高传感器的可靠
性； (5)在气体流通路径中最狭窄的部位布局测量电阻以及加热电阻，提高了气体流动速度，进而提高了微机械传感器测量气体流速的灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为具有二层基板的微机械传感器的结构图。
[0010]图中标号说明:101、第一基板，102、第一膜片，103、第一空腔，104、第二空腔,201、第二基板，202、第三空腔，203、第四空腔，204、第二膜片，205、第一测量电阻，206、加热电阻，207、第二测量电阻，208、通孔，209、焊盘，210、烘干电阻。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
如图1所示的具有二层基板的微机械传感器，包括:单晶硅片制成的第一基板101、第二基板201，第二基板201为具有二层基板的微机械传感器的底座，第一基板101置于第二基板201上方且与第二基板201连接，其中，
第一基板101经过MEMS工艺处理得到开口向上的第一空腔103以及开口向下的第二空腔104，第一空腔103与第二空腔104之间的部分第一基板构成第一膜片102，
第二基板201经过MEMS工艺处理得到开口向上的第三空腔202以及开口向下的第四空腔203，第三空腔202与第四空腔203之间的部分第二基板构成第二膜片204，第二膜片204上开有通孔208，第三空腔202与第二空腔104连通，第二膜片204上固定有加热电阻206、分别置于加热电阻206两侧的第一测量电阻205、第二测量电阻207。第二空腔104、第三空腔202、通孔208构成气体流动的唯一通道。
[0012]第二空腔104、第三空腔202形成的狭窄通道，提高了气体流动速度，进而提高微机械传感器测量的灵敏度。第二膜片204的作用是降低狭窄通道内热量的散发，提高微机械传感器测量流速的灵敏度。为了进一步降低狭窄通道内热量的散发，第二膜片204朝向第三空腔202的表面上有一层隔热层，隔热层的材料可选聚酰亚胺、二氧化硅。加热电阻206、第一测量电阻205、第二测量电阻207固定在隔热层上。同时由于单晶硅片表面的自然氧化层的厚度只有纳米级，第一测量电阻205、加热电阻206、第二测量电阻207直接和单晶硅片接触，容易漏电，设置隔热层还可以防止漏电。
[0013]加热电阻206、第一测量电阻205、第二测量电阻207固定在隔热层有限区间上，有限区间从第二空腔104和第三空腔202的连通处到通孔208:当第二空腔104在左侧时，第一测量电阻205、加热电阻206、第二测量电阻207在第二空腔104的右侧，同时又位于通孔208的左侧；当第二空腔104在右侧时，第一测量电阻205、加热电阻206、第二测量电阻207在第二空腔104的左侧，同时又位于通孔208的右侧。
[0014]加热电阻206可以起到烘干微机械传感器的作用，但由于体积比较小，功率不高，因此需要增加一个或多个烘干电阻210，进一步烘干微机械传感器。烘干电阻210可以设置在微机械传感器的第一基板101，或者第二基板201上。在本实施例中，设置了一个烘干电阻210，烘干电阻210设置在第二基板201上。
[0015]在传感器制备过程中，需要制备焊盘209，本实施例将焊盘209制备在第二基板201上，并在第一基板101上制备一个通孔，便于焊接引线。在制备时，第一基板101、第二基板201的长度相同，二个基板采用圆片级封装，可以提高封装加工效率。
[0016]在本发明中，提供制备焊盘209的备选方案:第一基板101和第二基板201分别采用芯片级封装单独制备。第二基板201为微机械传感器的底座，将焊盘209、第一基板101分别置于第二基板201上方与第二基板201连接，并且避免焊盘209与第一基板101接触。该备选方案第一基板101、第二基板201的长度不同，节约了材料。在大规模生产时，第一基板101和第二基板201分别采用芯片级封装单独制备，会降低封装加工效率。
[0017]利用具有二层基板的微机械传感器测量粒子的方法，利用如下原理:粒子撞击第一膜片102时，第一膜片102会上下地振动。第一膜片102的振动导致狭窄通道内的气流流速发生改变，气体的流动会使第一测量电阻205、第二测量电阻207上的温度不同。由于温度变化会导致第一测量电阻205、第二测量电阻207上的电压发生改变，因此可根据第一测量电阻205、第二测量电阻207的电压差来测量粒子。
[0018]测量第一测量电阻205和第二测量电阻207的电压差可使用电桥测量、模数转换器测量等多种测量方法。本实施例中采用电桥的方法来测量电压差，从而测量粒子。利用具有二层基板的微机械传感器测量粒子的方法，包括如下步骤:
步骤I，对加热电阻206施加电压；
步骤2，在没有粒子撞击第一膜片102时，测量第一测量电阻205、第二测量电阻207的
电压差U0 ；
步骤3，继续测量第一测量电阻205、第二测量电阻207的电压差U1,比较电压差U1和电压差Utl的幅值，如电压差U1与电压差Utl的幅值不相等，则判断有降水粒子。
[0019]步骤4，根据电压差U1,测量降水粒子:
步骤4.1:根据电压差U1的幅值来测量粒子的质量:粒子撞击第一膜片102时，由于不同粒子的质量不同，第一膜片102上下振动的程度也会不同。导致第一测量电阻205、第二测量电阻207上的电压差U1的幅值不同，因此可根据电压差U1的幅值来测量粒子的质量。
[0020]步骤4.2:根据电压差U1的频率来测量粒子的相态:固态粒子和液态粒子撞击第一膜片102时,其撞击方式不同，分别为弹性碰撞和非弹性碰撞,从而第一膜片102上下振动的频率不同，导致第一测量电阻205、第二测量电阻207上的电压差U1的变化频率不同，因此可以根据电压差U1的正负变化频率来测量粒子的相态。
[0021]综上所述，本发明具有以下有益效果:
(1)不仅可以测量粒子质量，还能分辨粒子相态；
(2)传感器使用MEMS工艺，成本较低，工艺质量易于控制，工艺兼容性好，减小了传感器体积；
(3)固定测量电阻以及加热电阻的膜片有隔热层，有效降低电阻散热，降低传感器功耗，防止漏电；
(4)第一空腔和第二空腔可以避免粒子撞击膜片时，膜片受到损坏，提高传感器的可靠
性；
(5)在气体流通路径中最狭窄的部位布局测量电阻以及加热电阻，提高了气体流动速度，进而提高了微机械传感器测量气体流速的灵敏度。
【权利要求】
1.具有二层基板的微机械传感器，其特征在于，单晶娃片制成的第一基板(101)、第二基板(201),第二基板(201)为具有二层基板的微机械传感器的底座,第一基板(101)置于第二基板(201)上方且与第二基板(201)连接，其中， 第一基板(101)经过MEMS工艺处理得到开口向上的第一空腔(103)以及开口向下的第二空腔(104)，所述第一空腔(103)与所述第二空腔(104)之间的部分第一基板构成第一膜片(102)， 第二基板(201)经过MEMS工艺处理得到开口向上的第三空腔(202)以及开口向下的第四空腔(203)，所述第三空腔(202)与所述第四空腔(203)之间的部分第二基板构成第二膜片(204)，所述第二膜片(204)上开有通孔(208)，所述第三空腔(202)与所述第二空腔(104)连通，所述第二膜片(204)上固定有加热电阻(206)、分别置于加热电阻(206)两侧的第一测量电阻(205)、第二测量电阻(207)。
2.根据权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述第二膜片(204)朝向第三空腔(202)的表面上有一层隔热层，所述加热电阻(206)、第一测量电阻(205)、第二测量电阻(207)固定在隔热层有限区间上，有限区间从第二空腔(104)与第三空腔(202)的连通处到通孔(208)。
3.根据权利要求1或2所述的微机械传感器，其特征在于，所述微机械传感器上固定有烘干电阻(210)。
【文档编号】G01D21/02GK103743439SQ201410001232
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】刘清惓, 李海涛, 郭薇, 王勋涛 申请人:南京信息工程大学