包括加热元件的微型传感器以及与其相关联的制造方法

包括加热元件的微型传感器以及与其相关联的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种包括加热元件的微型传感器（1），并且涉及一种与该微型传感器相关联的制造方法。所述传感器（1）包括基板（2）、腔（20）以及热绝缘结构（4），所述热绝缘结构（4）通过连接至该基板（2）的区域（31、32）悬置在腔（20）的上方。本发明的特征在于，热绝缘结构（4）包括延伸越过腔（20）的至少两个桥部（33、34），加热元件通过相对于所述桥部（33、34）横向地延伸而由所述桥部（33、34）支撑。
【专利说明】包括加热元件的微型传感器以及与其相关联的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及带有加热元件的微型传感器领域。
[0002]术语“微型传感器”用于意指具有介于几微米到几百微米的范围内的至少一个尺寸的传感器。
[0003]这种传感器可以使用用于测量流体的流速、壁面剪切摩擦力、或者甚至是压力。
【背景技术】
[0004]例如，在第34 (2003)期的微电子学杂志的第1129-1136页中记载的由Meunieret al.所著的题为“壁面剪应力集成传感器的实现与仿真”的文献中描述了一种用于测量与流体流相关联的壁面剪应力的微型加热元件传感器。
[0005]此传感器包括基板、热绝缘结构、加热元件(热线)以及电触头。热绝缘结构可以限定这样的腔:热线延伸越过该腔，热线经由其端部保持在热绝缘结构上。电触头布置在热绝缘结构上并且这些电触头连接至热线的端部，使得可以给热线供以电力，以通过焦耳效应进行加热。
[0006]若干参数涉及到由这种类型的传感器执行的测量的质量。
[0007]首先，有必要考虑热线的形状。
[0008]热线优选具有尽可能大的长度LwiM和尽可能小的液压直径dh。液压直径dh由下列关系来定义:
[0009]dh=4S/P
[0010]其中S是热线的截面以及P是热线的湿周。
[0011]用于热线的较小液压直径限制了该线的热惯性并且因此改进了传感器的带宽。
[0012]此外，在实践中，本领域技术人员应当考虑到的是，优选确定该线的尺寸使得LwiM/dh>30，以获得足够灵敏的传感器。由Meunier et al.提出的传感器满足该关系。
[0013]因此热线的形状具有对传感器的灵敏性和传感器的带宽的影响。
[0014]然后，同样有必要考虑到的是使用用于制造该线的材料的性质。
[0015]所选择的材料的性质对该线的电阻温度系数(TCR)具有影响以及因此对该传感器的灵敏性具有影响。
[0016]此外，被选择用于该线的材料的性质限定了该线的热传导性，所述热传导性必须尽可能的高以改进传感器的带宽。
[0017]在Meunier et al.所著的文献中，选择用于此目的的是由掺硼多晶硅制成的热线。
[0018]最后，为了避免对热损耗的妨碍——热损耗同样会对传感器的带宽具有影响，适当的是使热线与基板尽可能地热绝缘。
[0019]为此，由Meunier et al.提出的传感器的热线延伸越过含有空气的腔，空气就其本质而言是热的不良导体。
[0020]同样为了此目的，热绝缘结构使用在热线和基板的端部之间。具体地，热绝缘结构由氮化硅制成，这是因为该材料如同空气那样具有较低的热传导性。
[0021]由Meunier et al.提出的传感器的设计相对简单并且具有足以测量壁面剪切摩擦力的灵敏性。
[0022]然而，这种类型的传感器难于使用用于除壁面剪切摩擦力的测量或低流速的测量之外的测量。
[0023]热线是易碎的并且难于使用用于测量通常超过每秒20米(m/s)的速度，这是因为否则热线会有破裂的风险。此易碎性与该线的液压直径dh较小、比值LwiJdh较高以及该线悬置在腔的上方的事实相关联。
[0024]提出了具有不同设计的许多加热元件传感器。
[0025]在第8 (I)卷的微机电系统杂志的第90至99页记载的由Chiang Lu et al.所提出的题为“一种基于热传递原理的微型机械流剪应力传感器”的传感器是特别有利的。
[0026]此传感器包括具有腔的基板、通过连接区域悬置在腔上方的热绝缘结构、以及布置在热绝缘结构上的加热元件(热线)，其中，连接区域连接热绝缘结构与基板。
[0027]在该设计中，热绝缘结构是悬置在形成于基板中的腔的上方的隔板。
[0028]热线满足关系Lwi,e/dh>30，并且其由掺磷多晶硅制成。该线的特性(形状、TCR、热传导性…)因此接近于使用在由Meunier et al.所提出的传感器中的热线的特性。
[0029]此外，由Chiang Lu et al.使用的热绝缘结构在其同样是由氮化娃制成的情况下会表现出与Meunier et al.提出的传感器的热绝缘结构相同的热传导性。
[0030]该传感器的灵敏性应当比得上由Meunier et al.所提出的传感器的灵敏性。
[0031]然而，该传感器主要在热绝缘结构(隔板)的形状方面不同于由Meunier et al.所提出的传感器，这能够使在基板中形成的腔被覆盖，使得腔可以含有较高的真空。
[0032]在热线由隔板支撑的情况下，可以理解的是，该传感器比由Meunier et al.所提出的传感器更鲁棒。该传感器的鲁棒性还通过热线的更大的厚度(与用于Meunier etal.所提出的传感器的0.3 ii m相比，是用于Chiang Lu et al.所提出的传感器的0.45微米(V- m))来改进。
[0033]因此可以设想的是，使用由Chiang Lu et al.所提出的传感器结构来执行流速的测量，其中，所测量的流速高于通过由Meunier et al.所提出的传感器所测量的流速。由Chiang Lu et al.所著的文献还详细说明了在25m/s的速度下测试这些传感器。
[0034]相比之下，尽管使用位于热绝缘隔板下方的处于较高真空下的腔，但该传感器的带宽也比得上由Meunier et al.所提出的传感器的带宽，所述腔限制隔板与腔之间的热交换。
[0035]作者详细说明了这些传感器的截止频率是1.9千赫(kHz)(在恒定电流下)，而由Meunier et al.所提出的传感器的截止频率大约是2kHz (在恒定电流下)。
[0036]这很可能是由于与隔板中的传导相关联的热损耗以及热线的更大的宽度所引起的。因此，使用位于隔板下方的较高真空似乎更倾向于抵偿在与使用热绝缘隔板相关联的带宽和用于热线的更大的厚度的方面的缺陷。

【发明内容】

[0037]本发明的目的是提出这样一种微型传感器:其是灵敏的并且同时是鲁棒的，以及具有相比已知的传感器得到改进的带宽。
[0038]为了实现此目的，本发明提出这样一种微型传感器:其具有加热元件并且包括基板、腔、以及热绝缘结构，所述热绝缘结构通过连接热绝缘结构与基板的连接区域悬置在腔的上方，传感器的特征在于，热绝缘结构包括至少两个桥部，所述至少两个桥部延伸越过热绝缘结构的两个与基板的连接的连接区域之间的腔，加热元件通过相对于桥部横向地延伸而由桥部支撑。
[0039]该装置可以具有单个或组合的技术特性:
[0040]?桥部的长度L介于10 ii m至80 ii m的范围内；
[0041]?桥部的宽度1介于5 iim至IOiim的范围内；
[0042]?两个桥部之间的距离D介于20 ii m至40 ii m的范围内；
[0043]?热绝缘结构、特别是桥部的厚度e介于1OOnm至500nm的范围内；
[0044]?腔的高度h介于50nm至500 μ m的范围内；
[0045]?加热元件的宽度a介1μ m至5 μ m的范围内；
[0046]?加热元件的厚度b介于50nm至500nm的范围内；
[0047]?加热元件包括多个电传导材料层，一层由展现出残余拉伸应力的材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的材料制成，这些层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为加热元件获得小于例如250兆帕(MPa)的第一极限值的总残余应力；
[0048]?加热元件包括:
[0049]?第一钼层；
[0050]?由包覆在钨层中的镍层制成的至少一个双层；以及
[0051]?第二钼层；
[0052]?热绝缘结构包括多个热绝缘材料层,一层由展现出残余拉伸应力的热绝缘材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的热绝缘材料制成，热绝缘材料层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为结构获得小于例如250MPa的第二极限值的总残余应力；
[0053]?热绝缘结构包括由二氧化硅层和氮化硅层形成的至少一个双层；
[0054]?热绝缘结构包括在加热元件下方以及在两个桥部之间延伸的条状部，热绝缘条状部合并有由电传导材料制成的带状部，带状部通过所述条状部与加热元件电绝缘；
[0055]?热绝缘结构包括两个条状部和两个带状部，两个条状部在加热元件下方以及在两个桥部之间延伸，两个带状部由电传导材料制成并且通过形成在热绝缘结构的两个条状部之间的空气条间隔开，使得带状部与加热元件电绝缘；
[0056]?热绝缘结构包括在加热元件的每侧上以及在两个桥部之间延伸的至少两个其他热绝缘条状部，这些两个其他条状部中的每个条状部包括由电传导材料制成的带状部；
[0057]?热绝缘结构由沉积在热绝缘材料上的压电材料制成并且包括用于表面声波的换能器；
[0058]?基板由压电材料制成，并且在基板的腔的底部处沉积有表面声波谐振器；
[0059]?在腔的底部上设置有压电材料板，所述板在其表面上设置有表面声波谐振器；以及
[0060]?热绝缘结构具有N个桥部，其中加热元件沉积在桥部上，其中N大于或等于3。
[0061]为了实现此目的，本发明还提出一种制造根据任一项前述权利要求的传感器的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤:
[0062]a)在基板上沉积至少一个热绝缘材料层；
[0063]b)在至少一个热绝缘材料层上沉积由电传导材料制成的至少一个元件；
[0064]c)使在步骤b)中获得的结构经受等离子体蚀刻以限定带有至少两个桥部的热绝缘结构的形状，所述至少两个桥部在连接热绝缘结构与基板的两个连接区域之间延伸；以及
[0065]d)执行气体化学蚀刻以限定基板的腔，其中，热绝缘结构延伸越过腔。
[0066]本发明还包括一个或更多个单个或组合的下列特性:
[0067]?先于步骤a)提供有在基板上局部地沉积顶层的步骤，继之以在顶层上沉积预定厚度的牺牲层的步骤；
[0068]?步骤b)包括连续地沉积多个电传导材料层，一层由展现出残余拉伸应力的材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的材料制成，这些绝缘材料层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为元件获得小于例如250MPa的第一极限值的总残余应力；以及
[0069]?步骤a)包括连续地沉积多个热绝缘材料层，一层由展现出残余拉伸应力的材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的材料制成，这些绝缘材料层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为热绝缘结构获得小于例如250MPa的第二极限值的总残余应力。
【专利附图】

【附图说明】
[0070]在参照下列附图描述的下列详细的描述中对本发明的其他特征、目的和优点进行详细的说明，其中:
[0071]?图1示出了根据本发明的传感器的立体图；
[0072]?图2示出了图1的传感器的俯视图；
[0073]?图3示出了图1的传感器的侧视图；
[0074]?图4 (a)至4 (d)示出了在制造如图1至图3所示的传感器时获得的不同的中间结构；
[0075]?图5示出了横跨连接至如图1至图3所示的传感器的加热元件的惠斯登电桥的端子的标准化电压是如何根据流经传感器的腔的流体的流率变化的；
[0076]?图6是示出了适用于通过皮拉尼效应测量压力的根据本发明的传感器的变体实施方式的立体图；
[0077]?图7示出了横跨连接至如图6所示的传感器的加热元件的惠斯登电桥的端子的标准化电压是如何根据传感器的腔中存在的压力变化的；
[0078]?图8是示出了如图1至图3所示的传感器的变体实施方式的立体图；
[0079]?图9是示出了如图8所示的传感器的变体实施方式的立体图；
[0080]?图10是示出了如图1至图3所示的传感器的另一变体实施方式的立体图；
[0081]?图11是示出了重复使用专用于图9和图10的变体的设计元件的变体实施方式；
[0082]?图12 (a)和12 (b)是示出了如图1至图3所示的传感器的其他变体的立体图；
[0083]?图13 (a)和13 (b)是同样示出了如图1至图3所示的传感器的其他变体的立体图；
[0084]?图14 (a)和14 (b)是示出了如图6所示的传感器的变体另一立体图；[0085]?图15是使用扫描式电子显微镜拍摄的、示出了具有串联的N个单细胞的根据本发明的传感器的立体图，其中，每个细胞代表如图1至图3所示的传感器；以及
[0086]?图16 Ca)至16 Ce)示出了在制造根据本发明的成对的传感器时所获得的不同的中间结构。
【具体实施方式】
[0087]本发明的加热元件传感器I包括基板2、确切地形成在基板2中的腔20、以及经由与基板2联接的联接区域31、32悬置在腔20上方的热绝缘结构3。
[0088]热绝缘结构3具有至少两个桥部33、34，所述至少两个桥部相对于热绝缘结构3的带有基板2的联接区域31、32横向地延伸越过腔20。加热元件4同样通过桥部33、34支撑并且加热元件相对于桥部横向地延伸。
[0089]此外，加热元件的端部连接至电触头(未示出)。电流因此可以流经加热元件4以使加热元件能够通过焦耳效应进行加热。
[0090]加热元件4的宽度a介于I ii m至5 ii m的范围内。加热元件4的厚度b介于50nm至500nm的范围内。加热元件4的长度Lwire等于在图1中示出的构型的尺寸的2 (D+1):其介于50 ii m至100 ii m的范围内。
[0091]加热元件4的尺寸因此满足关系Lwi,e/dh>30，其中，该因数甚至大于50。
[0092]传感器I因此表现出更大的灵敏性。
[0093]此外，通过用作用于加热元件4的支撑件，热绝缘结构3的桥部33、34赋予传感器较大的鲁棒性。
[0094]通过选择这些桥部中的每个桥部的几何参数特性一即其长度L、宽度1、厚度e以及这两个桥部33、34之间的距离D，传感器的鲁棒性可以根据预期的应用来调节。
[0095]因此，桥部33、34的长度L可以介于IOiim至80 iim的范围内。桥部33、34的宽度I可以介于5 ii m至10 ii m的范围内。桥部33、34的厚度e可以介于IOOnm至500nm的范围内。这两个桥部33、34之间的距离D可以介于20 ii m至40 ii m的范围内。
[0096]应当观察到的是，桥部33、34的厚度e通常对应于热绝缘结构3的厚度。
[0097]此外，在如何确定热绝缘结构的尺寸以适应与获得既是鲁棒的并且同时又是灵敏的以及具有更大的带宽(较低的热损耗、较短的响应时间)的传感器相关联的矛盾约束方面，热绝缘结构4的形状给予更大的选择自由。
[0098]所选择的比值L/l、D/1、和D/a是加热元件4的热绝缘效应与传感器I的鲁棒性之间平衡的结果。这些比值越高，加热元件4的热绝缘就越有效，但传感器I也越易碎。
[0099]所选择的参数a、b和e是传感器I的鲁棒性与其热惯性之间平衡的结果，其中，热惯性对传感器I的带宽具有影响。这些参数的值越小，传感器I的响应时间就越短(即，带宽越宽)，但传感器越易碎。
[0100]在现有技术的描述中所提出的设计并未提供这种选择的自由，而这种选择的自由可以满足由本发明所提出的技术问题。
[0101]加热元件4可以由金属材料或诸如多晶硅、金刚石或碳化硅(SiC)之类的掺杂半导体材料制成。
[0102]当使用金属材料时，加热元件4可以包括下列金属中的至少一种:银、钛、铬、铝、铜、金、镍、鹤或钼。
[0103]有利地，加热元件4包括多层电传导材料，一层由展现出残余拉伸应力的材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的材料制成，这些层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为加热元件4获得小于极限值的总残余应力。
[0104]有利地，这些层由不同材料的连续蒸发层通过呈“帽”形的树脂面罩制成，该面罩可以获得局部沉积。
[0105]然而，还可以通过溅射来进行沉积。
[0106]这可以获得这样的加热元件4:所述加热元件足够厚以确保其是鲁棒的，同时避免可能对传感器I的测量质量产生不利影响的任何弯曲。
[0107]极限值是超过该值加热元件4就必须停止操作的值。该极限值可以是250MPa，并且其优选是200MPa。
[0108]举例来说，加热元件4可以包括包覆在至少一个钨层中的至少一个镍层，这些层的厚度适于获得低于极限值的总残余应力。
[0109]加热元件4可以包括第一钼层、由包覆在钨(W)层中的镍(Ni)层组成的至少一个双层、以及第二钼层。钼用作防止其他金属的氧化。
[0110]这些沉积物可以通过阴极溅射来制造。该技术使用诸如氩气之类的惰性气体的等离子体，用于溅射待沉积到目标物上的材料(镍或钨)。使用的氩气压力介于0.9帕斯卡(Pa)至3.1Pa之间的范围内，这对应于介于每分钟25标准立方厘米(sccm)至IlOsccm的范围内的相应的氩气流率。
[0111]等离子体形成在目标物(偏向于阴极)与基板(偏向于阳极)之间，因此从目标物脱离的原子就会被朝向基板引导。为了增加沉积率，借助于由磁体产生的磁场，等离子体的密度得到加强并且等离子体得到集中。选择用于磁体的无线电射频(RF)功率是300瓦特(W)。
[0112]对于介于1.2Pa至3.1Pa的范围内的惰性气体压力而言， 申请人:观察到的是，镍中的残余拉伸应力以不显著的方式变化并且表现出大约550MPa的绝对值。此外，在0.9Pa至
3.1Pa范围内的惰性气体压力中， 申请人:观察到的是，钨中的残余压缩应力以不显著的方式变化并且表现出大约1250MPa的绝对值。
[0113]为了通过钨层中的残余应力来抵偿镍中的残余应力，因此可以看到的是，镍层的厚度必须大于钨层的厚度，二者的比值大约是2.2。
[0114]当期望提供具有IOOnm的厚度的加热元件时，因此可以制造IOnm的钼层、55nm的镍层、25nm的钨层、以及最后是IOnm的钼层。在此条件下，镍层和钨层的应力相互抵偿。
[0115]热绝缘结构3可以由氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)制成。
[0116]有利地，热绝缘结构包括多层热绝缘材料，一层由热绝缘材料制成并且展现出残余拉伸应力，并且相邻层由热绝缘材料制成并且展现出残余压缩应力，这些热绝缘材料层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以在结构中获得低于另一极限值的总残余应力。
[0117]极限值可以是250MPa。
[0118]此外，每层通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)来制造。
[0119]这可以获得相对厚的热绝缘结构，以改进其鲁棒性，同时确保材料中的残余应力不会导致结构弯曲。该热绝缘结构3因此可以保持完全平直，这对于桥部33、34而言是重要的。
[0120]例如，热绝缘结构3可以具有由二氧化硅层和氮化硅层构成的至少一个双层，其厚度被选择成以获得小于第二极限值的总残余应力。
[0121]下面将参照图4 (a)至图4 (d)来描述在图1至图3中示出的传感器的制造方法。
[0122]步骤a)包括在基板2上沉积热绝缘结构3，参见图4(a)。
[0123]步骤b)包括将由电传导材料制成的加热元件4沉积在热绝缘结构层上，参见图4(b)。
[0124]其后，在步骤c)期间，在等离子体下蚀刻在步骤b)中获得的结构，以限定热绝缘结构3的桥部33、34，参见图4 (C)。
[0125]蚀刻可以使用执行。这是各向异性蚀刻——具体地说是竖直蚀刻，使热绝缘结构3相对于基板2向下蚀刻，所述基板通常由硅制成。为了执行此蚀刻，可以使用下列等离子体参数:功率180W、压力100毫托(mTorr)、以及对于两种气体(:册3和CF4中的每种气体而言是20sccm的流率。
[0126]最后，在步骤d)期间，确切地是在基板中，执行气体化学蚀刻以限定腔20，热绝缘结构3的桥部33、34延伸越过此腔20，参见图4 (d)。
[0127]此蚀刻可以使用Xe F2在例如5Torr的压力下执行。还可以使用SF6/02例如通过下列等离子体参数执行蚀刻:功率180W、压力100mTorr、20sccm的SF6流率、5sccm的O2流率，以获得各向同性蚀刻。此蚀刻在基板中执行以将桥部33、34从热绝缘结构释放。
[0128]然后在加热元件4的端部处在热绝缘结构3上制造电触头。未示出该步骤。
[0129]在此方法中，热绝缘结构3在加热元件4下方在两个桥部33、34之间还具有条状部35。这为在图1至图3中示出的传感器I赋予额外的鲁棒性。
[0130]图5示出了在图1至图3中示出的传感器I的特性。
[0131]该图示出了在由腔20形成的微通道中的标准化流率和速度是如何根据用于以200赫兹(Hz)的频率通过腔的空气喷射的时间来变化的。
[0132]具体地，腔20表现为部段:
[0133]LXh=40 u mX 5 u m
[0134]加热元件4由具有每摄氏度百万分之(ppm/°C -2400的TCR的钼制成。
[0135]热绝缘结构是Si02/Si3N4/Si02/Si3N4/Si02多层结构，其中，这些层具有100nm/20nm/100nm/20nm/100nm量级的相应的厚度。桥部33、34的宽度I是10 y m并且两个桥部之间的距离D是20 iim。
[0136]该图还示出了用于商业传感器的相同的变体,其由1.5毫米(mm)的Dantec热线(代号:9055P0111)构成。
[0137]可以看到，使用本发明的传感器I执行的测量与使用商业传感器执行的测量之间的匹配良好。
[0138]此外，对于20毫瓦(mW)的功率消耗量，本发明的传感器I的灵敏度的测量值为对于 0.32 的电力是每分钟每升(L/min)70 毫伏(mV) ((70mV/ (L/min)0.32)。
[0139]该灵敏度表示横跨连接至加热元件4的端子的惠斯登电桥的端子所测量的电压根据腔20中的流率的值的变化。在加热元件4输送恒定电流的情况下，横跨惠斯登电桥的端子的电压根据腔中的流率的值的变化表示加热元件4的温度以及因而是电阻的变化。[0140]通过减小元件4的电阻的DC分量，惠斯登电桥使对加热元件4的温度变化的测量更加容易。
[0141]该灵敏度是极佳的。
[0142]此外，以这种方式测试的传感器I表现出恒定电流下的大约5kHz的截止频率。
[0143]该传感器还可以用于测量远高于20m/s甚至高于100m/S的较高的速度。
[0144]特别地，在图1至图3中示出的传感器I可以对速度和壁面剪切摩擦力进行测量。此传感器还可以用于测量介于0.1Pa至IO4Pa的压力范围中的压力。
[0145]该传感器还可以适于测量通常高达IO6Pa的较高的压力。
[0146]通过制造具有较低高度(具体是介于50nm至500nm的范围内)的腔20，对于与大气压(0.1bar至IObar)的量值具有相同数量级的压力，可以将传感器用作使用皮拉尼效应的传感器I’。
[0147]在图6中示出此变体实施方式。在图6中，腔20的高度低于在图1中示出的腔20的高度。
[0148]图7示出了横跨惠斯登电桥的端子的标准化电压根据腔中的压力的变化，其中，腔表现为部段:
[0149]L X h=40 UmX 300nm
[0150]传感器I’的其他特性与使用用于图5的测试的传感器I的特性相同。
[0151]传感器的特性在加压腔中测量，传感器中不存在流动。因此这种测量是传导性的。
[0152]图7示出:皮拉尼效应的传感器可以在IOPa至IO6Pa的范围内有效地使用。此外，传感器的灵敏度是在大约Ibar的压力下每十进大约为lmV，同时消耗IOmW的功率。
[0153]当该传感器用作压力传感器时，还可以获得鲁棒的压力传感器，S卩，该压力传感器能够耐受高压、是灵敏的并且提供较大的带宽。
[0154]因此示出的是，本发明的传感器1、1’可以使用用于执行许多测量，即，在高速(可以设想，>100m/s)下或低速下的速度测量，壁面剪切摩擦测量、以及(同样地)满足鲁棒性和灵敏性的要求与相比已知传感器扩大带宽的要求的压力测量。
[0155]本发明的传感器可以具有若干变体实施方式。
[0156]在图8中示出的变体中，电传导的带状部5插入到热绝缘结构3的处于加热元件4下方并且处于两个桥部33、34之间的条状部35中。带状部5因此与加热元件4电绝缘。
[0157]此条件下，带状部5可以用作直接通过加热元件4测量温度差的参考测量电阻。然后，可以在不使用传感器外侧的惠斯登电桥的情况下直接测量载有恒定电流的加热元件4的温度变化。
[0158]相比图1至图3的传感器1，进行的测量因此得到简化。
[0159]为了制造此变体实施方式，需要在上述步骤a)与步骤b)之间提供附加的步骤。在步骤a)中将热绝缘材料层沉积在基板上之后局部地沉积带状部5，然后沉积新的热绝缘材料层。然后可以执行步骤b)。
[0160]带状部5可以由银、铝、镍、钨或钼制成。
[0161]在图9中示出的变体中，电传导带状部5同样插入到热绝缘结构3的位于加热元件4下方以及介于两个桥部33、34之间的条状部35中。带状部5与加热元件4电绝缘并且其可以用作(参考)测量电阻。带状部5可以由银、铝、镍、钨或钼制成。[0162]这种设计与在图8中示出的变体的设计相类似。
[0163]然而，在图9中示出的热绝缘结构3还包括将两个桥部33、34连接在一起的两个附加条状部36、37，该条状部布置成在其每侧上都平行于加热元件4。此外，这些条状部36、37中的每个条状部由与带状部5类似的电传导材料的带状部51、52覆盖。
[0164]这些带状部51、52用作附加测量电阻。因此还可以测量流速的量值和方向。在不存在任何流动的情况下，测量电阻51、52都处于相同的温度。相反，在存在流动的情况下，这两个测量电阻处于不同的温度下，并且此温度差可以判断流动的量值和方向。还可以测量腔中的流体的热扩散常数。
[0165]为了制造由带状部51、52覆盖的条状部36、37，或者改变步骤b)或者另外在步骤a)和b)之间或步骤b)和c)之间添加一个步骤即可，以便在步骤a)中沉积的热绝缘结构3上沉积电传导材料的带状部51、52。在等离子体蚀刻步骤c)期间，仅对未被电传导材料覆盖的热绝缘结构进行蚀刻。
[0166]在图10中示出了本发明的传感器的另一变体。
[0167]在此变体中，由空气薄条间隔开的两个电传导带状部53、54设置在加热元件4的下方。第一带状部53与加热元件4通过形成热绝缘结构3的一部分的条状部38间隔开，并且第二带状部54通过 同样形成热绝缘结构的一部分的另一条状部39支撑。两个带状部53,54之间的空气条为几纳米厚。带状部53、54因此与加热元件电绝缘。
[0168]与参照图8描述的装置相比，该变体实施方式允许稀薄流中的流体的某些特性(传导性、扩散性…)。
[0169]为了制造该变体实施方式，适当的是执行上述步骤a)与步骤b)之间的附加的步骤。
[0170]根据步骤a)，热绝缘材料层沉积在基板上。
[0171]附加步骤如下所述。
[0172]底部带状部54局部地沉积在热绝缘材料层上。有利但并非必要地，然后沉积电绝缘材料的细层以在传感器中限制任何短路的风险。其后，局部地沉积牺牲层，该层随后被除去以在两个带状部53、54之间形成空气细条。其后，将顶部带状部53沉积在牺牲层上。然后沉积电绝缘材料的新层，该层用于支撑加热元件4。
[0173]—旦执行完成这些步骤，执行上述步骤b)至d)。
[0174]在图11中示出了本发明的传感器的另一变体。
[0175]在此变体中，以与参照图10描述的变体实施方式相似的方式来设置由空气条间隔开的电传导带状部53、54。此外，以与参照图9描述的变体相似的方式来设置多个条状部36’、36〃、37’、37〃，所述多个条状部36’、36〃、37’、37〃形成热绝缘结构3的一部分并且每个通过电传导带状部51’、51〃、52’、52〃覆盖。
[0176]此变体相当于在图9和图10中示出的结构的组合。其因此表现出由参照图9和图10描述的两个变体所赋予的优点。
[0177]相比参照图1至图3描述的传感器1，如参照图8至图11描述的本发明的传感器的不同变体实施方式利用一个或更多个测量电阻以简化所采取的测量。
[0178]测量电阻的使用需要相应数量的带有加热元件的连接电路以获得所需的数据。
[0179]可以通过使用表面声波所涉及的测量技术来进一步改进测量。[0180]下面将参照图12 (a)、12 (b)、13 (a)和13 (b)来描述使用此技术的根据本发明的传感器10。
[0181]在图12 Ca)中示出了利用此技术的传感器10的第一变体。
[0182]在此变体中，热绝缘结构与压电材料相关联以形成通过附图标记3’表示的结构。结构3’包括热绝缘材料、压电材料以及表面声波延迟线61、62、63、64 (发射器61、接收器63、发射器62、接收器64)，这些延迟线布置在桥部33、34与带有基板2的连接区域31、32之间的每个交点处。
[0183]通过根据所使用的压电材料的机械特性的变化来改变装置的谐振频率而给出了传感器的特性，机械特性的此变化源自传感器所经受的温度的变化。
[0184]表面声波因此可以通过具有沿连接区域32布置的交叉形电极的换能器61、62中的每个换能器来传送至沿连接区域31布置的换能器63、64中的每个换能器。
[0185]这些交叉形电极换能器62、64和61、63然后能够使在实际安装有所述换能器的桥部33、34中传播的声波能够产生以及使该声波能够被检测。
[0186]这因此简化了所采取的测量。
[0187]具体地，该测量是每个桥部33、34的平均温度的测量值。获知基板2的参考温度，然后可以在每个桥部33、34中对温度差进行测量，因此可以得到所需数据——例如流速。
[0188]桥部33、34的存在使测量的质量相应地得到改进，由此通过平均化效应减少了测量噪音，其中，桥部33、34可以执行彼此独立的桥部的测量。传感器的形状因此特别适用于执行这样的测量技术:该测量技术使用用于简化测量以及还用于改进精确性的表面声波。
[0189]为了制造此传感器，执行上述步骤a)。
[0190]其后，压电材料沉积在热绝缘层上并且交叉形电极换能器由压电材料制成。
[0191]执行步骤b)。
[0192]然后，步骤c)包括蚀刻热绝缘材料和与其相关联的压电材料，以限定桥部的形状。
[0193]其他步骤保持不变。
[0194]应当观察到的是，压电材料在其热传导性较低时可以直接用作热绝缘层。例如，这应用于诸如多晶结构氧化锌和氮化铝之类的材料，所述多晶结构氧化锌和氮化铝具有介于每开尔文米10瓦特(w.r1.nr1)至2ow.r1.nr1的范围内的热传导性。在此条件下,压电材料因此形成热绝缘结构。
[0195]此谐振器的尺寸形成本领域普通技术人员通常所知晓的知识的一部分，因此未对其进行描述。
[0196]可以对参照图12 Ca)描述的传感器进行改进。
[0197]这通过图12 (b)的变体而提出。
[0198]此变体使用在图12 (a)中示出的传感器的特性。
[0199]然而，每个桥部33、34设置有包含局部缺陷的相应的反射器65、66。这可以检测位于缺陷处的桥部的温度。因此，相比参照图12 (a)描述的传感器，温度以局部化方式在缺陷处测量。该测量是基于对反射系数的分析而并非是基于换能器之间的传送。
[0200]举例来说，如果此处是缺陷所处的位置，则在缺陷处的局部温度的测量可以测量加热元件下方的温度。在此点处的温度处于最大值的情况下，相比在图12 (a)中示出的那种传感器，该传感器的灵敏性因此被最大化，其中这是测量的平均温度。此外，传感器的响应时间同样得到改进，由此增加了其带宽。制造此传感器的方法与制造在图12 (a)中示出的传感器的方法相类似。
[0201]图13 (a)和图13 (b)示出了根据本发明的传感器的其他实施方式并且通过表面声波来利用测量。
[0202]再次，结构3’包括热绝缘材料和压电材料。然而，该结构3’包括在加热元件4的每侧上布置在两个桥部33、34之间的条状部36’、37’。
[0203]发射器换能器和接收器换能器67、68以交叉形指部的形式处于结构3’的桥部33、34中的每个桥部上。
[0204]例如，这种布置使由换能器67产生的表面声波能够在条状部36’、37’中传播，其中，所述波的特性能够通过环境条件来改变。
[0205]应当观察到的是，此传感器的形状接近于参照图9所描述的本发明的实施方式的形状。
[0206]因此，可以获得相同类型的信息(速度的量值和方向、流体的扩散常数…)，但是，测量由于表面声波测量技术的使用而得到简化。
[0207]为了制造该传感器，适当的是，在将热绝缘层沉积在基板上的步骤a)之后，将压电材料沉积在热绝缘层上以及通过沉积在压电层上来制造换能器67、68。有利但并非必要地，然后，沉积精细的电绝缘层以限制传感器中的任何短路的风险。其后，可以在沉积加热元件之后执行步骤b)。然后，蚀刻步骤(:)包括同时制造桥部33、34和条状部36’、37’。最后，执行步骤d)。
[0208]在图13 (b)中示出的变体中，传感器同样具有在图13 Ca)中示出的传感器的所有特性，并且还提供了功能化条状部36’、37’以获得提供附加特性的传感器。
[0209]具体地，在每个条状部36’、37’上布置有两个电传导线(未示出)，因此可以获得过滤功能。
[0210]在参照图12 (a)至图13 (b)描述的实施方式中，热绝缘结构可以与诸如氮化铝(A1N)、氧化锌(ZnO)或氮化钙(GaN)之类的不同的压电材料相关联。
[0211]表面声波测量技术还可以与皮拉尼效应组合使用，以测量与大气压(气压)的量值具有相同量级的压力。
[0212]图14 (a)和图14 (b)示出了可以用于此目的的本发明的传感器的两个变体实施方式。
[0213]在图14 Ca)中，传感器100具有由压电材料制成的基板2’，该基板带有布置在其表面上的交叉形电极换能器69。换能器69布置成面向加热元件4并且处于距离热绝缘结构3的较短距离处——例如位于IOOnm至500nm的范围内以受益于皮拉尼效应。
[0214]在压力效应下，加热元件4的温度发生改变。该温度的改变改进了在基板2’的表面处传播的表面波的特性，这种改变通过谐振器69得到放大。对以此方式改变的表面声波的分析可以判定加热元件4的温度变化以及从其中推算出腔20中的压力。
[0215]再次，相比参照图6描述的传感器I’，该变体可以使采取的测量得到简化。
[0216]为了制造该传感器，首先可以在压电基板2’上制造交叉形电极换能器69。其后，局部地沉积牺牲层50，因此可以在步骤d)中执行该操作以限定腔。然后，根据步骤a)沉积热绝缘层(例如使用Si02/SiN)，以及根据步骤b)沉积加热元件4。根据步骤c)各向异性地蚀刻热绝缘层以形成桥部，以及最后执行各向同性地蚀刻牺牲层的步骤d)。
[0217]在图14 (b)中示出的传感器100构成对在图14 Ca)中示出的传感器的改型。
[0218]在此变体中，基板2不再是由压电材料制成，而是由例如硅的材料制成。结构由安装在与基板间隔开的压电板7上的热绝缘板3构成。板7在表面上还包括换能器69’，该换能器69’最好与谐振器69相同并且布置成面向加热元件4。此外，板7布置成使得在该板与热绝缘结构之间的距离介于IOOnm至500nm的范围内，以受益于皮拉尼效应。
[0219]相比在图14 (a)中示出的传感器，与此变体实施方式相关联的主要优点是提供更好的响应时间，即更大的带宽。这主要是因为减小了与使用呈薄层形式的压电板相关联的传感器的热惯性。该板7通常具有介于500nm至4 y m的范围内的厚度。
[0220]为了制造该传感器，首先在基板2上沉积较薄的压电层，然后在薄层上制造交叉形电极换能器。其后，在压电薄层上沉积牺牲层，并且执行上述步骤a)至c )，然后蚀刻压电层以限定板7。最后，通过执行上述步骤d)蚀刻牺牲层以限定出腔来结束该方法。
[0221]在本发明的另一变体实施方式中，可以制造这样一种传感器1:其在加热元件4下方和在两个桥部33、34之间不存在热绝缘材料。
[0222]为此，适合以相反的次序来执行上述步骤a)至b)。
[0223]蚀刻步骤c)然后可以限定出热绝缘结构3的桥部33、34，并且可以除去位于加热元件上方的热绝缘层。
[0224]然后使步骤d )和沉积电触头的步骤互换。
[0225]在此变体中，传感器的鲁棒性小于在图1中示出的传感器I的鲁棒性，但是该传感器的带宽得到改进。
[0226]更一般地，对于参照图1至图3、图6、图12 (a)、图12 (b)、图13 (a)、图13 (b)、图14 (a)和图14 (b)描述的变体实施方式而言，可以设想在加热元件4下方不具有热绝缘材料。
[0227]在本发明的上述实施方式的所有实施方式中，传感器1、1’ >10,100是单细胞传感器，在该单细胞传感器中热绝缘结构仅具有两个桥部33、34。
[0228]然而，该传感器的结构可以使用长度不限的加热元件4，这是因为热绝缘结构3可以包括N个连续的桥部以确保其鲁棒性，其中N大于或等于3。
[0229]仅通过提供适当长度的基板，就可以使用步骤a)至d)制造出传感器，以便同时制造出多个串联的单细胞传感器。在该条件下，仅在加热元件4的端部处沉积两个电触头即可。
[0230]图15示出了以立体视图示出的这种类型的传感器101的图像，该图像通过扫描式电子显微镜获得。
[0231]在图15中可以看到的是，热绝缘结构的桥部是弯曲的。这与材料中的内应力相关联。为了解决此问题，既可以减小形成热绝缘层的材料的厚度，也可以提供应力抵偿多层结构,如上所述。
[0232]与使用具有N ^ 3的单细胞的传感器相关联的优点是，通过限制边缘效应来使沿加热元件4的温度值更均匀。这用于提高所采取的测量的精确性。
[0233]此外，适于观察到的是，可以对在图1至图3中示出的传感器的制造方法进行改进以制造两种类型的并联的传感器。[0234]例如，图16 (a)至16 (d)示出了制造双传感器所涉及的不同步骤，该双传感器既可以用作测量流速和/或壁面剪应力，也可以用作通过皮拉尼效应测量压力。
[0235]为此，将铝薄层6局部地沉积在基板2上，然后将预定厚度的非晶硅层沉积在铝薄层上。这形成了在图16 (a)中示出的结构。
[0236]其后，执行上述步骤(a)至(d)，每个步骤分别形成在图16 (b)至16 Cd)中示出的结构。
[0237]特别地，应当观察到的是，然后步骤c)包括沉积两个加热元件4、4’，其中，一个加热元件用于每个传感器。
[0238]在步骤d)中具有对包覆在非晶硅层中的铝层进行局部沉积的优点。
[0239]这可以获得其高度大于腔20’的高度的腔20，同时执行相同时长的气体化学蚀亥IJ。在除去非晶硅的牺牲层之后，铝层用作阻挡层以确保腔20’的高度——例如具有300nm的高度值一被精确地控制，从而可以获得皮拉尼效应。
[0240]因此，可以增加通过传感器执行的测量的种类。
[0241]当然，上述方法仅涉及单细胞传感器。对于压力传感器以及对于速度和/或壁面剪切摩擦力传感器而言，完全可以设想将单细胞重复N次。
[0242]此方法仅为示例，并且参照图6、图8至11、图12 Ca)至14 (b)描述的变体实施方式同样可以以并联方式以及以重复N次(对于N≥3的理想值)的方式执行。
[0243]这给予设计此种传感器的较大自由。
【权利要求】
1.一种微型传感器(1、1’、10、100、101)，所述微型传感器(1、1’、10、100、101)具有加热元件并且包括基板(2、2’)、腔(20、20’)以及热绝缘结构(3)，所述热绝缘结构(3)通过连接所述热绝缘结构(3)与所述基板(2、2’)的连接区域(31、32)悬置在所述腔的上方，所述传感器的特征在于，所述热绝缘结构(3)包括至少两个桥部(33、34)，所述至少两个桥部(33、34)延伸越过所述热绝缘结构(3)的两个与所述基板连接的连接区域(31、32)之间的腔(20、20’)，加热元件(4、4’)通过相对于所述桥部横向地延伸而由所述桥部(33、34)支撑。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述桥部(33、34)的长度L介于10至SOym的范围内。
3.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述桥部(33、34)的宽度I介于5至IOiim的范围内。
4.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，两个所述桥部(33、34)之间的距离D介于20 u m至40 u m的范围内。
5.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述热绝缘结构(3)、特别是所述桥部(33、34)的厚度e介于IOOnm至500nm的范围内。
6.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述腔(20、20’)的高度h介于50nm至500 U m的范围内。
7.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述加热元件(4、4’)的宽度a介于liim至5iim的范围内。
8.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述加热元件(4、4’)的厚度b介于50nm至500nm的范围内。
9.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述加热元件(4、4’)包括多个电传导材料层，一层由展现出残余拉伸应力的材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的材料制成，这些层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为所述加热元件获得小于例如250MPa的第一极限值的总残余应力。
10.根据前述权利要求所述的传感器，其中，所述加热元件(4、4’)包括: 第一钼层； 由包覆在钨层中的镍层制成的至少一个双层；以及 第二钼层。
11.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述热绝缘结构(3)包括多个热绝缘材料层，一层由展现出残余拉伸应力的热绝缘材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的热绝缘材料制成，热绝缘材料层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为所述结构获得小于例如250MPa的第二极限值的总残余应力。
12.根据前述权利要求所述的传感器，其中，所述热绝缘结构(3)包括至少一个由二氧化娃层和氮化娃层形成的双层。
13.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述热绝缘结构(3)包括在所述加热元件(4)下方以及在所述两个桥部(33、34)之间延伸的条状部(35)，所述热绝缘条状部(35 )合并有由电传导材料制成的带状部(5 )，所述带状部(5 )通过所述条状部(35 )与所述加热元件(4)电绝缘。
14.根据权利要求1至12中的任一项所述的传感器，其中，所述热绝缘结构(3)包括两个条状部(38、39 )和两个带状部(53、54 )，所述两个条状部(38、39 )在所述加热元件(4 )下方以及在所述两个桥部(33、34)之间延伸，所述两个带状部(53、54)由电传导材料制成并且通过沉积在所述热绝缘结构(3)的所述两个条状部(38、39)之间的空气条间隔开，使得所述带状部与所述加热元件(4)电绝缘。
15.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述热绝缘结构(3)包括在所述加热元件的每一侧上以及在所述两个桥部(33、34)之间延伸的至少两个其他热绝缘条状部(36’、36’ ’、37’、37’ ’)，这些两个其他条状部中的每个条状部包括由电传导材料制成的带状部(51’、51’’、52’、52’’)。
16.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，热绝缘结构(3’)由沉积在热绝缘材料上的压电材料制成并且包括用于表面声波的换能器(61至64、67、68)。
17.根据权利要求1至15中的任一项所述的传感器，其中，所述基板(2’)由压电材料制成，并且在所述基板的所述腔的底部处沉积有表面声波谐振器(69)。
18.根据权利要求1至15中的任一项所述的传感器，其中，在所述腔(20)的底部上设置有压电材料的板(7 )，所述板(7 )在其表面上设置有表面声波谐振器(69 ’)。
19.根据任一项前述权利要求所述的传感器，其中，所述热绝缘结构(3)具有N个桥部，其中所述加热元件(4)沉积在所述桥部上，其中N大于或等于3。
20.一种制造根据任一项前述权利要求所述的传感器的方法，所述方法的特征在于，所述方法包括下列步骤: a)在基板(2)上沉积至少一个热绝缘材料层； b)在所述至少一个热绝缘材料层上沉积由电传导材料制成的至少一个元件(4、4’)； c)使在步骤b)中获得的结构经受等离子体蚀刻以限定带有至少两个桥部(33、34)的热绝缘结构(3 )的形状，所述至少两个桥部(33、34 )在连接所述热绝缘结构(3 )与所述基板(2)连接的两个连接区域(31、32)之间延伸；以及 d)执行气体化学蚀刻以限定所述基板的腔(20)，其中所述热绝缘结构(3)延伸越过所述腔(20)。
21.根据权利要求20的方法，其中，先于步骤a)提供有在所述基板上局部地沉积顶层的步骤，继之以在所述顶层上沉积预定厚度的牺牲层的步骤。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，步骤b)包括连续地沉积多个电传导材料层，一层由展现出残余拉伸应力的材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的材料制成，这些绝缘材料层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为所述元件获得小于例如250MPa的第一极限值的总残余应力。
23.根据权利要求20至22中的任一项所述的方法，其中，步骤a)包括连续地沉积多个热绝缘材料层，一层由展现出残余拉伸应力的材料制成，而相邻层由展现出残余压缩应力的材料制成，这些绝缘材料层的厚度适于抵偿不同层中的残余应力，以便为所述热绝缘结构获得小于例如250MPa的第二极限值的总残余应力。
【文档编号】G01F1/684GK103717526SQ201280034778
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2011年7月13日
【发明者】罗曼·维亚德, 阿波德尔克里姆·泰勒比, 菲利浦·雅克·潘诺德, 阿兰·默伦, 弗拉基米尔·普雷奥布拉日恩斯基 申请人:国家科研中心, 里尔中央理工学校