一种渗b半导体加热温度可调环境参数集成传感器的制造方法
【专利摘要】一种渗B半导体加热温度可调环境参数集成传感器，适用于环境参数测量领域。本发明的目的是要解决现有的环境参数传感器测量参数单一、受环境温湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题。一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器其特征在于：主要由硅基底、二氧化硅绝缘层、渗B半导体加热体，氧化铝绝缘层、镍铬合金膜传感器、连接线和凹槽构成。一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器，内置渗B半导体加热体，可为传感器提供适应的工作温度，从而提高传感器的精度；悬臂梁式结构可大大减小热量的浪费；MEMS技术的应用，可将环境参数传感器单元、温湿度传感器单元和加热体温度传感器单元和气体传感器单元集成在一个传感器中，可使本传感器体积变小、成本降低。
【专利说明】一种渗B半导体加热温度可调环境参数集成传感器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及环境参数传感器及其结构的领域。
【背景技术】
[0002]随着社会的迅速发展，各行各业的企业先后在我们的身边安家落户，导致了无论在中国还是在国际社会中，社会环境问题非常普遍而且日益严重，近年来，由于自然灾害的逐渐增多，气象检测在人们中的地位也越来越高，环境中温湿度的测量技术已经相对成熟，因此对环境参数的测量成为人们关注的焦点，因而对环境参数传感器的要求也就越来越高。传统的环境参数测量方法主要用风杯来测量风速，用风标来测量风向，这些机械装置不仅体积较大而且需要经常检查维护，需要耗费大量的人力物力，随着MEMS技术的发展，现在又研制出硅薄膜式传感器和硅悬梁式传感器，这两种传感器体积减小，价格降低，但是这两种传感器的工作环境随外界环境变化而变化，误差较大、精度较低。传统的气体参数传感器集成度低，传感器工作温度随环境温度而变，现在又研制出使用镍铬丝对传感器单元进行加热，但是这种加热方式不均匀，加热面积小，且易造成热量的浪费，传感器精度低，误差大。
[0003]本发明的一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器解决了现有传感器的问题，采用MEMS技术，将环境参数参数的测量和环境气体参数的测量有效集成在一个传感器中，整个传感器结构体积小、重量轻、价格低。本传感器结构内部具有渗B半导体加热体，可为各传感器单元提供最适的工作温度，同时本传感器的悬臂梁式结构可大大减小热量的散失、降低功耗、提高能量利用率。对于实现环境参数的实时检测具有重大的研究意义和应用价值。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决现有的环境参数传感器测量参数单一、受环境温、湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题，而提出的一种渗B半导体加热温度可调环境参数集成传感器。
[0005]一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器，其特征在于:它是由硅基底(I)、二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)、半导体加热电极(6)、氧化铝绝缘层(7)、环境参数传感器单元(8)、环境温湿度传感器(9)、加热体温度传感器单元(10)、连接线(11)和凹槽(12)组成；其结构特征为:先在硅基底(I)上表面氧化生成一层二氧化硅绝缘层(2)，通过光刻、离子注入技术在硅基底(I)内生成一个正八边形的渗B半导体加热体(3-1 )，再通过“退火”氧化技术，形成渗B半导体加热体氧化层(3-2 )，在渗B半导体加热体(3 )、二氧化硅绝缘层(2 )上通过磁控溅射技术生成渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)和半导体加热电极(6)，再次使用磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)和半导体加热电极(6)上生成氧化铝绝缘层(7)，并露出渗B半导体加热体焊盘(4)和环境参数传感器单元焊盘(5)，使用磁控溅射技术，在渗B半导体加热体焊盘(4)和环境参数传感器单元焊盘(5)上对应形成一定厚度的焊盘，使焊盘上表面和氧化铝绝缘层(7)上表面平齐，然后在渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)氧化铝绝缘层(7)上，使用磁控溅射技术形成渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)、环境参数传感器单元(8)、环境温、湿度传感器(9)、加热体温度传感器单元(10)和连接线(11)，最后进行镂空处理，先对氧化铝绝缘层进行镂空形成凹槽(12-1 )、( 12-2)、( 12-3)、( 12-4)，再对二氧化硅绝缘层进行镂空形成凹槽(12-5)、(12-6)、(12-7)、(12-8),然后对硅基底进行镂空形成凹槽(12-9)、(12-10)、(12-11)、(12-12)，最后对硅的下表面进行镂空，形成凹槽(12-13)，至此，一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器就形成了。
[0006]本传感器的结构通过一下步骤形成。
[0007]步骤一:准备晶向为(100)，规格为8000X8000X (200?300) (Mm3)的硅片作为基底，清洁基底的表面。
[0008]步骤二:用氢氟酸清洗掉硅上表面已被氧化生成的二氧化硅，在硅的上表面通过干氧-湿氧-干氧交替氧化的方法，生长一层二氧化硅绝缘层，尺寸为8000 X 8000 X (2飞)(Mm3)。
[0009]步骤三:在二氧化硅绝缘层上通过光刻和等离子体技术，形成边长为2000 (Mffl)的正八边形渗B半导体加热体并通过“退火”氧化技术，形成一层氧化层。
[0010]步骤四:上述步骤完成后，通过磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层和渗B半导体加热体上溅射生成渗B半导体加热体焊盘、环境参数传感器单元焊盘、半导体加热电极，厚度均等，为2?4 (Mffl)，并露出渗B半导体加热体焊盘、环境参数传感器单元焊盘。
[0011]步骤五:在通过上述步骤形成的整个结构中，再通过磁控溅射技术，溅射一层铝，经氧化后形成一层厚度为5飞(Mffl)氧化铝绝缘层，并露出渗B半导体加热体焊盘和环境参数传感器单元焊盘。
[0012]步骤六:氧化铝绝缘层上，再次采用磁控溅射技术，先生成厚度为5飞(Mffl)的渗B半导体加热体焊盘和环境参数传感器单元焊盘，再溅射生成厚度为2?4 (Mffl)的渗B半导体加热体焊盘、环境参数传感器单元焊盘、环境参数传感器单元、环境温湿度传感器、加热温度传感器单元和连接线。
[0013]步骤七:整体结构形成后，分别用盐酸、HF酸和EPW腐蚀剂对氧化铝绝缘层、二氧化硅绝缘层和硅基底从正面对结构进行腐蚀，再用EPW腐蚀剂从背面对硅基底进行腐蚀，凹槽就可以形成，得到一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器。
[0014]本发明的优点为:一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器，可通过渗B半导体加热体对传感器进行加热，这种用半导体元件将电能转换为热能的技术是20世纪80年代发展起来的一项新的加热技术，相比于传统的加热方式具有加热均匀、没有局部过热现象、加热速度快、加热速度容易控制、能量利用率高等优势；中间加热体温度传感器可实时检测传感器工作温度，便于实时控制，为各个传感器单元提供适宜的工作温度，提高本传感器的精度；一种悬臂梁式结构可大大减小热量的散失，降低功耗、节约能源；传感器的对称设计，可减小外界环境带来的误差，提高测量的准确度；温湿度传感器的添加，可为后续数据处理电路提供测量参数，进行温、湿度自补偿计算；借助MEMS技术，将环境参数的测量和气体参数的测量集成在一个传感中，同时可使本传感器体积减小、重量减轻、价格降低、集成度变高。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器的拼装图。
[0016]图2为一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器的制备流程示意图。
[0017]图3为图2中(f)的A-A’剖面图。
[0018]图4为图2中(f)的底面示意图。
[0019]图5为传感器单元在绝缘层上分布的俯视图。
[0020]图6为传感器单元、连接线、焊盘在绝缘层上分布的俯视图。
[0021]图7为一种渗B半导体加热的环境参数集成传感器焊盘和加热电极的俯视图。
【具体实施方式】
[0022]【具体实施方式】一:一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器，其特征在于:它由硅基底(I )、二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘
(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)、半导体加热电极(6)、氧化铝绝缘层(7)、环境参数传感器单元(8)、环境温湿度传感器(9)、加热体温度传感器单元(10)、连接线(11)和凹槽(12)组成。渗B半导体加热体焊盘(4)由(4-1)、(4-2)、(4-3)、(4-4)四部分组成，半导体加热电极(6)由(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)四部分组成,渗B半导体加热体焊盘(4_1)与半导体加热电极(6-1)相连，(4-2)与(6-2)相连，(4-3)与(6-3)相连，(4_4)与(6_4)相连，半导体加热电极(6)与渗B半导体加热体(3)相连，环境参数传感器单元焊盘(5)由(5-1)、(5-2)、(5-3)、(5-4)、(5-5)、(5-6)、(5-7)、(5-8)、(5-9)、(5-10)、(5-11)、(5-12)、(5-13)、(5-14)、(5-15)和(5-16)十六个传感器单元焊盘组成，环境参数传感器单元(8)由(8-1)、(8-2)、(8-3)、(8-4)、(8-5)、(8-6)、(8-7), (8-8)八个环境参数传感器单元构成，环境温湿度传感器(9)由环境湿度传感器单元(9-1)和环境温度传感器单元(9-2)两部分构成，(5-2)和(5-15)分别与环境参数传感器单元的(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，(5-2)和(5-3)分别与环境参数传感器单元(8-2)的两端相连并为之提供工作电压，(5-3)和(5-4)分别与环境参数传感器单元(8-3 )的两端相连并为之提供工作电压，(5-6 )和(5-7 )分别与环境参数传感器单元(8-4)的两端相连并为之提供工作电压，(5-7)和(5-10)分别与环境参数传感器单元(8-5)的两端相连并为之提供工作电压，(5-10)和(5-11)分别与环境参数传感器单元(8-6)的两端相连并为之提供工作电压，(5-11)和(5-12)分别与环境参数传感器单元(8-7)的两端相连并为之提供工作电压，(5-14)和(5-15)分别与环境参数传感器单元(8-8)的两端相连并为之提供工作电压，(5-1)和(5-16)分别与环境湿度传感器单元(9-2)的两端相连并为之提供工作电压，(5-8)和(5-9)分别与环境温度传感器单元(9-1)的两端相连并为之提供工作电压，(5-5)和(5-13)分别与加热温度传感器单元(10)的两端相连并为之提供工作电压。凹槽(12)由(12-1)、(12-2)、(12-3)、(12-4)、(12-5)、(12-6)、(12-7),(12-8),(12-9),(12-10),(12-11),(12-12),(12-13)? 13 部分组成。连接线(11)包含11个传感器单元和焊盘之间的连接线。
[0023]【具体实施方式】二:结合图2和图4描述本实施方式，从本传感器的俯视面开始，依次用盐酸、氢氟酸、EPW腐蚀剂，腐蚀掉不需要的氧化铝、二氧化硅和硅，形成悬臂梁式结构。
[0024]【具体实施方式】三:结合图2和图3描述本实施方式，本传感器的渗B半导体加热体
(3)、渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)、半导体加热电极(6)、氧化铝绝缘层(7 )、环境参数传感器单元(8 )加热体温度传感器单元(10 )和凹槽(12 )均呈对称结构。
[0025]【具体实施方式】四:结合图2描述本实施方式，本传感器的渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘(4)和半导体加热电极(6)相连，当在镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)和镍铬合金膜加热线圈(3)相连，当在渗B半导体加热体焊盘(4)上施加电压后，渗B半导体加热体就会产生热量，为各传感器单元提供适宜的工作温度。
[0026]【具体实施方式】五:结合图2描述本实施方式,本传感器的温湿度传感器单兀(9),可实时检测环境温湿度参数。
[0027]【具体实施方式】六:结合图2描述本实施方式,本传感器借助MEMS技术,制成的传感器体积小、重量轻。
【权利要求】
1.一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器，其特征在于:它是由硅基底(I)、二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)、半导体加热电极(6)、氧化铝绝缘层(7)、环境参数传感器单元(8)、环境温湿度传感器(9)、加热体温度传感器单元(10)、连接线(11)和凹槽(12)组成，其结构特征在于通过以下几个步骤实现: 步骤一:准备晶向为(100)，规格为8000X8000X (200^300) (Mm3)的硅片作为基底(1)，清洁基底(I)的表面； 步骤二:用氢氟酸清洗掉硅上表面已被氧化生成的二氧化硅，然后在硅的上表面通过干氧-湿氧-干氧交替氧化的方法，生长一层致密的二氧化硅绝缘层(2)，尺寸为8000X8000X (2?5) (Mm3)； 步骤三:在二氧化硅绝缘层(2)上通过光刻和等离子体技术，形成边长为2000 (Mm)的正八边形渗B形成半导体加热体(3-1 )，再通过“退火”氧化方式形成一层薄薄的半导体加热体氧化层(3-2)； 步骤四:上述步骤完成后，通过磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)上溅射生成渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)、半导体加热电极(6)，厚度均等，为2?4 (Mm),并露出渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)； 步骤五:在通过上述步骤形成的整个结构中，再通过磁控溅射技术，溅射一层铝，经氧化后形成一层厚度为5飞(Mm)氧化铝绝缘层(7)，并露出渗B半导体加热体焊盘(4)和环境参数传感器单元焊盘(5); 步骤六:氧化铝绝缘层(7)上，再次采用磁控溅射技术，在渗B半导体加热体焊盘(4)和环境参数传感器单元焊盘(5)上生成对应大小的厚度5飞(Mm)的渗B半导体加热体焊盘(4)和环境参数传感器单元焊盘(5)，再溅射生成厚度为2?4 (Mm)的渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)、环境参数传感器单元(8)、环境温湿度传感器(9)、加热温度传感器单元(10 )和连接线(11); 步骤七:整体结构形成后，分别用盐酸、HF酸和EPW腐蚀剂对氧化铝绝缘层(7)、二氧化硅绝缘层(2)和硅基底(I)从正面对结构进行腐蚀，再用EPW腐蚀剂从背面对硅基底(I)进行腐蚀，形成凹槽(12)，最终生成一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器。
2.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器的结构创新体现在:渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5 )、半导体加热电极(6 )、环境参数传感器单元(8 )环境温湿度传感器(9 )和加热温度传感器单元(10)等单元的构成及相互连接；渗8半导体加热体焊盘(4)由(4-1)、(4-2)、(4-3)、(4-4)四部分组成，半导体加热电极(6)由(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)四部分组成，渗B半导体加热体焊盘(4-1)与半导体加热电极(6-1)相连，(4-2 )与(6-2 )相连，(4-3 )与(6-3 )相连，(4-4)与(6-4)相连,半导体加热电极(6)与渗B半导体加热体(3)相连,环境参数传感器单元焊盘(5)由(5-1)、(5-2)、(5-3)、(5-4)、(5-5), (5-6), (5-7), (5-8), (5-9),(5-10)、(5-11)、(5-12)、(5-13)、(5-14), (5-15)和(5-16)十六个传感器单元焊盘组成，环境参数传感器单元(8)由(8-1)、(8-2)、(8-3)、(8-4)、(8-5), (8-6), (8-7), (8-8)八个环境参数传感器单元构成，环境温湿度传感器(9)由环境湿度传感器单元(9-1)和环境温度传感器单元(9-2)两部分构成，(5-2)和(5-15)分别与环境参数传感器单元的(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，(5-2 )和(5-3 )分别与环境参数传感器单元(8-2 )的两端相连并为之提供工作电压，(5-3)和(5-4)分别与环境参数传感器单元(8-3)的两端相连并为之提供工作电压，(5-6)和(5-7)分别与环境参数传感器单元(8-4)的两端相连并为之提供工作电压，(5-7)和(5-10)分别与环境参数传感器单元(8-5)的两端相连并为之提供工作电压，(5-10)和(5-11)分别与环境参数传感器单元(8-6)的两端相连并为之提供工作电压，(5-11)和(5-12)分别与环境参数传感器单元(8-7)的两端相连并为之提供工作电压，(5-14)和(5-15)分别与环境参数传感器单元(8-8)的两端相连并为之提供工作电压，(5-1)和(5-16)分别与环境湿度传感器单元(9-2)的两端相连并为之提供工作电压，(5-8)和(5-9)分别与环境温度传感器单元(9-1)的两端相连并为之提供工作电压，(5-5)和(5-13 )分别与加热温度传感器单元(10 )的两端相连并为之提供工作电压；连接线(11)包含11个传感器单元和焊盘直接的连接线。
3.根据权利要求1步骤三所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器的内置渗B半导体加热体(3)，相比于传统的加热方式具有加热均匀、没有局部过热现象、力口热速度快、加热速度容易控制、能量利用率高等优势。
4.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器的悬臂梁式结构体现在: 一、从本传感器结构的俯视面开始，盐酸腐蚀掉不需要的Al2O3形成凹槽(12-1)、(12-2)、(12-3)、(12-4)； 二、用HF酸腐蚀掉不需要的S12形成凹槽(12-5)、(12-6)、(12-7)、(12-8)； 三、用EPW腐蚀剂腐蚀掉不需要的Si形成凹槽(12-9)、(12-10)、(12-11)、(12-12)； 四、在硅基底(I)的底部，用EPW腐蚀剂从底部腐蚀掉6000X6000X(180?280)(Mm3)大小的长方体，形成凹槽(12-13)。
5.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热的高精度环境参数集成传感器，本传感器整体为对称结构，并且各部分也均为对称结构，具体体现在以下几个方面: 一、硅基底(I)和二氧化硅绝缘层(2)的(100)面均为8000MmX8000Mm呈中心对称的正方形结构； 二、渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘(4)、环境参数传感器单元焊盘(5)、半导体加热电极(6)关于坐标轴呈中心对称结构； 三、氧化铝绝缘层(7)关于坐标轴呈中心对称结构； 四、环境参数传感器单元(8)和凹槽(12)关于坐标轴呈中心对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热温度可调的环境参数集成传感器高集成度的设计:环境参数传感器单元(8 )、环境温湿度传感器(9 )和加热温度传感器单元(10 )这11个传感器单元分布在8000MmX8000Mm的平面上。
【文档编号】G01D21/02GK104390667SQ201410777315
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】施云波, 兰云萍, 冯侨华, 赵文杰, 王欣 申请人:哈尔滨理工大学