Two Micro Thermal Shear Stress Sensors: Surface Micromachined and Bulk-bonding Micromachined 

　　Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS 7（4）,1 （Oct–Dec 2008） 

　　Authors:Shali Shi,Liang Yi,Dapeng Chen,Yi Ou,Yupeng Jing,Tianchun Ye　

　　Abstract.　

　　We describe two fabricated microthermal shear stress sensors by antiadhesion surface technology and anodic bulk-bonding　

　　technology.　

　　Two sensors are based on thermal transfer principles with adiabatic structures. The thermal sensor element is a titanium- 

　　platinum alloy resistor sputtered on the top of a low pressure chemical vapor deposited (LPCVD) silicon nitride diaphragm with　

　　an adiabatic vacuum cavity underneath. The surface micromachined thermal shear stress sensor uses microbumps on the silicon　

　　substrate in the sacrificial layer technology to prevent the silicon nitride diaphragm’s stiction to the substrate.　

　　Microbumps formed by isotropic silicon etching in HNA (the system HF, HNO3, and HC2H3O2)are arrayed in several points on the　

　　silicon substrate with distances of 147 um in the (200*250)-um2*1.5-um vacuum cavity. This cavity is formed by LPCVD silicon　

　　nitride film sealing with 30-Pa vacuum degree. The anodic bulk-bonding micro-machined thermal shear stress sensor uses bulk　

　　silicon substrate etching and anodic bonding to form the (200*250)-um2*400-um high aspect ratio cavity with 5*10-2 Pa vacuum　

　　degree. The titanium platinum alloy resistor, (200*250)-um2*0.2 um, sputtered on the top of the 1.5-um-thick LPCVD silicon　

　　nitride diaphragm with this bonding chamber, has a temperature coefficient of resistance (TCR) value of 0.33%/□. According to　

　　the comparison of the adiabatic characteristics among three cases—a titanium platinum alloy resistor located over the high　

　　aspect ratio 5*10-2 Pa vacuum cavity, over the 30-Pa vacuum cavity, and directly on top of the substrate—the first case has　

　　the best adiabatic characteristic: the titanium platinum alloy resistor located over the 5*10-2-Pa vacuum cavity has the　

　　maximum thermal resistance of 5362 °C/W. Besides the sensor sensitivity performances, it has a comparatively short time　

　　constant with value of 0.1 ms under the constant current (CC)mode driving circuit. Accordingly, the bulk-bonding micro- 

　　machined sensor is selected as the winner for output calibration with a typical sensitivity of 15.63 V/kPa under CC mode.