一种矿用MEMS风速计电绝缘自清洁封装方法技术领域
本发明涉及矿用MEMS风速计，具体是一种矿用MEMS风速计电绝缘自清洁封装方
法。
背景技术
煤炭企业是高危行业，安全生产是煤矿生产的重中之重，其中矿井通风系统是矿
井生产系统的重要组成部分，矿井通风系统的状况决定着整个矿井的安全程度；同时，矿井
通风系统也是"一通三防"（通风，防瓦斯，防煤尘，防火）的基础。矿井巷道纵横交错、互相贯
通，为保证风流沿着需要的方向和路线流动，在某些巷道中设置对风流控制的通风设施。如
若这些设施出现故障，起不到应该起的作用，就会出现风流紊乱以及有害气体涌出等现象
而导致通风系统的毁坏，甚至诱发重大灾害事故。所以，面对可能出现的气流紊乱，对在潮
湿、多尘、易燃爆的矿井环境下通风进行二维矢量风速实时监测提出了挑战与需求。
仿荷叶自洁效应的疏水处理方式是仿生结构领域研究热点。荷叶翻模方式被多个
研究小组采用，制备出高疏水PDMS表面，接触角达156˚ ；基于聚多巴胺涂覆和钝化处理的
高疏水表面可在多种衬底如硅、金属和织物上实现，接触角达167°；Y. Liu 在其文章《A
new method for producing ‘Lotus Effect’ on a biomimetic shark skin.》中提出利
用加热处理方式在PDMS表面形成微纳结构，表面接触角达160˚；S. Nagappan在其文章
《Bio-inspired, multi-purpose and instant superhydrophobic–superoleophilic
lotus leaf powder hybrid micro–nanocomposites for selective oil spill
capture》中提出了了荷叶粉末和苯基代硅凝胶混合体，得到接触角高达175°的高疏水表
面。然而，这些仿荷叶疏水涂层如PDMS、聚多巴胺、硅凝胶、聚苯乙烯和硅纳米纤维等采用涂
覆方式，不适用于具有大台阶的可动传感器表面封装。
与此同时，Parylene（聚对二甲苯）薄膜的研究和应用得到飞速发展。Parylene是
一种化学惰性和电绝缘性能优异的薄膜材料，对水有极好的阻隔防护能力，在0.2μm厚时就
没有针孔，5μm时能耐l000V以上直流击穿电压。有不少研究针对Parylene薄膜的电绝缘性
和抗渗透性展开，这些特性引起了传感器领域的极大兴趣，至今已有多种传感器采用
Parylene进行绝缘防护，电容式压力传感器、光纤压力传感器、眼压传感器、葡萄糖监测器
件、RF MEMS器件、生物传感阵列、PH传感器、有机晶体管等。以上封装研究主要是针对
Parylene薄膜的抗渗透性和电绝缘性，没有关注Parylene薄膜疏水性问题。针对Parylene
薄膜的疏水改性方法，美国宾州州立大学A. Lakhtakia研究小组利用纤维式生长Parylene
薄膜进行疏水改性研究，潜在应用为生物医疗器件；美国密歇根州立大学W. Li研究小组提
出采用氧气与氟基等离子体依次对表面进行疏水处理，针对的是医疗器件与药物应用方面
的封装，以上研究未涉及微结构自清洁薄膜封装问题。
由于以上封装没有完全解决矿用MEMS风速计电绝缘自清洁封装的问题。所以，设
计传感器的矿用可靠性封装时，需要着重考虑其绝缘性、自清洁等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决矿用MEMS风速计的绝缘性与自清洁等技术瓶颈问题，提
出一种矿用MEMS风速计电绝缘自清洁封装方法。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种矿用MEMS风速计电绝缘自清洁封装方
法，包括以下步骤：（a）Parylene薄膜淀积：在压焊引线并集成纤毛的矢量风速计外表面上
采用CVD方法（化学气相沉积）淀积2微米厚的Parylene薄膜；（b）利用ICP刻蚀机对Parylene
薄膜进行加工，采用SF6进行等离子体处理，ICP刻蚀机的设置如下：腔室压力设为30mT，上
下电极射频功率分别为700w和45w，SF6的流量为90sccm，在20℃的温度下经过420s即可完
成刻蚀，此时在Parylene薄膜表面就形成高疏水表面。
针对矿井潮湿、多尘、易燃爆的环境，本发明提出一种仿荷叶自洁效应的高疏水绝
缘薄膜封装，利用Parylene薄膜的淀积高保形性、低渗透性和高绝缘性，实现电绝缘，利用
氟基等离子体处理技术对Parylene薄膜进行表面改性，增强薄膜疏水性，实现自清洁。该发
明研究为发展可应用于复杂矿井环境通风实时监测的二维矢量风速计提供了有力的技术
支持。
本发明在压焊引线并集成纤毛的矢量风速计上CVD淀积Parylene薄膜，由于淀积
的高度保形性，会在器件表面上保形均匀淀积一层Parylene绝缘薄膜，包括纤毛表面、压焊
引线表面、悬臂梁正面和背面等，使得引线与水汽和导电粉尘绝缘的同时，也有利于纤毛与
引线的保护与稳固。这里，需要综合考虑薄膜绝缘性、灵敏度和谐振频率，优化Parylene薄
膜厚度。
利用Ansys软件分析本发明所述风速计在声压作用下的应力分布，如图2所示，可
推算出灵敏度。
通过2μm Parylene薄膜淀积前后风速计应力分布的仿真数据，分析得到在相同声
压作用下，Parylene薄膜淀积前后的灵敏度差别小于1%，影响很小。
在结构上保形淀积一层Parylene薄膜，形成了多层复合材料的悬臂梁，对悬臂梁
结构的等效厚度和等效弹性系数有所影响，也就影响了结构的谐振频率。
在无阻尼情况下，Ansys仿真分析2μm Parylene淀积前后结构的谐振频率，如图3
所示。
由仿真结果可知，无阻尼情况下Parylene淀积前后结构的谐振频率分别为2150Hz
与2285Hz。Parylene薄膜淀积对风速计无阻尼谐振频率有一定程度的提高。
本发明所述技术方案采用SF6等离子处理在Parylene薄膜表面形成高疏水表面，
高疏水表面形成主要是由于两方面的原因：大幅增加表面粗糙度；氟基等离子体与
Parylene表面形成的化学键具有疏水特性。使用过程中，可采用定期自动喷雾装置对器件
表面清洗器件表面，器件表面的尘埃随着水滴流走。
众所周知，喷洒在荷叶表面上的水不会铺展开，而是形成了一个个圆球形的水滴。
水滴可以在荷叶表面上自由地滚动，并带走荷叶表面上的杂物或者灰尘，从而实现了荷叶
表面自清洁的目的。基于这一现象，可以使用水滴或者其他的液滴冲洗被杂物或者灰尘污
染的固体表面的办法来检测该固体表面的自清洁能力。
本发明所采用的绝缘自清洁封装方法，所采用的工艺参数能够确保薄膜具有高疏
水表面，同时具有优良的绝缘性能。parylene薄膜本身便具有不错的疏水性能，接触角也达
到了85°。实验表明，通过氟基等离子体处理Parylene薄膜，会在Parylene薄膜表面形成-
CF-、-F-C-Cl-、-CF2-、-CF3-等高疏水基团，能有效降低Parylene表面能，接触角提高到了
136°，有效提高了Parylene薄膜的疏水性。通过摸索调整氟基等离子体处理的工艺参数（功
率、气体配比、气体流速、处理时间），使得疏水效果最佳，适合于高疏水Parylene薄膜封装
风速计。
本发明前期工作已经证实了2μm厚的薄膜可以保形淀积在集成纤毛、压焊引线的
矢量风速计上，且淀积后的风速计绝缘性能良好，在盐水中浸泡24个小时后，压阻两端阻抗
没有变化。
本发明与现有技术相比的优点在于：现有的研究未涉及微结构自清洁薄膜封装问
题。本发明提出的矿用MEMS风速计电绝缘自清洁封装方法，利用Parylene薄膜的绝缘性，基
于仿荷叶自洁效应的疏水处理方式，采用SF6等离子处理在Parylene薄膜表面形成高疏水
表面，实现了微结构的电绝缘自清洁。具有一致性好、可批量加工的优点。
附图说明
图1 本发明所述矢量风速计的结构示意图。
1-硅纤毛；2-十字梁；3-金属引线，4-自动喷雾装置。
图2本发明所述风速计在声压作用下的应力分布仿真。
图3 Parylene淀积前后风速计的谐振频率仿真，左侧为淀积前，右侧为淀积后。
具体实施方式
一种矿用MEMS风速计电绝缘自清洁封装方法，包括以下步骤：（a）Parylene薄膜淀
积：将矢量风速计放入薄膜淀积系统，加入3.2克parylene颗粒到薄膜淀积系统的料槽中，
开启parylene薄膜淀积系统，在-100℃温度下经过2小时后，矢量风速计表面就淀积了一层
2微米的致密parylene薄膜（该步骤所需的仪器是SCS公司生产的，型号为PDS2010）；（b）利
用ICP刻蚀机对Parylene薄膜进行加工，采用SF6进行等离子体处理，ICP刻蚀机的设置如
下：腔室压力设为30mT（1mT为0.133Pa，30mT为3.99Pa，约为0.00004个大气压），上下电极射
频功率分别为700w和45w，SF6的流量为90sccm，在20℃的温度下经过420s即可完成刻蚀，此
时在Parylene薄膜表面就形成高疏水表面。ICP刻蚀机是北方微电子公司生产的，型号为
GSE200PLUS。
步骤（a）中是将矢量风速计引线后放入parylene薄膜淀积系统中，只有在上述工
艺条件下，才能够在矢量风速计的表面形成一层2微米的致密parylene薄膜，并为后续的等
离子体刻蚀工艺提供必要的技术基础； ICP刻蚀机采用本发明所述的工艺参数才能够最终
得到具有高疏水特性的表面。
如图1所示，所述矢量风速计包括硅纤毛（1）；十字梁（2）；金属引线（3），本申请所
述的矢量风速计结构与中国专利ZL2010105815443中的三维矢量水听器结构一致。
本发明所述的风速计采用硅纤毛-十字梁结构，实现二了维风速的探测，探测机理
为：当风流作用于纤毛时，纤毛的摆动导致十字梁发生应力应变，从而导致十字梁上压敏电
阻阻值发生变化，通过惠斯通电桥提取该变化分析风流的大小和方向，从而得到二维风速
信息。
通过在硅纤毛-十字梁结构上保形淀积Parylene薄膜，利用氟基气体处理
Parylene薄膜表面，增强其表面疏水性，得到一层高疏水均匀Parylene薄膜。
由于Parylene薄膜具有优异的电绝缘和抗水汽渗透的特性，可实现良好的电绝缘
效果；使用过程中，可采用定期自动喷雾装置对器件表面清洗器件表面，利用表面高疏水
性，仿荷叶自清洁效应，器件表面的尘埃随着水滴流走，如图1所示。
本发明提出的矿用MEMS风速计电绝缘自清洁封装方法，具有一致性好、可批量加
工的优点。