CN101021571A - 阵列式多参数风传感器芯片基板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

阵列式多参数风传感器芯片基板及其制作方法，涉及到风传感器领域。本发明解决了现有技术中存在的测量功能单一、热场影响大、不稳定、热平衡时间长的问题。阵列式多参数风传感器芯片基板由基板、n个加热元件、m个热敏元件以及若干个隔热沟槽组成，其中n是大于或等于2的自然数，m＝n+1，基板是圆形或者正多边形的非导体平板，在基板的背面固定n个以中心点对称的加热元件，在每相邻的两个加热元件中间，刻有隔热沟槽，在基板的正面，与n个加热元件的位置对应固定有n个热敏元件，在基板正面的中心固定有一个热敏元件，在每相邻的两个热敏元件之间，刻有隔热沟槽。本发明的阵列式多参数风传感器芯片基板可以应用到风传感器以及风参数测量系统中。

Description

阵列式多参数风传感器芯片基板及其制作方法

技术领域

本发明涉及到传感器领域，具体涉及到风参数的测量传感器及其制作方法。

背景技术

风参数的测量是一种重要参数的测量，包括风温、风量、风速、风向等参数。在净化环境、工业卫生、室内清洁系统、气象、生物医学、航海、航空、渔业和农业以及风力发电站及体育运动场馆等方面，以及汽车、抽风机、鼓风机、空调设备等都需要进行多点空气流的测量。对于有些领域来说，只需要一种或几种参数的测量，多数情况下还是需要多种风参数的测量，包括风温、风量、风速、风向等参数，但现有的风参数传感器还没有能够同时测量这几种参数的传感器，在需要测量多种风参数的场所，目前只是通过同时使用风温传感器、风量传感器、风速传感器、风向传感器来采集风的参数，这给用户带来了许多不便。

现有的风速风向传感器多数是纯机械式的装置，例如，众所周知的利用风速杯来测量风速，利用风向标来测量风向等等，其传感部件大多是以机械类传感部件为主，此类传感器的校准非常复杂和频繁，另外，机械装置还具有移动部件易磨损、体积较大、测量精度不高、灵敏度较低、响应时间较长、价格昂贵以及日常维护量大等问题。

近期以来，人们也利用更高端的激光及声学原理研制风速计，但这类传感器的价格也是非常昂贵，不利于推广使用。

利用CMOS集成电路制造工艺及其新兴的MEMS体加工工艺技术来研制硅热流量传感器，具有体积小、易于集成化、可批量生产、精度高、不易损坏等优点，但是CMOS工艺繁琐，器件结构复杂。

热线式气体流量传感器是利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝来测量流体的流速、流量。随着数字技术的发展，这种传感器的连续测量的特点显得具有难以替代的优势，但由于热线式气体流量传感器受多个参量的影响，存在交叉灵敏度，从而，影响它的稳定性以及灵敏度，流量与电信号的对应关系是非线性的，需要进行补偿。近几十年，由于电子技术的飞速发展，各种补偿技术不断提高，使热线式流量传感器的精度大大提高，测量范围扩大，但热线一致性很差，难以进行批量生产；当测低流速流体时，热紊乱很大；热线抗污染腐蚀能力差，价格高，易损坏；测量中有电子噪声，导致热线式流量传感器的响应速度下降等因素限制了它的进一步发展。

伴随着微电子加工技术的发展以及MEMS技术的兴起，热膜式气体质量流量传感器成为新的研究焦点。热膜式气体质量流量传感器作为热线式气体流量传感器的改进产品，采用硅微机械加工技术，具有体积小、成本低、稳定性好、兼容性强、精确度高、功耗低、响应时间短等特点，但现有的热膜式气体质量流量传感器也只能测量风量一种参数。

发明内容

本发明的目的是为了解决了现有技术中存在的测量功能单一、热场影响大、不稳定、热平衡时间长等问题。

本发明的阵列式多参数风传感器芯片基板由基板、n个加热元件、m个热敏元件以及若干个隔热沟槽组成，其中所述n是大于或等于2的自然数，m＝n+1，所述基板是圆形或者正多边形的非导体平板，在基板的背面固定n个以中心点对称的加热元件，在每相邻的两个加热元件中间，刻有隔热沟槽，在基板的正面，与n个加热元件的位置对应固定有n个热敏元件，在基板正面的中心固定有一个热敏元件，在每相邻的两个热敏元件之间，刻有隔热沟槽。

本发明的阵列式多参数风传感器芯片基板的制作方法为：

第一步：清洗，首先对基板表面进行去油污清洗；

将去完油污的基板放入高温热水中煮；

对基板的表面进行抛光处理；

将抛光后的基板使用超声清洗；

将超声清洗后的基板进行烘干处理；

第二步：涂胶，用匀胶机在烘干后的基板上涂敷一层光刻胶；

第三步：烘干，将涂上光刻胶的基板放入干燥箱中，恒温烘干；

第四步：曝光，用双面对准曝光机，将加热元件阵列图形和热敏元件阵列图形的两个掩膜版与涂上光刻胶的基板的两面进行双面对准，然后上下同时曝光；

第五步：显影，将曝光后的基板在配置好的显影液中显影，然后放入去离子水中漂洗；

第六步：坚膜，用甩干机将显影后的基板甩干，然后将基板放入干燥箱中，恒温干燥烘烤；

第七步：反溅，将坚膜完毕的基板，放在超高真空多靶溅射镀膜机中的进样室进行反溅，得到的薄模式的加热元件和热敏元件；

第八步：刻槽，在反溅完成的基板的两面分别在每相邻的两个元件之间用激光刻出隔热沟槽。

本发明的阵列式多参数风传感器芯片基板可以同时测量风温、风量、风速、风向四种参数，同时还具有制作工艺简单、工艺兼容强、适宜批量生产、体积小、稳定性好、功耗低、响应速度快、测量精确度高的优点，可以应用到风传感器中以及风参数测量系统中。

使用本发明阵列式多参数风传感器芯片基板的风传感器能够广泛应用于在环保监测、气象预报、航海航空、渔业、农业、风力发电站以及体育运动场馆等需要测量多种风参数的场所，还可以应用到汽车、抽风机、鼓风机、空调等需要测量多种风的参数的设备中。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式中所述的m＝5的传感器芯片板的正面结构示意图；图2是图1的背面结构示意图；图3是本发明的具体实施方式中所述的m＝3的传感器芯片板的正面结构示意图；图4是图3的背面结构示意图；图5是本发明的具体实施方式中所述的m＝4的传感器芯片板的正面结构示意图；图6是图5的背面结构示意图；图7是本发明的具体实施方式中所述的m＝6的传感器芯片板的正面结构示意图；图8是图7的背面结构示意图；图9是本发明的具体实施方式中所述的m＝7传感器芯片板的正面结构示意图；图10是图9的背面结构示意图；图11是本发明的具体实施方式中所述的m＝8的传感器芯片板的正面结构示意图；图12是图11的背面结构示意图；图13是本发明的具体实施方式中所述的m＝9的传感器芯片板的正面结构示意图；14是图13的背面结构示意图。

具体实施方式

本实施方式的阵列式多参数风传感器芯片基板由基板1、n个加热元件2、m个热敏元件4以及若干个隔热沟槽3组成，其中所述n是大于或等于2的自然数，m＝n+1，所述基板1是圆形或者正多边形的非导体平板，在基板1的背面固定n个以中心点对称的加热元件2，在每相邻的两个加热元件2中间，刻有隔热沟槽3，在基板1的正面，与n个加热元件2的位置对应固定有n个热敏元件4，在基板1正面的中心固定有一个热敏元件4，在每相邻的两个热敏元件4之间，刻有隔热沟槽3。

在使用的时候，所述传感器芯片上的n个加热元件2并联连接，然后与加热电路连接，以保证所有加热元件2的工作电压的一致，传感器芯片上的m个热敏元件4的一端连接在一起，与m个热敏元件4的另一端，一共m+1个端子分别与测量电路的温度测量信号输入端连接。

基板1背面的n个加热元件2起到加热器的作用，基板1正面中心位置的热敏元件4，是测量环境温度，即风温的，基板1正面与n个加热元件位置对应的n个热敏元件4均匀分布在基板1的表面，n个加热元件2恒功率加热，使对应的n个热敏元件4的温度高于周围环境温度，当风吹过传感器芯片板表面时，所述n个热敏元件4的温度会由于强迫对流冷却而降低，温度的降低使热敏元件的阻值发生变化，通过测量和对比所述n个热敏元件4的阻值，可以同时获得风速和风向的信息，通过对比所述n个热敏元件4和基板1中心位置的一个热敏元件4的阻值可以获得风量信息。继而通过后续的变送器、单片机或微机对数据进行数据融合、建模实现风温、风量、风速、风向多参数同时测量的目的。

本实施方式的传感器芯片板采用加热元件2和热敏元件4以基板为对称平面对称固定的方式，不但可以使加热元件的热效率充分有效利用，还避免了加热元件对热敏元件测温的影响；本实施方式中传感器基板1上的隔热沟槽3是采用微机械加工技术制成的，可以减少加热元件2以及热敏元件之间的相互影响，能够大大降低传感器功耗，提高传感器测量风速及风向的灵敏度。

本实施方式的加热元件2和热敏元件4采用薄模式结构，其中加热元件选用镍铬合金或铂(Pt)金属，热敏元件选用铂(Pt)金属，铂是一种物理化学性能稳定的贵金属，可用作-259.34℃～630℃温区范围的标准温度传感器敏感材料，薄膜式铂温度传感器是该类传感器的研究主流和发展方向，具有尺寸小、响应快、机械性能好、线性好、精度高、易集成化等特点。

本实施方式的基板1可以采用三氧化二铝陶瓷、二氧化硅、玻璃、微晶玻璃等材料。

本实施方式的风向测量精度由热敏元件的个数决定，当m＝3的时候(参见图3、图4)，风向的测量精度≤45°，当m＝4的时候(参见图5、图6)，风向测量的精度≤30°，当m＝5的时候(参见图1、图2)，风向的测量精度≤25°，当m＝6的时候(参见图7、图8)，风向的测量精度≤15°，当m＝7的时候(参见图9、图10)，风向的测量精度≤10°，当m＝8的时候(参见图11、图12)，风向的测量精度≤7.5°，当m＝9的时候(参见图13、图14)，风向的测量精度≤5°。

本实施方式的风速测量范围在0m/s到20m/s之间，测量的响应时间小于1s，风温的测量精度能达到0.5℃以内，风速的测量精度能达到1％以内。

本实施方式的阵列式多参数风传感器芯片基板的制作方法为：

第一步：清洗，首先对基板表面进行去油污清洗；

将去完油污的基板放入高温热水中煮；

对基板的表面进行抛光处理；

将抛光后的基板使用超声清洗；

将超声清洗后的基板进行烘干处理；

第二步：涂胶，用匀胶机在烘干后的基板上涂敷一层光刻胶；

第三步：烘干，将涂上光刻胶的基板放入干燥箱中，恒温烘干；

第四步：曝光，用双面对准曝光机，将加热元件阵列图形和热敏元件阵列图形的两个掩膜版与涂上光刻胶的基板的两面进行双面对准，然后上下同时曝光；

第五步：显影，将曝光后的基板在配置好的显影液中显影，然后放入去离子水中漂洗；

第六步：坚膜：用甩干机将显影后的基板甩干，然后将基板放入干燥箱中，恒温干燥烘烤；

第七步：反溅：将坚膜完毕的基板，放在超高真空多靶溅射镀膜机中的进样室进行反溅，得到的薄模式的加热元件和热敏元件；

第八步：刻槽，在反溅完成的基板的两面分别在每相邻的两个元件之间用激光刻出隔热沟槽。

在第一步中，使用40～60℃丙酮或氢氧化钠去除基板表面的油污；将去完油污的基板放入100℃水中煮30min；然后使用硝酸对基板表面进行抛光。

在第二步中使用的光刻胶为BP212系列光刻胶，在2500rpm的条件下，得到2.5nm左右厚度的胶膜。

在第三步中使用DG/20-002A型台式干燥箱，在90℃温度下，恒温30min，对涂上光刻胶的基板进行烘干。

在第四步中选用SB-401B型双面对准曝光机对涂上光刻胶的基板进行曝光，曝光时间为30s。

在第五步中的显影时间为40s，在去离子水中漂洗30s。

在第六步中使用DG/20-002A型台式干燥箱，在120℃温度下对基板烘烤40min进行坚膜。

在第七步中使用JGP560C型超高真空多靶溅射镀膜机对坚膜后的基板进行反溅处理。

本实施方式的阵列式多参数风传感器芯片基板可以同时测量风温、风量、风速、风向四种参数，同时还具有制作工艺简单、工艺兼容强、适宜批量生产、体积小、稳定性好、功耗低、精确度高的优点。

Claims (9)

1、阵列式多参数风传感器芯片基板，其特征是它由基板(1)、n个加热元件(2)、m个热敏元件(4)以及若干个隔热沟槽(3)组成，其中所述n是大于或等于2的自然数，m＝n+1，所述基板(1)是圆形或者正多边形的非导体平板，在基板(1)的背面固定n个以中心点对称的加热元件(2)，在每相邻的两个加热元件(2)中间，刻有隔热沟槽(3)，在基板(1)的正面，与n个加热元件(2)的位置对应固定有n个热敏元件(4)，在基板(1)正面的中心固定有一个热敏元件(4)，在每相邻的两个热敏元件(4)之间，刻有隔热沟槽(3)。

2、根据权利要求1所述的阵列式多参数风传感器芯片基板，其特征在于所述基板(1)是由三氧化二铝陶瓷或者二氧化硅或者玻璃或者微晶玻璃材料制成。

3、根据权利要求1所述的阵列式多参数风传感器芯片基板，其特征在于所述加热元件(2)和热敏元件(4)采用薄模式结构。

4、根据权利要求1所述的阵列式多参数风传感器芯片基板，其特征在于所述加热元件是由镍铬合金或铂金属制成。

5、根据权利要求1所述的阵列式多参数风传感器芯片基板，其特征在于所述热敏元件选用铂金属制成。

6、阵列式多参数风传感器芯片基板的制作方法，其特征是具体步骤为：

第一步：清洗，首先对基板表面进行去油污清洗；

将去完油污的基板放入高温热水中煮；

对基板的表面进行抛光处理；

将抛光后的基板使用超声清洗；

将超声清洗后的基板进行烘干处理；

第二步：涂胶，用匀胶机在烘干后的基板上涂敷一层光刻胶；

第三步：烘干，将涂上光刻胶的基板放入干燥箱中，恒温烘干；

第四步：曝光，用双面对准曝光机，将加热元件阵列图形和热敏元件阵列图形的两个掩膜版与涂上光刻胶的基板的两面进行双面对准，然后上下同时曝光；

第五步：显影，将曝光后的基板在配置好的显影液中显影，然后放入去离子水中漂洗；

第六步：坚膜：用甩干机将显影后的基板甩干，然后将基板放入干燥箱中，恒温干燥烘烤，

第七步：反溅：将坚膜完毕的基板，放在超高真空多靶溅射镀膜机中的进样室进行反溅，得到的薄模式的加热元件和热敏元件，

第八步：刻槽，在反溅完成的基板的两面分别在每相邻的两个元件之间用激光刻出隔热沟槽。

7、根据权利要求6所述的阵列式多参数风传感器芯片基板的制作方法，其特征在于在所述第一步中，采用40～60℃丙酮或氢氧化钠去除基板表面的油污；所述高温热水的温度为100℃；采用硝酸对基板表面进行抛光。

8、根据权利要求6所述的阵列式多参数风传感器芯片基板的制作方法，其特征在于在所述第三步是在90℃温度下，恒温30min，对涂上光刻胶的基板进行烘干。

9、根据权利要求6所述的阵列式多参数风传感器芯片基板的制作方法，其特征在于在所述第六步中在120℃温度下对基板烘烤40min进行坚膜。

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