CN101059528A - 十字架结构的二维风速风向传感器及其制备方法 - Google Patents

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十字架结构的二维风速风向传感器涉及一种基于微机械(MEMS)剥离工艺的二维热膜风速风向传感器，尤其是采用玻璃，陶瓷等非硅材料作为衬底制备的热膜风速传感器。该传感器采用玻璃衬底，中央的加热电阻(1)为十字架结构。第一测温电阻(2)，第二测温电阻(3)，第三测温电阻(4)，第四测温电阻(5)，分别对称分布在十字架结构加热电阻之间。通过测量四个测温电阻两两之间的温度差，就可以反映风速风向信息。该传感器具有工艺简单可靠，灵敏度高，低功耗，响应时间快等优点。

Description

十字架结构的二维风速风向传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于微机械(MEMS)剥离工艺的二维热膜风速风向传感器，尤其是采用玻璃，陶瓷等非硅材料作为衬底制备的热膜风速传感器。
背景技术
风速、风向是气象测量中非常重要的组成部分。众所周知，利用机械加工的风杯和风向标虽然也能测量风速和风向，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积较大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。基于MEMS加工技术的微型流速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来流体传感器研究的热点。Van Putten(人名)在1974年提出了第一个基于硅微加工技术的热线式流量传感器。为了同时测量风速和风向信息，Honeywell(公司名)等提出了基于热温差原理的热流量传感器。Huijsing(人名)等人提出了正方形加热条结构的风速传感器，其采用热电堆测量温差，可以测量二维的风速和风向。但是，由于硅衬底的高热导率，这类传感器的功耗较大，灵敏度较低。采用背面腐蚀或者正面腐蚀的方法形成绝热薄膜，可以提高灵敏度，但是结构易损坏，不利于后道工艺和封装。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种十字架结构的二维风速风向传感器及其制备方法，该传感器灵敏度较现有文献中有较大提高。同时，十字架结构的加热条设计，使得传感器可以同时得到两组风向测量值，从而可以提高风向测量精度。
技术方案：本发明提出的十字架结构二维风速风向传感器利用热温差原理测量风速和风向。为了减小热膜风速传感器的衬底热传导，提高传感器的灵敏度，芯片采用低热导率的玻璃衬底。同时，采用物理特性稳定的铂作为加热和测温元件，其可以通过剥离工艺进行加工。为了便于压焊和引线，在焊盘处淀积一层金。
该传感器采用玻璃衬底，中央的加热电阻为十字架结构。第一测温电阻，第二测温电阻，第三测温电阻，第四测温电阻，分别对称分布在十字架结构加热电阻之间。对称分布在玻璃衬底周围的16个压焊块，对加热电阻和四个测温电阻进行分别引出。当风吹过加热芯片时，在芯片表面形成一个温度场。通过测量四个测温电阻两两之间的温度差，就可以反映风速风向信息。通过取平均值，可以减小风向测量误差。
制备方法工艺步骤为：
a)在PREX7740玻璃衬底上淀积500A的钛和2000A的铂，利用金属剥离工艺形成十字架结构加热电阻、第一测温电阻、第二测温电阻、第三测温电阻、第四测温电阻和压焊块的图形；
b)在压焊块图形处利用剥离工艺形成3000A的金层。
除了上面提出的工艺制备方法以外，本传感器的衬底也可采用陶瓷或其它低热导率的材料，加热电阻和四个测温电阻利用剥离工艺制作的铂、镍或者其它高温度系数的金属电阻。
有益效果：基于硅微机械加工的热流量传感器，由于硅衬底的高热导率，使得传感器的功耗较大，灵敏度较低，响应时间也较长。此外，为了提高灵敏度，隔热薄膜需要利用标准IC工艺和MEMS后处理的方法才能完成。本发明利用两次金属剥离工艺就可以完成传感器的加工，工艺步骤简单可靠。同时由于采用了低热导率，低热容的玻璃衬底，不仅提高了灵敏度，而且减小了功耗和响应时间。
十字架结构的设计，可以同时完成两组风向测量，减小了风向测量误差。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图中有：加热电阻1，第一测温电阻2，第二测温电阻3，第三测温电阻4，第四测温电阻5，压焊快6。
具体实施方式
本发明是一种十字架结构的二维风速风向传感器。该传感器采用玻璃衬底，在玻璃衬底上设有十字架结构加热电阻1，第一测温电阻2，第二测温电阻3，第三测温电阻4，第四测温电阻5，分别对称分布在十字架结构加热电阻1之间；对称分布在玻璃衬底周围的16个压焊块，对加热电阻和四个测温电阻进行分别引出。衬底采用玻璃、陶瓷或其它低热导率的材料。四个测温电阻为利用剥离工艺制作的铂、镍或其它高温度系数的金属电阻。
当风吹过加热芯片时，十字架加热条周围的温度场可以看成两个一维无限长热源温度场的叠加。第一测温电阻2与第四测温电阻5之间的温度差Tx1，第一测温电阻2与第二测温电阻3之间的温度差Ty1可以作为一组风速风向测量；同样，第一测温电阻2和第三测温电阻4之间的温度差Tx2，第二测温电阻3和第四测温电阻5之间的温度差Ty2也可以作为一组风速风向测量。两组测量值之间相差45度。通过数值计算，可以得到风速和风向。
本传感器的制作过程为：准备PREX7740玻璃衬底；在PREX7740玻璃衬底上淀积500A的钛和2000A的铂，利用金属剥离工艺形成十字架结构加热电阻1、第一测温电阻2、第二测温电阻3、第三测温电阻4、第四测温电阻5和压焊块6的图形；在压焊块6图形处利用剥离工艺形成3000A的金层。

Claims (4)

1.一种十字架结构的二维风速风向传感器，其特征在于该传感器采用玻璃衬底，中央的加热电阻(1)为十字架结构。第一测温电阻(2)，第二测温电阻(3)，第三测温电阻(4)，第四测温电阻(5)，分别对称分布在十字架结构加热电阻之间。对称分布在玻璃衬底周围的16个压焊块(6)，对加热电阻和四个测温电阻进行分别引出。
2.根据权利要求1所述的十字架结构的二维风速风向传感器，其特征在于衬底采用陶瓷或其它低热导率的材料。
3.根据权利要求1或2所述的十字架结构的二维风速风向传感器，其特征在于加热电阻(1)、第一测温电阻(2)、第二测温电阻(3)、第三测温电阻(4)和第四测温电阻(5)为利用剥离工艺制作的镍或者其它高温度系数金属电阻。
4.根据权利要求1所述的十字架结构的二维风速风向传感器的制备方法，其特征在于采用如下工艺步骤：
a)在PREX7740玻璃衬底上淀积500A的钛和2000A的铂，利用金属剥离工艺形成十字架结构加热电阻(1)、第一测温电阻(2)、第二测温电阻(3)、第三测温电阻(4)、第四测温电阻(5)和压焊块(6)的图形；
b)在压焊块(6)图形处利用剥离工艺形成3000A的金层。
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