CN101509788B - 电容式硅微机械雨量传感器 - Google Patents
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Abstract
电容式硅微机械雨量传感器采用单晶硅膜(1)作为敏感材料，采用绝缘材料玻璃或陶瓷(3)作为绝缘衬底，用高掺杂的硅质量块(6)的下表面作为电容上电极，在硅质量块(6)的上表面是一层氧化硅(4)，绝缘衬底上溅射的金属(2)作为电容的下电极，上下电极图形一致，由多个单元形成一个2×2以上的二维阵列，衬底与硅质量块(6)用导电胶(5)进行组装，器件制作完成之后，进行引线键合，然后在传感器上表面均匀涂敷一层硅橡胶使其完全密封。本传感器是将雨水的冲击力转换成压敏电容信号，根据电容的变化量间接检测雨量的大小。该传感器灵敏度高，温度稳定性好，体积小，便携性好，成本低的优点，能广泛应用于各种场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微机械(MEMS)硅体加工的雨量传感器，尤其是采用硅作为敏感材料，玻璃或陶瓷等非硅材料作为衬底的电容式雨量传感器。
背景技术
迄今为止，国内外已经投入使用的固态存储雨量计大部分是由翻斗式传感器与固态数据采集记录装置---固态存储记录仪(以下简称记录仪)连接组成。翻斗式雨量计有两种形式-双翻斗式和单翻斗式，目前分别用于II型站和CAWS型站。
现有固态存储雨量计存在着明显的缺陷和不足，主要是传感技术落后于信息处理技术。现有翻斗式雨量传感器结构简单、无功耗的突出优点使其得到广泛推广使用，但该传感器自身固有的缺陷和不足之处十分明显和突出，如：测量精度差、测量误差随雨强变化剧烈、受外界随机因素影响大、仪器安装调整烦琐，使用中规范检定困难，由于存在可动结构需要经常清理和维护等等。在其他的方面各种新型的雨量传感器得到了大量的应用，如用于化工业，建筑和车辆上的雨量传感器。在雨量传感器中常用的测量原理有(1)重量(2)光学变化(3)电容(4)电阻。
比较典型的是自动控制汽车刮水系统的雨量传感器。该雨量传感器检测雨量的方法主要有电容式、红外散射式。正常天气情况下，目前的电容式雨量传感器有一固定的电容值，当有雨下到电容的栅极之间时，改变了电容的介电常数从而改变电容值，以此判断雨量的大小。红外散射式是目前产品化雨量传感器的主要工作方式，传感器自身发出的红外光线透过玻璃入射到玻璃外表面，当有雨时，雨滴对光产生散射，从玻璃射回传感器接收端的光线变弱， 从而判断是否下雨、雨量大小。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种电容式硅微机械雨量传感器，该传感器由于采用体硅薄膜作为敏感材料，采用绝缘材料作为衬底，大大减少了寄生电容的影响。同时所有引线都从绝缘衬底上引出，简化了工艺。采用带有厚板的敏感膜结构，使电容间距大大缩小，提高了测量灵敏度。
技术方案：本发明的电容式硅微机械雨量传感器采用单晶硅膜作为敏感材料，采用绝缘材料玻璃或陶瓷作为绝缘衬底，用高掺杂的硅质量块的下表面作为电容上电极，在硅质量块的上表面是一层氧化硅，绝缘衬底上溅射的金属作为电容的下电极，上下电极图形一致，由多个单元形成一个2×2以上的二维阵列，且单元并联在一起，衬底与硅质量块用导电胶进行组装，器件制作完成之后，进行引线键合，然后在传感器上表面均匀涂敷一层硅橡胶使其完全密封。采用单晶硅膜作为敏感部分，同时作为电容的一个电极，且该电极在绝缘衬底上直接引出。电容阵列单元中敏感膜都带有厚的硅质量块(6)，以减小与下电极的间距。
有益效果：我国乃至世界大量采用的降水传感器是翻斗式和虹吸式雨量传感器。它们都存在明显的不足之处。比如系统笨重，安装繁琐，成本高，只适用于专业性测量。与传统的传感器相比，电容式硅微机械雨量传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能.由于采用绝缘材料作为衬底，大大减少了寄生电容的影响。同时所有引线都从绝缘衬底上引出，简化了工艺，采用采用带有厚板的敏感膜结构，使电容间距大大缩小，提高了测量灵敏度，总之电容式硅微机械雨量传感器具有灵敏度高，温度稳定性好，线性度高，可实现数字化输出等优点。
附图说明
图1是本发明的单元结构示意图，图中有：单晶硅膜1，金属2，玻璃或陶瓷3，氧化硅4，导电胶5，硅质量块6。
图2为一个3×3结构的雨量传感器的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的电容式硅微机械雨量传感器利用压敏电容将降雨的大小转变为压力引起的弹性膜的形变，再将形变转变为电容的输出，通过检测雨水冲击作用间造成的电容的变化间接测量雨量的大小。为了减小寄生电容，采用绝缘材料玻璃或者陶瓷作为衬底。为了提高电容的灵敏度，采用带有厚板的敏感膜结构，缩小了电容间的间距。
为了统计雨量的降水率，传感器由多个基本结构组成，并且每个电容单元的结构都完全相同。每个结构如附图1所示，形成n×n阵列，每个单元为一独立的测量单元，通过电路读取和数据处理，可以测出雨在传感器上的大小分布，进而根据测量时间，可统计出雨量的降水量，同时还可根据分布情况，计算出是否冰雹或雨或雪等。电容上下电极分别由高掺杂的硅以及玻璃上溅射的金属铝电极构成。当上电极表面受到雨水冲击时，电容间距便会发生变化，致使输出的电容变化。
本发明是一种电容结构的雨量传感器。其基本单元由高掺杂的硅以及玻璃上溅射的金属铝电极构成的压敏电容组成。压敏电容单元中受力发生形变的部分主要是上电极，这部分主要是带有质量块的周边固置方形膜结构。当受到雨水冲击时，电容间距便会发生变化。
该传感器采用单晶硅膜1作为敏感材料，采用绝缘材料玻璃或陶瓷3作为绝缘衬底，用高掺杂的硅质量块6的下表面作为电容上电极，在硅质量块6的上表面是一层氧化硅4，绝缘衬底上溅射的金属2作为电容的下电极，上下电极图形一致，由多个单元形成一个2×2以上的二维阵列，衬底与硅质量块6用导电胶5进行组装，器件制作完成之后，进行引线键合，然后在传感器上表面均匀涂敷一层硅橡胶使其完全密封。
本传感器的制作过程为：器件采用MEMS体硅工艺制作。选取4英寸p型(100)单晶低阻硅片，厚度515μm和4英寸的7740玻璃圆片。
(a)硅片首先热氧化；
(b)背面光刻硅片，去掉背面氧化层，然后以SiO2做掩膜用TMAH腐蚀出10μm的浅槽作为电容极板的间距；
(c)再次热氧化硅片；
(d)第二次背面光刻，去掉背面氧化层，TMAH腐蚀，用时间自停止实现带质量块的硅膜；
(e)在玻璃表面溅射一层金属；
(f)光刻、腐蚀金属形成下电极；
(g)玻璃与硅片面对面贴合并用有机硅橡胶包封保护。
Claims (3)
1.一种电容式硅微机械雨量传感器，其特征在于该传感器采用单晶硅膜(1)作为敏感材料，采用绝缘材料玻璃或陶瓷(3)作为绝缘衬底，用高掺杂的硅质量块(6)的下表面作为电容上电极，在硅质量块(6)的上表面是一层氧化硅(4)，绝缘衬底上溅射的金属(2)作为电容的下电极，上下电极图形一致，由多个单元形成一个2×2以上的二维阵列，且单元并联在一起，衬底与硅质量块(6)用导电胶(5)进行组装，器件制作完成之后，进行引线键合，然后在传感器上表面均匀涂敷一层硅橡胶使其完全密封。
2.根据权利要求1所述的电容式硅微机械雨量传感器，其特征在于采用单晶硅膜(1)作为敏感部分，同时作为电容的一个电极，且该电极在绝缘衬底上直接引出。
3.根据权利要求1或2所述的电容式硅微机械雨量传感器，其特征在于电容阵列单元中敏感膜都带有厚的硅质量块(6)，以减小与下电极的间距。
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