CN101980026B - 圆形硅膜二维风速风向传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的圆形硅膜二维风速风向传感器采用圆形的半导体硅薄膜作为传感面，采用圆形的半导体硅薄膜(104)作为传感面，传感器的最下层是半导体硅衬底(101)，在硅衬底(101)上设置一排发热电阻(102)，在具有发热电阻(102)的硅衬底(101)之上设置二氧化硅绝缘层(103)，在二氧化硅绝缘层(103)之上设置半导体硅薄膜(104)，金属电极(105)沿着圆形的半导体硅薄膜(104)边界一周均匀分布；利用热分布变化引起半导体薄膜电阻率分布变化的原理测量风速和风向。
Description
技术领域
本发明提供了一种二维风速风向传感器，利用电阻抗断层成像(EIT)测量原理进行传感计算，以圆形半导体硅薄膜作为传感薄膜。基于热损失方式工作，以热分布变化所产生的半导体硅薄膜电阻率分布的变化计算风速大小和风的方向。
技术背景
风速风向传感器是重要的传感器之一，有着非常广泛的用途。目前的大多数风速风向传感器采用集总参数的测量方法，例如，检测热敏电阻变化或平板电容变化的方法。无法直接定量表示传感结构面上各点的风速和风向。
半导体材料具有温度特性，对于具有原始热分布的半导体薄膜，在薄膜面上的空气流动必然导致热分布变化，进而引起半导体薄膜电阻率分布的变化，通过检测薄膜上各点电阻率变化的大小和位置，可以计算得到风速的大小和风向。
电阻抗断层成像(EIT)技术采用电流激励/电压测量，并通过成像算法计算待检测材料的电阻率分布。
利用EIT技术计算传感薄膜材料电阻率分布变化，进而进行风速风向传感计算的传感器结构。利用整个传感薄膜材料电阻率分布的变化对外界物理量进行传感表征，可以反映传感薄膜材料面上任意点的电阻率参数的变化。
发明内容
技术问题：本发明提出了一种二维风速风向传感器结构，该传感器以圆形的半导体硅薄膜为传感材料，利用EIT技术计算传感薄膜材料电阻率分布变化，进而进行风速风向传感计算。
技术方案：本发明提出的二维风速风向传感器利用硅薄膜各点热损失不同引起热分布变化，进而导致电阻率变化的原理测量风速和风向。其结构特征在于采用圆形的半导体硅薄膜作为传感面，传感器的最下层是半导体硅衬底，在硅衬底上设置一排发热电阻，在具有发热电阻的硅衬底之上设置二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层之上设置半导体硅薄膜，金属电极沿着圆形的半导体硅薄膜边界一周均匀分布；由发热电阻产生的热量形成圆形的半导体硅薄膜电阻率的初始分布，流动的空气移动了热量并导致矩形的半导体硅薄膜电阻率分布发生变化，利用热分布变化引起半导体薄膜电阻率分布变化的原理测量风速和风向。
其传感原理是：在具有初始热分布的圆形半导体硅薄膜传感面上的空气流动导致热分布变化，进而引起电阻率分布的变化，通过检测电阻率变化大小和位置计算得到气流的大小和方向。具有传感器结构简单、加工工艺简单的特点。
工作时，首先通过两个发热电阻连接电极对衬底上的发热电阻施加电流产生热量，使得半导体硅薄膜形成初始电阻率分布。当有空气流过半导体硅薄膜表面时，因为热量的流失将使热场分布发生变化，并既而使半导体硅薄膜各点的载流子浓度发生变化，产生电阻率分布的变化。根据各点电阻率的大小定量计算风速大小和风向。
有益效果：本发明的最大优点在于传感器结构简单，对加工工艺的灵敏度低。因为采用电阻率分布变化来检测风速和方向，因此，是对于变化的相对值进行检测。不同于传统的基于特定点的参数采样或者对集总参数采样的传感方式，它能够真实地反映传感面上场的分布情况，因为是对整个传感区(面)进行计算，因此，制作误差被平均化，减小了系统误差。同时，本底电阻率分布可以作为基本参考，将实测分布与其进行相减，可以完全滤出初始工艺误差。基于算法的信息处理方法更易实现智能化。
附图说明
图1是传感器结构示意图，
图2是图1中A-A断面图，
图3是图1中B-B断面图。
其中有：半导体硅衬底101，发热电阻102，二氧化硅绝缘层103；圆形的半导体硅薄膜104；16个电流激励和电压检测的金属电极105，发热电阻的连接电极106，发热电阻的连接电极引线孔107。
具体实施方式
采用圆形的半导体硅薄膜104作为传感面。图1给出了传感器结构示意图。传感器的最下层是半导体硅衬底101，在硅衬底101上制作发热电阻102(图中虚线绘制的折弯型图形)，在具有发热电阻102的硅衬底101之上是二氧化硅绝缘层103，二氧化硅绝缘层103之上是半导体硅薄膜104。半导体硅薄膜104形状为圆形，沿着圆形边界一周均匀分布着16个即可用于电流激励也可用于电压测量的由金属制作的测试电极。
本发明的传感器有多种制作方法，这里以采用常规半导体器件工艺制作本发明的传感器进行说明。其中的圆形半导体硅薄膜采用P型多晶硅，同理，也可以采用N型多晶硅。
首先选择N型半导体硅片101。热生长300纳米厚度的氧化层后通过光刻工艺形成发热电阻102图形。采用离子注入或热扩散方法在发热电阻102图形区域掺入P型杂质，浓度控制方块电阻为200欧姆/口。去除所有氧化层以保证表面的平整性。再热生长500纳米氧化层103。采用低压化学气相沉积技术淀积1微米左右的多晶硅，对多晶硅进行P型掺杂，掺杂浓度控制在5E18/cm3左右。采用光刻工艺形成圆形P型半导体薄膜104。采用光刻工艺制作发热电阻的引线孔107。采用溅射工艺在表面沉积一层金属铝，光刻形成16个金属电极105和2个发热电阻的连接电极106。
Claims (2)
1.一种圆形硅膜二维风速风向传感器，其特征在于采用圆形的半导体硅薄膜(104)作为传感面，传感器的最下层是半导体硅衬底(101)，在半导体硅衬底(101)上设置一排发热电阻(102)，在具有发热电阻(102)的半导体硅衬底(101)之上设置二氧化硅绝缘层(103)，在二氧化硅绝缘层(103)之上设置半导体硅薄膜(104)，金属电极(105)沿着圆形的半导体硅薄膜(104)边界一周均匀分布；利用电阻抗断层成像EIT技术计算半导体硅薄膜电阻率分布变化，进而进行风速风向传感计算。
2.如权利要求1所述的圆形硅膜二维风速风向传感器，其特征在于所述的金属电极(105)有16个。
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