CN102175884B

CN102175884B - 一种高灵敏度二维风速风向传感器

Info

Publication number: CN102175884B
Application number: CN2011100319901A
Authority: CN
Inventors: 秦明; 胡尔同; 顾飞
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-01-30
Filing date: 2011-01-30
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2031-01-30
Also published as: CN102175884A

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度二维风速风向传感器，包括四个基本单元和一个硅衬底，每个基本单元包括加热电阻、测温电阻、第一外梁、第二外梁、第一内梁、第二内梁、第一焊接块、第二焊接块、第三焊接块和第四焊接块，加热电阻和测温电阻位于同一水平面，加热电阻连接在第一外梁前部的顶端和第二外梁前部的顶端之间，测温电阻连接在第一内梁前部的顶端和第二内梁前部的顶端之间，第一外梁前部、第二外梁前部、第一内梁前部和第二内梁前部均悬空；四个基本单元中的加热电阻在硅衬底上呈二维对称分布；四个基本单元中的测温电阻在硅衬底上呈二维对称分布。该结构的传感器结构简单、体积小，并且在测量风速风向时，具有高灵敏度和低功耗。

Description

一种高灵敏度二维风速风向传感器

技术领域

本发明涉及一种测量风速风向的传感器，具体来说，涉及一种高灵敏度二维风速风向传感器。

背景技术

风速和风向是反应气象情况非常重要的两个参数。对环境监测、空气调节和工农业生产有重要影响。因此，快速、准确的测量出风速和风向具有十分重要的现实意义。众所周知，虽然利用机械加工的风杯和风向标能够测量风速和风向，但是这些机械装置具有移动部件，而使得这些机械装置容易磨损、寿命短。同时这些机械装置体积大，价格昂贵，需要经常维护。典型超声风速传感器发射和探测接收头位置固定，因此相对结构也较大。基于微机械加工技术的微型流速传感器具有体积小、价格低和产品一致性好的优点，是近几年来流体传感器研究的热点。但是，由于硅衬底的高热导率，微型流速传感器的功耗较大，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：本发明所要解决的技术问题是，提供一种高灵敏度二维风速风向传感器，该传感器结构简单、体积小，并且在测量风速风向时，具有高灵敏度和低功耗。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明的高灵敏度二维风速风向传感器，包括四个基本单元和一个硅衬底，四个基本单元分布在硅衬底上；所述的每个基本单元包括加热电阻、测温电阻、第一外梁、第二外梁、第一内梁、第二内梁、第一焊接块、第二焊接块、第三焊接块和第四焊接块，第一焊接块、第二焊接块、第三焊接块和第四焊接块依次连接在硅衬底的上表面，加热电阻和测温电阻均由金属制成，加热电阻和测温电阻位于同一水平面，并且相互平行，加热电阻的长度大于测温电阻的长度，加热电阻和测温电阻具有同一中线；与加热电阻相比，测温电阻靠近硅衬底的边缘；加热电阻的一端与第一外梁前部的顶端连接，加热电阻的另一端与第二外梁前部的顶端连接；测温电阻的一端与第一内梁前部的顶端连接，测温电阻的另一端与第二内梁前部的顶端连接；第一外梁后部的尾端与第一焊接块连接，第二外梁后部的尾端与第四焊接块连接，第一内梁后部的尾端与第二焊接块连接，第二内梁后部的尾端与第三焊接块连接；第一外梁后部、第二外梁后部、第一内梁后部和第二内梁后部均与硅衬底相触，第一外梁前部、第二外梁前部、第一内梁前部和第二内梁前部均悬空；所述的四个基本单元中的加热电阻在硅衬底上呈二维对称分布；所述的四个基本单元中的测温电阻在硅衬底上呈二维对称分布。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果是：该传感器结构简单、体积小，并且在测量风速风向时，具有高灵敏度和低功耗。本技术方案的传感器，第一外梁前部、第二外梁前部、第一内梁前部和第二内梁前部向上弯曲，呈悬空结构。因此，连接在第一外梁前部和第二外梁前部之间的加热电阻，以及连接在第一内梁前部和第二内梁前部之间的测温电阻，都处于悬空状态。加热电阻和测温电阻为悬空状态，脱离了硅衬底的表面，不受硅衬底高热传导率的影响，所以，该结构的传感器具有高灵敏度和低功耗。同时，加热电阻和测温电阻为二维对称分布，通过测量两个相对的测温电阻之间的温度差，就可以得到一组正交的温度分布信息。通过数值计算，利用两组正交的温度分布信息，可以得到风速和风向的信息，测量风速和风向精度高。另外，整个传感器结构简单、体积小，工作响应时间快。

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2是本发明中的一个基本单元的正视图。

图中有：硅衬底1、加热电阻2，测温电阻3、第一外梁4、第一外梁前部41、第一外梁后部42、第二外梁5、第二外梁前部51、第二外梁后部52、第一内梁6、第一内梁前部61、第一内梁后部62、第二内梁7、第二内梁前部71、第二内梁后部72、第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10、第四焊接块11。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种高灵敏度二维风速风向传感器，包括四个基本单元和一个硅衬底1。四个基本单元分布在硅衬底1上。其中，每个基本单元包括加热电阻2、测温电阻3、第一外梁4、第二外梁5、第一内梁6、第二内梁7、第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10和第四焊接块11。第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10和第四焊接块11依次连接在硅衬底1的上表面。加热电阻2和测温电阻3均由金属制成。为了保证传感器的长期可靠工作，优选采用物理特性稳定的铂材料或钨材料制作加热电阻2和测温电阻3。加热电阻2和测温电阻3位于同一水平面，并且加热电阻2和测温电阻3相互平行。加热电阻2的长度大于测温电阻3的长度。加热电阻2和测温电阻3具有同一中线。与加热电阻2相比，测温电阻3靠近硅衬底1的边缘。第一外梁4由第一外梁前部41和第一外梁后部42两个部分组成。第二外梁5由第二外梁前部51和第二外梁后部52两个部分组成。第一内梁6由第一内梁前部61和第一内梁后部62两个部分组成。第二内梁7由第二内梁前部71和第二内梁后部72两个部分组成。加热电阻2的一端与第一外梁前部41的顶端连接，加热电阻2的另一端与第二外梁前部51的顶端连接。测温电阻3的一端与第一内梁前部61的顶端连接，测温电阻3的另一端与第二内梁前部71的顶端连接。第一外梁后部42的尾端与第一焊接块8连接，第二外梁后部52的尾端与第四焊接块11连接，第一内梁后部62的尾端与第二焊接块9连接，第二内梁后部72的尾端与第三焊接块10连接。这样，加热电阻2和第一焊接块8通过第一外梁4连接，加热电阻2和第四焊接块11通过第二外梁5连接，测温电阻3和第二焊接块9通过第一内梁6连接，测温电阻3和第三焊接块10通过第二内梁7连接。第一外梁后部42、第二外梁后部52、第一内梁后部62和第二内梁后部72均与硅衬底1相触。第一外梁前部41、第二外梁前部51、第一内梁前部61和第二内梁前部71均悬空。四个基本单元中的加热电阻2在硅衬底1上呈二维对称分布。四个基本单元中的测温电阻3在硅衬底1上呈二维对称分布。

该结构的传感器的制作过程为：首先，在氧化硅片上淀积一层5000 ?左右的钛，光刻并刻蚀钛形成牺牲层；其次，淀积1000?的钛作为缓冲层，淀积两层各500nm左右的金属钼铬（化学式为MoCr），其中第一层为压应力，第二层为张应力；然后，光刻并刻蚀钼铬金属形成第一外梁4、第二外梁5、第一内梁6和第二内梁7；随后，淀积金属铂或钨作为电阻层，并采用剥离工艺形成加热电阻2和测温电阻3；接着，在第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10、第四焊接块11处，利用剥离工艺形成3000?的金层；最后，腐蚀释放牺牲层，使第一外梁前部41、第二外梁前部51、第一内梁前部61和第二内梁前部71向上弯曲形成悬空结构。

该结构的高灵敏度二维风速风向传感器中，第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10和第四焊接块11用于引出信号连接外接电路。第一外梁前部41、第二外梁前部51、第一内梁前部61和第二内梁前部71向上弯曲，呈悬空结构。因此，连接在第一外梁前部41和第二外梁前部51之间的加热电阻2，以及连接在第一内梁前部61和第二内梁前部71之间的测温电阻3，都处于悬空状态。工作时，四个加热电阻2通过第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10和第四焊接块11加载同样的恒定电压或功率。这样，二维对称分布的四个测温电阻3上产生温度分布。在每个基本单元中，加热电阻2都有一个与其对应的测温电阻3。当风吹过传感器正上方时，加热电阻2产生的热量直接向空气中散发，并传递到与其对应的测温电阻3上。通过测量两个相对的测温电阻3之间的温度差，就可以得到一组正交的温度分布信息。通过数值计算，利用两组正交的温度分布信息，可以得到风速和风向的信息。也是说，该结构的传感器利用热温差原理测量风速和风向，通过测量两组相对的测温电阻3上的热温差来计算风速和风向。

该结构的传感器，加热电阻2和测温电阻3都是处于悬空的状态，即加热电阻2和测温电阻3均不与硅衬底1直接接触。这减少了热量从硅衬底1的传递，因此传感器的灵敏度有较大提高，也降低了功耗。同时，四个基本单元中的加热电阻2在硅衬底1上呈二维对称分布，四个基本单元中的测温电阻3在硅衬底1上呈二维对称分布。加热电阻2和测温电阻3均呈二维对称分布，使得传感器可以同时得到相互正交的两组温度测量值，经过数值计算可以得到风速和风向的信息。该结构的传感器，测量风速和风向精度高，并且整个传感器结构简单，工作响应时间快。

进一步，为了便于压焊和引线，在第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10、第四焊接块11表面淀积一层金。所述的第一外梁4、第二外梁5、第一内梁6、第二内梁7均由金属制成。采用金属制作第一外梁4、第二外梁5、第一内梁6、第二内梁7的工艺简单、加工方便，并且导电性能好。

Claims

1. 一种高灵敏度二维风速风向传感器，其特征在于，包括四个基本单元和一个硅衬底（1），四个基本单元分布在硅衬底（1）上；

所述的四个基本单元中的每个基本单元包括加热电阻（2）、测温电阻（3）、第一外梁（4）、第二外梁（5）、第一内梁（6）、第二内梁（7）、第一焊接块（8）、第二焊接块（9）、第三焊接块（10）和第四焊接块（11），第一焊接块（8）、第二焊接块（9）、第三焊接块（10）和第四焊接块（11）依次连接在硅衬底（1）的上表面，加热电阻（2）和测温电阻（3）均由金属制成，加热电阻（2）和测温电阻（3）位于同一水平面，并且相互平行，加热电阻（2）的长度大于测温电阻（3）的长度，加热电阻（2）和测温电阻（3）具有同一中线；与加热电阻（2）相比，测温电阻（3）靠近硅衬底（1）的边缘；加热电阻（2）的一端与第一外梁前部（41）的顶端连接，加热电阻（2）的另一端与第二外梁前部（51）的顶端连接；测温电阻（3）的一端与第一内梁前部（61）的顶端连接，测温电阻（3）的另一端与第二内梁前部（71）的顶端连接；第一外梁后部（42）的尾端与第一焊接块（8）连接，第二外梁后部（52）的尾端与第四焊接块(11)连接，第一内梁后部（62）的尾端与第二焊接块（9）连接，第二内梁后部(72)的尾端与第三焊接块（10）连接；第一外梁后部（42）、第二外梁后部（52）、第一内梁后部（62）和第二内梁后部（72）均与硅衬底（1）相触，第一外梁前部（41）、第二外梁前部（51）、第一内梁前部（61）和第二内梁前部（71）均悬空；

所述的四个基本单元中的加热电阻（2）在硅衬底（1）上呈二维对称分布；所述的四个基本单元中的测温电阻（3）在硅衬底（1）上呈二维对称分布。

2.按照权利要求1所述的高灵敏度二维风速风向传感器，其特征在于，所述的第一外梁（4）、第二外梁（5）、第一内梁（6）、第二内梁（7）均由金属制成。

3.按照权利要求1所述的高灵敏度二维风速风向传感器，其特征在于，所述的第一焊接块（8）、第二焊接块（9）、第三焊接块（10）、第四焊接块（11）表面均淀积一层金。

4.按照权利要求1所述的高灵敏度二维风速风向传感器，其特征在于，所述的加热电阻（2）和测温电阻（3）均由铂或钨制成。