CN102749473B - 一种二维热膜风速风向传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维热膜风速风向传感器，包括衬底，绝缘层，测温元件和加热元件；衬底中设有空腔，测温元件和加热元件固定在绝缘层的上表面；测温元件到加热元件的距离相等，相对的测温元件以加热元件为中心，相互对称，相邻的测温元件相对的端部距离均相等。该传感器测量风速风向的功耗小，灵敏度高。本发明还公开了一种二维热膜风速风向传感器的制备方法：取（100）晶向单晶硅片，作为衬底；在硅片内部制备一空腔；氧化硅片上表面，形成绝缘层；在绝缘层上表面，采用磁控溅射方法溅射金属，并光刻形成测温元件和加热元件。该制备方法制备的传感器，在衬底中设有空腔，降低传感器进行风速风向测量时的功耗，确保测量的准确性。

Description

一种二维热膜风速风向传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种风速风向传感器及其制备方法，具体来说，涉及一种二维热膜风速风向传感器及其制备方法。

背景技术

风速、风向是反应气象情况非常重要的参数，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响，因此快速准确测量出风速和风向具有重要的实际意义。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，同时具有体积大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。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。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。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种二维热膜风速风向传感器，该传感器测量风速风向的功耗小，灵敏度高。同时，本发明还提供了一种二维热膜风速风向传感器的制备方法，该制备方法制备的传感器，在衬底中设有空腔，降低传感器进行风速风向测量时的功耗，确保测量的准确性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种二维热膜风速风向传感器，该传感器包括衬底，绝缘层，测温元件和加热元件；衬底中设有空腔，且空腔顶面到衬底顶面的距离小于10微米；绝缘层贴覆在衬底的上表面，测温元件和加热元件分别固定在绝缘层的上表面；测温元件为四个，测温元件位于加热元件的周边，每个测温元件到加热元件的距离相等，且相对的测温元件以加热元件为中心，相互对称，相邻的测温元件相对的端部距离均相等；测温元件和加热元件位于空腔的正上方。

一种二维热膜风速风向传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：取（100）晶向单晶硅片，该硅片作为衬底；

第二步：在硅片内部制备一空腔：首先在硅片的上表面涂胶，用光刻机对硅片光刻，用感应耦合等离子干法刻蚀设备对硅片的表面刻蚀形成竖向浅槽，然后采用各向同性干法对竖向浅槽底部进行横向钻蚀，形成下部通槽，该下部通槽连通各竖向浅槽，随后，去除硅片上表面的胶层，对硅片表面清洗干净后，对硅片进行正面外延硅，填充竖向浅槽，形成空腔，最后化学机械抛光表面获得平整表面；

第三步：氧化硅片上表面，形成绝缘层；

第四步：在绝缘层上表面，采用磁控溅射方法溅射金属，并光刻形成测温元件和加热元件。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.功耗小，灵敏度高。现有的基于硅微机械加工的热流量传感器，测温元件和加热元件直接设置在硅衬底上。由于硅衬底的高热导率，使得传感器热量向衬底传递的较多。为达到同样的温升，需要功率较大，传感器的灵敏度较低。而本发明的传感器，首先在硅衬底中设置空腔。由于空腔靠近硅衬底的顶面，这样从衬底上部传来的热量在空腔处无法继续向下扩撒。依靠空腔，实现热隔离。同时由于测温元件和加热元件没有直接设置在衬底上，而是设置在绝缘层上。绝缘层有利于减少热量向下扩散。这样，本发明的传感器在工作过程中，热量向衬底扩散比较小。传感器基本不受衬底高热传导率的影响。这不仅提高了传感器的灵敏度，而且减小了功耗。

2．结构强度高。本发明的传感器中的空腔设置在衬底内部，衬底表面无开槽，与背面开槽结构相比，确保了整个传感器结构的强度。如果是在衬底的下表面开槽，虽然可以阻止热量向下传递，但是整个传感器结构强度低，易损坏，不利于后道工艺和封装。

3.测量精度高，响应时间快。该传感器表面作为感风面，热量主要向空气中传播，因此灵敏度高，同时加热元件和测温传感器采用一次光刻工艺成型，避免了工艺上的对准问题，精度高。传感器小，只有3毫米见方，因此响应时间快。

4.制备方法简单易行。本发明提供的制备方法简单，易于工艺上实现。

5.成本低廉。本发明从硅片正面加工，省略了背面开槽的双面光刻对准和长时间腐蚀工艺。工艺成品率高，从而降低了成本。

附图说明

图1为本发明传感器的俯视图。

图2为本发明传感器的纵向剖视图。

图3至图5为本发明制备方法第二步中的各阶段的结构示意图。

图中有：衬底1、绝缘层2、测温元件3、加热元件4、空腔5。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种二维热膜风速风向传感器，包括衬底1，绝缘层2，测温元件3和加热元件4。衬底1可由(100)晶向单晶硅制成。衬底1中设有空腔5，且空腔5顶面到衬底1顶面的距离小于10微米。绝缘层2可由二氧化硅制成。绝缘层2贴覆在衬底1的上表面，测温元件3和加热元件4分别固定在绝缘层2的上表面。绝缘层2的厚度优选为0.5到2微米。设置绝缘层2可以避免测温元件3和加热元件4直接与衬底1接触。测温元件3为金属膜电阻温度传感器。加热元件4为金属膜电阻。测温元件3为四个，测温元件3位于加热元件4的周边。每个测温元件3到加热元件4的距离相等，且相对的测温元件3以加热元件4为中心，相互对称，相邻的测温元件3相对的端部距离均相等。测温元件3和加热元件4位于空腔5的正上方。

上述二维热膜风速风向传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步：取100晶向单晶硅片，该硅片作为衬底1；

第二步：在硅片内部制备一空腔5：首先在硅片的上表面涂胶，用光刻机对硅片光刻，用感应耦合等离子干法刻蚀设备对硅片的表面刻蚀形成竖向浅槽，如图3所示；然后采用各向同性干法对竖向浅槽底部进行横向钻蚀，形成下部通槽，如图4所示，该下部通槽连通各竖向浅槽；随后，去除硅片上表面的胶层，对硅片表面清洗干净后，对硅片进行正面外延硅，填充竖向浅槽，形成空腔5，如图5所示；最后化学机械抛光表面获得平整表面；

第三步：氧化硅片上表面，形成绝缘层2；

第四步：在绝缘层2上表面，采用磁控溅射方法溅射金属，并光刻形成测温元件3和加热元件4。

进一步，上述的二维热膜风速风向传感器的制备方法，还包括第五步，在加热元件4和测温元件3表面，用磁控溅射方法溅射金或铝，并光刻形成压焊区。设置压焊区是为了便于引线键合。

本发明的传感器是是一种基于微机械加工实现高灵敏度的二维硅热风速风向传感器，尤其是采用埋腔工艺实现隔热的热风速风向传感器。该传感器中的加热元件和测温元件均与衬底不直接接触，测温元件3和加热元件4设置在绝缘层2上，减少了热量向衬底的传递。同时，为了减小由硅制成的衬底1的高热传导率的影响，还在衬底1内设置空腔5，且该空腔5靠近衬底1顶面。通过绝缘层2和空腔5，使得加热元件4产生的热量尽量少的向衬底扩散，尽可能的向加热元件4周边的空气中扩散。因此本专利传感器的灵敏度有较大提高，也降低了功耗。同时，二维对称结构的设计，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。

本专利的传感器利用热温差原理测量风速和风向。具体工作过程是：通过加热元件4表面的压焊区和测温元件3表面的压焊区施加电流，对加热元件4进行加热，加热元件4上产生的热量大部分直接向空气中散发，并传递到测温元件3上，而少量热量通过位于加热元件4下的绝缘层2向衬底1传递。利用简单差分放大器，测量相对的测温元件3之间的温度差，就可以同时得到两组正交的反映温度的电压信息dVx和dVy，其中dVx表示横向排布的相对的两个测温元件3所反应的电压差，dVy表示纵向排布的相对的两个测温元件3所反应的电压差。最后通过如下式（1）和式（2），可以得到风速W和风向θ的信息。

$W=A\sqrt{{\left(\mathrm{dVx}\right)}^2+{\left(\mathrm{dVy}\right)}^2}$ 式（1）

θ＝arctan(dvx/dVy)    式（2）

式（1）中，A为修正系数，可根据器件加工和封装的不同在校准时进行调整。

Claims (2)

1.一种二维热膜风速风向传感器的制备方法，其特征在于，该传感器包括衬底（1），绝缘层（2），测温元件（3）和加热元件（4）；衬底（1）中设有空腔（5），且空腔（5）顶面到衬底（1）顶面的距离小于10微米；绝缘层（2）贴覆在衬底（1）的上表面，测温元件（3）和加热元件（4）分别固定在绝缘层（2）的上表面；测温元件（3）为四个，测温元件（3）位于加热元件（4）的周边，每个测温元件（3）到加热元件（4）的距离相等，且相对的测温元件（3）以加热元件（4）为中心，相互对称，相邻的测温元件（3）相对的端部距离均相等；测温元件（3）和加热元件（4）位于空腔（5）的正上方；该制备方法包括以下步骤：

第一步：取（100）晶向单晶硅片，该硅片作为衬底（1）；

第二步：在硅片内部制备一空腔（5）：首先在硅片的上表面涂胶，用光刻机对硅片光刻，用感应耦合等离子干法刻蚀设备对硅片的表面刻蚀形成竖向浅槽，然后采用各向同性干法对竖向浅槽底部进行横向钻蚀，形成下部通槽，该下部通槽连通各竖向浅槽，随后，去除硅片上表面的胶层，对硅片表面清洗干净后，对硅片进行正面外延，填充竖向浅槽，形成空腔（5），最后化学机械抛光表面获得平整表面；

第三步：氧化硅片上表面，形成绝缘层（2）；

第四步：在绝缘层（2）上表面，采用磁控溅射方法溅射金属，并光刻形成测温元件（3）和加热元件（4）。

2.按照权利要求1所述的二维热膜风速风向传感器的制备方法，其特征在于，还包括第五步，在加热元件（4）和测温元件（3）表面，用磁控溅射方法溅射金或铝，并光刻形成压焊区。

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