CN102998479B - 氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器及其制造方法，涉及一种测量风速风向传感器及其制造方法。本发明解决了集成热温差原理的风速传感器采用硅基衬底工艺复杂、开发成本较高、传感器响应速率慢、机械性能差等缺点。本发明所述风速风向传感器由八边形氮化铝陶瓷基片、四个温度探测器、四个矩形热隔离槽、四对等腰直角三角形热隔离通孔、两个温度传感器、四个矩形热隔离通孔和一个中间蛇盘形加热器组成，制作该风速风向传感器的方法为先将氮化铝陶瓷基片用丙酮溶液和酒精溶液进行清洗，烘干后在进行涂胶，光刻，再进行镀膜，放入丙酮溶液中溶解光刻胶，激光刻蚀，再放入稀盐酸溶液中清洗，最后进行退火处理，获得传感器。本发明用于测量风速风向。

Description

氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种测量风速风向传感器及其制造方法

背景技术

目前，现有的集成热温差原理的风速风向传感器均采用硅基作为衬底，工艺成熟，但工艺程序复杂，设备成本昂贵，传感器响应速率慢，机械性能较差。

发明内容

本发明为了解决集成热温差原理的风速传感器采用硅基衬底工艺复杂、开发成本较高、传感器响应速率慢、机械性能差等缺点，提出了氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器及其制造方法。

本发明所述的氮化铝基集成阵列结构二维风速风向传感器由八边形氮化铝陶瓷基片、四个温度探测器，四个矩形热隔离槽，四对等腰直角三角形热隔离通孔，两个温度传感器、四个矩形热隔离通孔和一个中间蛇盘形加热器组成，所述八边形氮化铝陶瓷基片为由四条长边和四条短边相间连接组成的不等边的八边形，所述四条长边相等，四条短边相等；所述中间蛇盘形加热器位于八边形氮化铝陶瓷基片的中心，该中间蛇盘形加热器的中间是由铂膜按矩形同心盘绕获得的矩形加热器和两个引出电极组成，所述铂膜按矩形同心盘绕获得的矩形加热器的四条边分别与八边形氮化铝陶瓷基片的四条短边平行，所述两个引出电极分别从矩形加热器对角线的两端引出且位于同一直线上，四个温度探测器分别位于中间蛇盘形加热器与八边形氮化铝陶瓷基片的四条短边之间，每个温度探测器与中间蛇盘形加热器之间均刻蚀有矩形热隔离槽，每个温度探测器均由探测头和两根引出电极组成，所述探测头临近四个矩形热隔离槽，两根引出电极相互平行且垂直于与该温度探测器对应的八边形氮化铝陶瓷基片的短边，所述两根引出电极之间设置有一个矩形热隔离通孔；每个温度探测器的引出电极的两侧对称设置有一对等腰直角三角形热隔离通孔，且温度探测器引出电极与等腰直角三角形的斜边相临；两个温度传感器临近八边形氮化铝陶瓷基片的相对的两条长边设置，且两个温度传感器之间为中间蛇盘形加热器的引出电极。

获得上述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的造方法的具体步骤为：

步骤一、用氮化铝陶瓷基片为衬底，将氮化铝陶瓷基片浸入在丙酮溶液中，并采用在50kHz频率的超声波对其进行清洗10～20min后，取出氮化铝陶瓷基片再浸入酒精溶液中在30kHz频率下进行超声波清洗10～15min，取出氮化铝陶瓷基片在120℃温度下进行烘干，获得烘干后的氮化铝陶瓷基片；

步骤二、在步骤一获得烘干后的氮化铝陶瓷基片的表面以传感器图形掩模版为制版进行光刻，获得光刻后的氮化铝陶瓷基片；所述传感器图形掩模版上设置有四个温度探测器一个中间蛇盘形加热器和两个温度传感器的图形；

步骤三、使用真空多靶溅射镀膜机对步骤二获得的光刻后的氮化铝陶瓷基片进行溅射镀膜，获得镀有铂膜的氮化铝陶瓷基片；

步骤四、将镀有铂膜的氮化铝陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡，溶解光刻胶，同时对氮化铝陶瓷基片进行微超声清洗，直至金属图案形成清晰的铂膜电极为止，获得镀有铂膜电极的氮化铝陶瓷基片；

步骤五、采用激光划片机对镀有铂膜电极的氮化铝陶瓷基片进行激光刻蚀，在每个温度探测器两侧刻蚀出一对三角隔离通孔，在每个温度探测器的两根引出电极中间刻蚀一个矩形热隔离通孔，最后在每个温度探测器与中间蛇盘形加热器之间刻蚀矩形热隔离槽，获得刻蚀完的氮化铝陶瓷基片；

步骤六、将刻蚀完的氮化铝陶瓷基片放入稀盐酸溶液中清洗，溶掉激光刻蚀过程中产生的金属铝；

步骤七、退火处理，将稀盐酸清洗后的氮化铝陶瓷基片在800℃环境中退火2h，获得氮化铝基集成阵列结构二维风速风向传感器。

本发明所述氮化铝陶瓷是一种良好的绝缘陶瓷体，其被大量应用于微电子器件领域。氮化铝陶瓷材料具有：1、氮化铝热导率约170W/m·K是Al2O3约31.4W/m·K的5倍以上；2、氮化铝热膨胀系数为4.5×10^-6℃，Al2O3热膨胀系数为8.2×10^-6℃均与Pt为8.9×10^-6℃相当；3、各种电性能介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度优良；4、机械性能好，抗折和抗压强度高；5、纯度高；6、无毒；7、易金属化成膜等优点。

本发明所述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器及其制造方法利用了高热导率氮化铝衬底基片，与氧化铍不同的是氮化铝和三氧化二铝无毒无污染。氮化铝和Al2O3在惰性的高温环境中非常稳定，在空气中，温度高于700℃时，氮化铝物质表面会发生微氧化作用，形成5-10纳米厚的Al₂O₃氧化物薄膜，起到保护作用，通过中间加热加热附近空气温度，利用温度探测测量周围空气温度，利用热温差原理达到测量风速风向的目的，并能够快速达到热平衡，提高了响应速率，同时具有工艺程序简单，开发成本低、机械性能好等优点。

附图说明

图1为集成阵列风速风向传感器的结构示意图。

图2为八边形氮化铝陶瓷基片1的形状示意图。

图3为温度探测器电极2的形状示意图。

图4为温度传感器电极5的形状示意图。

图5为中间蛇盘形加热器电极7的形状示意图。

图6为矩形热隔离槽3、矩形热隔离通孔6、三角形热隔离通孔4示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器由八边形氮化铝陶瓷基片1、四个温度探测器2，四个矩形热隔离槽3，四对等腰直角三角形热隔离通孔4，两个温度传感器5、四个矩形热隔离通孔6和一个中间蛇盘形加热器7组成，所述八边形氮化铝陶瓷基片为由四条长边和四条短边相间连接组成的不等边的八边形，所述四条长边相等，四条短边相等；所述中间蛇盘形加热器7位于八边形氮化铝陶瓷基片1的中心，该中间蛇盘形加热器7的中间是由铂膜按矩形同心盘绕获得的矩形加热器和两个引出电极组成，所述铂膜按矩形同心盘绕获得的矩形加热器的四条边分别与八边形氮化铝陶瓷基片1的四条短边平行，所述两个引出电极分别从矩形加热器对角线的两端引出且位于同一直线上，四个温度探测器2分别位于中间蛇盘形加热器7与八边形氮化铝陶瓷基片1的四条短边之间，每个温度探测器2与中间蛇盘形加热器7之间均刻蚀有矩形热隔离槽3，每个温度探测器2均由探测头和两根引出电极组成，所述探测头临近四个矩形热隔离槽3，两根引出电极相互平行且垂直于与该温度探测器2对应的八边形氮化铝陶瓷基片1的短边，所述两根引出电极之间设置有四个矩形热隔离通孔6；每个温度探测器电极2的两侧对称设置有一对等腰直角三角形热隔离通孔4，且温度探测器电极2与等腰直角三角形的斜边相临；两个温度传感器5临近八边形氮化铝陶瓷基片1的相对的两条长边设置，且两个温度传感器5之间为中间蛇盘形加热器7的引出电极。

本实施方式中所述热隔离通孔和热隔离槽，有效的降低了传感器热传导功耗损失，提高热流转换效率。

实施方式二、结合图2、图3、图4、图5、图6说明本实施方式，本实施方式所述是对具体实施方式一所述的述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的进一步说明，所述八边形氮化铝陶瓷基片1的厚度为0.2-0.25mm,短边的长度a3为5-10mm，长边的长度a2为3-6.01mm；所述温度探测器2包括探测头和两根引出电极,所述探测头为矩形波状，该矩形波状探测头包括三个波峰两个波谷，波峰与波谷之间的距离b3为0.05-0.1mm，任意相邻两个波峰之间的距离与任意相邻两个波谷之间的距离相等、且与铂膜的宽度b5相同，所述铂膜的宽度b5为0.05-0.1mm，矩形波状探测头的两端分别通过两根电极引线与两个电极连接，电极引线长b2为0.95-1.9mm,宽b4为0.15-0.3mm,电极的宽b1为0.25-0.5mm；所述中间蛇盘形加热器7的两个引出电极的末端之间的长度c3为4.06-8.13mm，两根引出电极末端圆弧半径R为0.15-0.25mm,按矩形同心盘绕获得的矩形加热器的铂膜的宽c2为0.05-0.1mm，且盘绕的铂膜之间的距离与铂膜的宽度相同，引出电极与矩形加热器端连接处的铂膜导线宽c1为0.07-0.14mm；所述温度传感器5包括一个矩形波状传感器头和两根引出电极，所述两根引出电极外侧边缘之间的总宽度d1为1.5-3mm，所述矩形波状传感器头包括三个波峰两个波谷，波峰与波谷之间的距离d3+d4为0.4-0.8mm，任意两个相邻波峰之间的距离与任意两个相邻波谷之间的距离相等、且与铂膜的宽度d5相等，所述铂膜的宽度d5为0.05-0.1mm，两侧电极的引线宽d3为0.1-0.2mm；所述矩形热隔离槽3的长边的长度e1为0.65-1.3mm,短边的长度e2为0.05-0.1mm，槽深0.1-0.15mm；所述矩形热隔离通孔6的长边的长度f1为0.6-1.2mm,短边的长度f2为0.25-0.5mm，短边与基片外侧边缘距离为a5为0.6-1.2mm；所述等腰直角三角形热隔离通孔4的直角边边长g1为0.85-1.6mm，所述等腰直角三角形热隔离通孔4的一条直角边与八边形氮化铝陶瓷基片1的一条长边之间的垂直距离a6为0.53-1.06mm，所述等腰直角三角形热隔离通孔4的一条直角边与所述八边形氮化铝陶瓷基片1的一条长边之间为温度探测器2。

具体实施方式三、本实施方式所述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的造方法的具体步骤为：

步骤一、用氮化铝陶瓷基片为衬底，将氮化铝陶瓷基片浸入在丙酮溶液中，并采用在50kHz频率的超声波对其进行清洗10～20min后，取出氮化铝陶瓷基片再浸入酒精溶液中在30kHz频率下进行超声波清洗10～15min，取出氮化铝陶瓷基片在120℃温度下进行烘干，获得烘干后的氮化铝陶瓷基片；

步骤二、在步骤一获得烘干后的氮化铝陶瓷基片的表面以传感器图形掩模版为制版进行光刻，获得光刻后的氮化铝陶瓷基片；所述传感器图形掩模版上设置有四个温度探测器2、一个中间蛇盘形加热器7和两个温度传感器5的图形；

步骤三、使用真空多靶溅射镀膜机对步骤二获得的光刻后的氮化铝陶瓷基片进行溅射镀膜，获得镀有铂膜的氮化铝陶瓷基片；

步骤四、将镀有铂膜的氮化铝陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡，溶解光刻胶，同时对氮化铝陶瓷基片进行微超声清洗，直至金属图案形成清晰的铂膜电极为止，获得镀有铂膜电极的氮化铝陶瓷基片；

步骤五、采用激光划片机对镀有铂膜电极的氮化铝陶瓷基片进行激光刻蚀，在每个温度探测器2两侧刻蚀出一对三角隔离通孔，在每个温度探测器2的两根引出电极中间刻蚀一个矩形热隔离通孔，最后在每个温度探测器2与中间蛇盘形加热器7之间刻蚀矩形热隔离槽3，获得刻蚀完的氮化铝陶瓷基片；

步骤六、将刻蚀完的氮化铝陶瓷基片放入稀盐酸溶液中清洗，溶掉激光刻蚀过程中产生的金属铝；

步骤七、退火处理，将稀盐酸清洗后的氮化铝陶瓷基片在800℃环境中退火2h，获得氮化铝基集成阵列结构二维风速风向传感器。

具体实施方式四、本实施方式是采用具体实施方式三所述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法的进一步说明，步骤二所述的在步骤一获得烘干后的氮化铝陶瓷基片的表面以传感器图形掩模版为制版进行光刻的方法为：将烘干后的氮化铝陶瓷基片用BP212CP37型正性光刻胶的底处理液浸泡氮化铝陶瓷基片20-30min，再放入台式干燥箱中在150-180℃进行干燥，干燥后采用匀胶机在2500r/min～5000r/min速度下涂光刻胶，涂胶后放入烘箱中在80～100℃下烘干20～40min；，以传感器图形掩模版为制版图形，在曝光机上对涂有光刻胶的氮化铝陶瓷基片进行曝光15～30s；把曝光好的氮化铝陶瓷基片放入BP212显影液中显影20～40s，然后再放入去离子水中漂洗20～30s；最后放入台式干燥箱中，在100～120℃温度下烘烤30～40min，获得光刻后的氮化铝陶瓷基片。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式三所述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法的进一步说明，步骤三所述的使用真空多靶溅射镀膜机对步骤二获得的光刻后的氮化铝陶瓷基片进行溅射镀膜的方法为，采用纯度为99.99％、尺寸Φ60×2.5mm的铂靶材进行溅射；氮化铝陶瓷基片放入溅射室内，控制溅射室的真空度达到10^-5Pa时，往溅射室通氩气，氩气压强为1.5Pa，采用直流溅射，溅射功率为32W，时间为30min，氩气的流量为15～20ml/min。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式三所述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法的进一步说明，步骤四所述将镀有铂膜的氮化铝陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡，溶解光刻胶，同时对氮化铝陶瓷基片进行微超声清洗的频率为30kHz。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式三所述氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法的进一步说明，步骤六所述将刻蚀完的氮化铝陶瓷基片放入稀盐酸溶液中清洗，该稀盐酸溶液的盐酸与水的体积比为5%-10%。

Claims (6)

1.氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器，其特征在于，该传感器由八边形氮化铝陶瓷基片（1）、四个温度探测器（2）、四个矩形热隔离槽（3）、四对等腰直角三角形热隔离通孔（4）、两个温度传感器（5）、四个矩形热隔离通孔（6）和一个中间蛇盘形加热器（7）组成，所述八边形氮化铝陶瓷基片（1）为由四条长边和四条短边相间连接组成的不等边的八边形，所述四条长边相等，四条短边相等；所述中间蛇盘形加热器（7）位于八边形氮化铝陶瓷基片（1）的中心，该中间蛇盘形加热器（7）的中间是由铂膜按矩形同心盘绕获得的矩形加热器和两个引出电极组成，所述铂膜按矩形同心盘绕获得的矩形加热器的四条边分别与八边形氮化铝陶瓷基片（1）的四条短边平行，所述两个引出电极分别从矩形加热器对角线的两端引出且位于同一直线上，四个温度探测器（2）分别位于中间蛇盘形加热器（7）与八边形氮化铝陶瓷基片（1）的四条短边之间，每个温度探测器（2）与中间蛇盘形加热器（7）之间均刻蚀有矩形热隔离槽（3），每个温度探测器（2）均由探测头和两根引出电极组成，所述探测头临近四个矩形热隔离槽（3），两根引出电极相互平行且垂直于与该温度探测器（2）对应的八边形氮化铝陶瓷基片（1）的短边，所述两根引出电极之间设置有一个矩形热隔离通孔（6）；每个温度探测器（2）的引出电极的两侧对称设置有一对等腰直角三角形热隔离通孔（4），且温度探测器（2）的引出电极与等腰直角三角形的斜边相临；两个温度传感器（5）临近八边形氮化铝陶瓷基片（1）的相对的两条长边设置，且两个温度传感器（5）之间为中间蛇盘形加热器（7）的引出电极。

2.权利要求1所述的氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法的具体步骤为：

步骤一、用氮化铝陶瓷基片为衬底，将氮化铝陶瓷基片浸入在丙酮溶液中，并采用在50kHz频率的超声波对其进行清洗10～20min后，取出氮化铝陶瓷基片再浸入酒精溶液中在30kHz频率下进行超声波清洗10～15min，取出氮化铝陶瓷基片在120℃温度下进行烘干，获得烘干后的氮化铝陶瓷基片；

步骤二、在步骤一获得烘干后的氮化铝陶瓷基片的表面以传感器图形掩模版为制版进行光刻，获得光刻后的氮化铝陶瓷基片；所述传感器图形掩模版上设置有四个温度探测器（2）、一个中间蛇盘形加热器（7）和两个温度传感器（5）的图形；

步骤三、使用真空多靶溅射镀膜机对步骤二获得的光刻后的氮化铝陶瓷基片进行溅射镀膜，获得镀有铂膜的氮化铝陶瓷基片；

步骤四、将镀有铂膜的氮化铝陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡，溶解光刻胶，同时对氮化铝陶瓷基片进行微超声清洗，直至金属图案形成清晰的铂膜电极为止，获得镀有铂膜电极的氮化铝陶瓷基片；

步骤五、采用激光划片机对镀有铂膜电极的氮化铝陶瓷基片进行激光刻蚀，在每个温度探测器（2）两侧刻蚀出一对三角隔离通孔，在每个温度探测器（2）的两根引出电极中间刻蚀一个矩形热隔离通孔，最后在每个温度探测器（2）与中间蛇盘形加热器（7）之间刻蚀矩形热隔离槽（3），获得刻蚀完的氮化铝陶瓷基片；

步骤六、将刻蚀完的氮化铝陶瓷基片放入稀盐酸溶液中清洗，溶掉激光刻蚀过程中产生的金属铝；

步骤七、退火处理，将稀盐酸清洗后的氮化铝陶瓷基片在800℃环境中退火2h，获得氮化铝基集成阵列结构二维风速风向传感器。

3.根据权利要求3所述的氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法，其特征在于，步骤二所述的在步骤一获得烘干后的氮化铝陶瓷基片的表面以传感器图形掩模版为制版进行光刻的方法为：将烘干后的氮化铝陶瓷基片用BP212CP37型正性光刻胶的底处理液浸泡氮化铝陶瓷基片20-30min，再放入台式干燥箱中在150-180℃进行干燥，干燥后采用匀胶机在2500r/min～5000r/min速度下涂光刻胶，涂光刻胶后放入烘箱中在80～100℃下烘干20～40min；以传感器图形掩模版为制版图形，在曝光机上对涂有光刻胶的氮化铝陶瓷基片进行曝光15～30s；把曝光好的氮化铝陶瓷基片放入BP212显影液中显影20～40s，然后再放入去离子水中漂洗20～30s；最后放入台式干燥箱中，在100～120℃温度下烘烤30～40min，获得光刻后的氮化铝陶瓷基片。

4.根据权利要求3所述的氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法，其特征在于，步骤三所述的使用真空多靶溅射镀膜机对步骤二获得的光刻后的氮化铝陶瓷基片进行溅射镀膜的方法为，采用纯度为99.99％、尺寸Φ60×2.5mm的铂靶材进行溅射；氮化铝陶瓷基片放入溅射室内，控制溅射室的真空度达到10^-5Pa时，往溅射室通氩气，氩气压强为1.5Pa，采用直流溅射，溅射功率为32W，时间为30min，氩气的流量为15～20ml/min。

5.根据权利要求3所述的氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法，其特征在于，步骤四所述将镀有铂膜的氮化铝陶瓷基片放入丙酮溶液中浸泡，溶解光刻胶，同时对氮化铝陶瓷基片进行微超声清洗的频率为30kHz。

6.根据权利要求3所述的氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器的制造方法，其特征在于，步骤六所述将刻蚀完的氮化铝陶瓷基片放入稀盐酸溶液中清洗，该稀盐酸溶液的盐酸与水的体积比为5%-10%。