CN106814212A - 一种热温差型风速传感器及其制备方法和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种热温差型风速传感器，包括陶瓷衬底、布置在陶瓷衬底上的发热元件、布置在陶瓷衬底正面且以发热元件为中心呈中心对称分布的至少两组感温元件，布置在陶瓷衬底背面且与感温元件位置正对应的至少两组测温元件。进一步，发热元件为布置在陶瓷衬底背面的加热电阻，通过施加直流电发热；感温元件是金属块，测温元件是电感线圈。还公开了这种热温差型风速传感器的制备方法，以及基于这种热温差型风速传感器的风速检测方法。通过这种结构的热温差型风速传感器，实现正面感风的风速检测，提高风速传感器的灵敏度并降低功耗，同时还能避免采用键合线技术和衬底通孔技术，成本低，易于产业化生产。

Description

一种热温差型风速传感器及其制备方法和检测方法

技术领域

本发明提出了一种热温差型风速传感器及其检测方法，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

风速检测与日常生活紧密相关，并在工农业生产、能源开发、交通旅游、气象预报以及物联网等诸多领域都起着非常重要的作用。传统的微电子机械(MEMS)风速传感器由于无法解决正面引线的问题，大多采用背面感风的方式工作，由于背面直接与风场作用，其上下游温差大于正面上下游温差,从而导致传感器的灵敏度不高，功耗过大。

申请号201410325164.1的专利公布了一种正面感风方式的三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置及封装方法，包括采用正面感风方式的热式风速风向传感器、CMOS电路芯片和印制电路基板，热式风速风向传感器包括低导热率衬底(热导率低于1W/m·K)，在衬底的正面设置有加热元件、测温元件和焊盘，在衬底的正面淀积钝化保护层，实现正面感风；CMOS电路芯片设置在衬底的背面和印制电路基板之间，在衬底和CMOS电路芯片对应焊盘的位置设置有通孔，在通孔内填充有金属物质，金属物质的两端分别与焊盘和印制电路基板上的焊点焊接。这种方法虽然实现了正面感风，但仍需在衬底中穿孔，同时也需要涉及键合线技术，且结构上和制作工艺上仍存在一定复杂性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提出一种新型的热温差型风速传感器及其检测方法，在实现正面感风的风速检测的同时，还能避免采用键合线技术和衬底通孔技术。

本发明所公开的热温差型风速传感器，包括陶瓷衬底、布置在陶瓷衬底上的发热元件、布置在陶瓷衬底正面且以发热元件为中心呈中心对称分布的至少两组感温元件，布置在陶瓷衬底背面且与感温元件位置正对应的至少两组测温元件。

进一步，发热元件为布置在陶瓷衬底背面的加热电阻，通过施加直流电发热。

进一步，感温元件是金属块，测温元件是电感线圈。

进一步，陶瓷衬底的厚度为300-500微米，热导率小于30W/mk。

进一步，测温元件与发热元件之间的直线距离至少大于陶瓷衬底的厚度。

本发明还公开一种热温差型风速传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、准备绝缘的陶瓷衬底；

S2、在陶瓷衬底正面旋涂光刻胶,固化；

S3、利用光刻技术去除正面需要生长元件部分的光刻胶；

S4、溅射金属材料，泡入丙酮溶液中，剥离，形成衬底正面的感温元件；

S5、在陶瓷衬底背面旋涂光刻胶，固化；

S6、利用光刻技术去除背面需要生长元件部分的光刻胶；

S7、溅射金属材料、泡入丙酮溶液中，剥离，形成衬底背面的发热元件和

测温元件。

进一步，热温差型风速传感器的感温元件是金属块，测温元件是电感线圈，发热元件是加热电阻。

本发明还公开基于热温差型风速传感器的风速检测方法，采用上述结构的风速传感器；对发热元件加热以在陶瓷衬底中形成温度梯度；风吹过时，陶瓷衬底正面的温度场发生改变，通过测温元件测量感温元件之间的温度差，计算得到风速的大小。

进一步，热温差型风速传感器的感温元件是金属块，测温元件是电感线圈，发热元件是加热电阻，通过施加直流电发热。风吹过时，使得金属块之间存在温差并导致金属块的电阻率随之发生变化，对应的与金属块正对应的电感线圈的阻抗也随之变化，通过测量电感线圈的阻抗变化得到金属块的电阻率变化，并计算得到风速的大小。

进一步，测温元件的等效阻抗Z可以表示成如下函数关系:

Z＝F(x,μ,ρ,f)

其中，x是陶瓷衬底的厚度，μ是感温元件的磁导率,ρ是感温元件的电阻率,f是测温元件中激励电流的频率。

本发明所公开的热温差型风速传感器及其检测方法，具有以下有益效果：

(1)实现正面感风，在测量过程中，当风吹过时，衬底正面的温度场发生改变，通过测量上游和下游的温度差，计算得到风速的大小。

(2)正面感风的工作方式，在风场的作用下，增大了发热元件上下游的温差，使得衬底正面上下游温差高于衬底背面上下游温差，提高风速传感器的灵敏度并降低功耗。

(3)采用正面无线加热及无线测温的方式，结构简单，解决了引线问题，制作过程中避免了键合线技术和衬底通孔技术，成本低，易于产业化生产。

附图说明

图1是热温差型风速传感器的正面示意图；

图2是热温差型风速传感器的背面示意图；

图3是图1中AA’的剖面示意图；

图4是热温差型风速传感器的制作过程结构示意图

图中包括：陶瓷衬底1，感温金属块2和3，加热电阻4，测温电感线圈5和6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1、图2和图3，本发明提供的热温差型风速传感器及其检测方法，该风速传感器包括陶瓷衬底1、加热电阻4、感温金属块2和3、测温电感线圈5和6。

其中，陶瓷衬底1，其热导率小于30即可；当然，从理论上说,对衬底的热导率没有要求,但是为了提高灵敏度,最好采用陶瓷。

加热电阻4，即发热元件，生长在陶瓷衬底1背面正中心位置，通过给加热电阻4施加直流电流使其发热。

感温金属块2和3，即感温元件，生长在陶瓷衬底1正面，对称分布在加热电阻4两侧；形状和大小完全一样；感温金属块2和3之间的距离大于2倍衬底厚度，用于感知温度的变化。

测温电感线圈5和6，即测温元件，生长在陶瓷衬底1背面，位于感温金属块2和3正下方，用于测量感温金属块2和3温度变化。

因为只测量电感线圈的谐振频率和品质因素Q值的变化，发热元件和测温元件之间的距离并无严格要求。但考虑到在加热电阻4周边，不相对应的感温元件与测温元件之间的微弱干扰，为提高测量精准性，发热元件和测温元件之间的距离大于陶瓷衬底厚度即可，本实施例中感温元件之间的距离大于陶瓷衬底厚度的2倍。

结合图4，上述热温差型风速传感器的制备过程如下：

图4-1：准备绝缘的陶瓷衬底；

图4-2：在陶瓷衬底正面旋涂光刻胶，固化；

图4-3：利用光刻技术去除正面需要生长金属部分的光刻胶；

图4-4：溅射金属材料，泡入丙酮溶液中，剥离，形成衬底正面的感温金属块2和3；

图4-5：在陶瓷衬底背面旋涂光刻胶，固化；

图4-6：利用光刻技术去除背面需要生长金属部分的光刻胶；

图4-7：溅射金属材料、泡入丙酮溶液中，剥离，形成衬底背面的加热电阻4和测温电感线圈5、6。其中，溅射的金属材料优选为金或铜。

基于上述热温差型风速传感器的工作原理是：首先在陶瓷衬底1背面的加热电阻4上施加直流电流，根据焦耳定律，电阻3上产生热量并在陶瓷衬底1中形成温度梯度，感温金属块2和3因此受热。

无风时，即风速为零时，该温度场是对称的，上下游温度相等，感温金属块2和3的温度相等；当有风吹过时，即风从金属块2吹到金属块3，由于强迫对流的作用，会将热量从上游带到下游，从而导致金属块2的温度下降，金属块3的温度上升，感温金属块2和3之间存在温差，温度变化导致感温金属块2和3的电导率随之发生变化，即，金属块2的电阻率减小，金属块3的电阻率增大。风速越大，金属块2的电阻率减小地越多，金属块3的电阻率增大地越多。与感温金属块2和3正对应的测温电感线圈5和6的阻抗也因此随之变化。

故，利用衬底1背面的测温电感线圈5和6分别测量金属块2和3的温度变化，感温金属块温度的变化反映为相应测温电感线圈阻抗的变化。

具体的，测温电感线圈的等效阻抗Z可以表示成如下一个函数关系:

Z＝F(x,μ,ρ,f)

其中，x是衬底的厚度，μ是感温金属块的磁导率,ρ是感温金属块的电阻率,f是感温线圈中激励电流的频率。

当x,μ,f保持不变时，温度变化会导致金属块电阻率ρ(或电导率)的变化。因此，通过电感线圈的阻抗读取即可实现感温金属块温度变化的测量，并得到感温金属块电导率的变化。通过测温电感线圈5和6的阻抗值测量，即可实现感温金属块2和3温度变化的测量，并得到感温金属块2和3电导率的变化。最后，通过感温金属块2和3电导率的变化，即可根据现有技术测量出风速大小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热温差型风速传感器，其特征在于：包括陶瓷衬底、布置在陶瓷衬底上的发热元件、布置在陶瓷衬底正面且以发热元件为中心呈中心对称分布的至少两组感温元件，布置在陶瓷衬底背面且与感温元件位置正对应的至少两组测温元件。

2.如权利要求1所述的风速传感器，其特征在于：所述发热元件为布置在陶瓷衬底背面的加热电阻，通过施加直流电使其发热。

3.如权利要求1所述的风速传感器，其特征在于：所述感温元件是金属块，测温元件是电感线圈。

4.如权利要求1所述的风速传感器，其特征在于：所述陶瓷衬底的厚度为300-500微米，热导率小于30W/mk。

5.如权利要求1所述的风速传感器，其特征在于：所述测温元件与发热元件之间的直线距离至少大于陶瓷衬底的厚度。

6.一种热温差型风速传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、准备绝缘的陶瓷衬底；

S2、在陶瓷衬底正面旋涂光刻胶，固化；

S3、利用光刻技术去除正面需要生长元件部分的光刻胶；

S4、溅射金属材料，泡入丙酮溶液中，剥离，形成衬底正面的感温元件；

S5、在陶瓷衬底背面旋涂光刻胶，固化；

S6、利用光刻技术去除背面需要生长元件部分的光刻胶；

S7、溅射金属材料、泡入丙酮溶液中，剥离，形成衬底背面的发热元件和测温元件。

7.如权利要求6所述的热温差型风速传感器的制备方法，其特征在于：

热温差型风速传感器的感温元件是金属块，测温元件是电感线圈，发热元件是加热电阻。

8.一种基于热温差型风速传感器的风速检测方法，其特征在于：采用如权利要求1所述结构的热温差型风速传感器；对发热元件加热以在陶瓷衬底中形成温度梯度；风吹过时，陶瓷衬底正面的温度场发生改变，通过测温元件测量感温元件之间的温度差，计算得到风速的大小。

9.如权利要求8所述的基于热温差型风速传感器的风速检测方法，其特征在于：风吹过时，使得金属块之间存在温差并导致金属块的电阻率随之发生变化，对应的，与金属块正对应的测温电感线圈的阻抗也随之变化，通过测量测温电感线圈的阻抗变化得到金属块的电阻率变化，并计算得到风速的大小。

10.如权利要求9所述的风速检测方法，其特征在于：测温元件的等效阻抗Z可以表示成如下函数关系:

Z＝F(x,μ,ρ,f)

其中，x是陶瓷衬底的厚度，μ是感温元件的磁导率,ρ是感温元件的电阻率,f是测温元件中激励电流的频率。