CN109001486A - 一种宽量程风速传感器及其制作方法 - Google Patents

一种宽量程风速传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽量程风速传感器及其制作方法，包括衬底（1）、弹性薄膜（2）、加热元件（5）、凸起台面（6）、隔热层（7）、四个压力传感器（31）和四个温度传感器（41）；基于本发明的设计方案，针对上述硬件进行组合，构成宽量程风速传感器；与之对应，本发明还设计了针对宽量程风速传感器的其制作方法；如此整个技术方案，采用热式传感器原理，可低风速下精确测量风速风向数据；并且采用压阻效应，可高风速下精确测量风速风向数据；而且采用体硅微机械加工技术，工艺可靠，批量制作容易且成本低；不仅如此，还采用二维对称结构，温漂小。

Description

一种宽量程风速传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种宽量程风速传感器及其制作方法，属于风速测量技术领域。
背景技术
风速、风向是表征气象形势的非常重要的参数，风速和风向的检测对环境监测、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。传统的风杯和风向标是目前仍广泛使用的检测器件，但这些装置体积较大，对低风速测量不够敏感，机械转动结构易磨损；超声风传感器是另一类常用的风传感器，这种传感器精度高，但体积大、成本高等因素限制了其应用领域。热式风传感器通过测量热损失或热对称性反映风速信息，这种类型的传感器对低风速较为灵敏，结构也可以做的很小，但是测量范围小的问题限制了其在二维风速测量中的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽量程风速传感器，将热膜测量原理和风压测量原理有机结合，能够准确实现高低风速范围测量的完整覆盖。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种宽量程风速传感器，其特征在于：包括衬底、弹性薄膜、加热元件、凸起台面、隔热层、四个压力传感器和四个温度传感器；
其中，衬底中心位置设置贯穿其上、下表面的通孔，弹性薄膜的形状、尺寸与衬底上通孔的形状、尺寸相适应，弹性薄膜设置于衬底通孔中，弹性薄膜边缘一周对接衬底上通孔内边缘一周，且弹性薄膜上表面与衬底上表面相平齐；
凸起台面的顶面与底面相平行，沿垂直于凸起台面顶面的方向，凸起台面顶面的投影位于凸起台面底面投影的内部，且凸起台面顶面中心位置投影与其底面中心位置投影彼此相重合；凸起台面下表面固定设置于弹性薄膜上表面的中心位置，且凸起台面下表面中心位置与弹性薄膜上表面中心位置彼此相对应，沿垂直于凸起台面顶面的方向，凸起台面底面投影位于弹性薄膜投影的内部；
四个压力传感器围绕弹性薄膜上表面中心位置、分别内嵌设置于弹性薄膜上表面的边缘位置，且四个压力传感器围绕弹性薄膜上表面中心位置呈正交对称分布，以及凸起台面所设位置不与任意压力传感器所设位置相重合；
隔热层覆盖设置于衬底上表面、弹性薄膜上表面、以及凸起台面的顶面、侧面；
加热元件固定设置于隔热层上表面对应凸起台面顶面中心的位置，四个温度传感器围绕加热元件、分别设置于隔热层上表面对应凸起台面顶面的位置，且四个温度传感器围绕加热元件呈正交对称分布；
四个压力传感器与四个温度传感器彼此一一对应，沿俯视凸起台面顶面方向的投影，凸起台面顶面中心位置分别到各温度传感器连线所在直线，分别与凸起台面顶面中心位置到对应压力传感器连线所在直线相重合。
作为本发明的一种优选技术方案：所述衬底的材质与所述弹性薄膜的材质彼此相同。
作为本发明的一种优选技术方案：所述衬底与所述弹性薄膜的组合为一体成型结构。
作为本发明的一种优选技术方案：所述弹性薄膜沿其顶面的俯视投影呈正多边形或圆形。
作为本发明的一种优选技术方案：所述凸起台面沿其顶面的俯视投影呈正多边形或圆形。
与上述技术方案相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种宽量程风速传感器的制作方法，能够高效快速实现宽量程风速传感器的制作。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种针对宽量程风速传感器的制作方法，包括如下步骤：
步骤A. 将两个氧化的硅片进行热键合，形成SOI厚膜结构；
步骤B. 对上层硅进行光刻,并采用各向异性腐蚀液腐蚀形成凸起台面,腐蚀自动停止在界面的氧化硅膜上；
步骤C. 喷胶光刻，并通过离子注入或扩散硼的方式，在下层硅上表面形成四个压力传感器；
步骤D. 上述硅片重新氧化形成一层隔热层；
步骤E. 采用剥离工艺，喷胶光刻形成台面上的加热元件和四个温度传感器的图形，然后蒸发金属Ni并剥离；
步骤F. 背面光刻开出腐蚀窗口，然后腐蚀背面形成深槽，到下层硅膜的厚度达到预设弹性薄膜厚度要求时停止，此时即完成弹性薄膜的释放。
本发明所述一种宽量程风速传感器及其制作方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计宽量程风速传感器及其制作方法，采用热式传感器原理，可低风速下精确测量风速风向数据；并且采用压阻效应，可高风速下精确测量风速风向数据；而且采用体硅微机械加工技术，工艺可靠，批量制作容易且成本低； 不仅如此，还采用二维对称结构，温漂小。
附图说明
图1是本发明所设计宽量程风速传感器的俯视图；
图2是本发明所设计宽量程风速传感器的侧视图。
其中，1. 衬底，2. 弹性薄膜，31. 压力传感器，41. 温度传感器，5. 加热元件,6.凸起台面,7. 隔热层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明所设计一种宽量程风速传感器，实际应用中，具体包括衬底1、弹性薄膜2、加热元件5、凸起台面6、隔热层7、四个压力传感器31和四个温度传感器41。
其中，衬底1的材质与弹性薄膜2的材质彼此相同，衬底1中心位置设置贯穿其上、下表面的通孔，弹性薄膜2的形状、尺寸与衬底1上通孔的形状、尺寸相适应，弹性薄膜2设置于衬底1通孔中，弹性薄膜2边缘一周对接衬底1上通孔内边缘一周，且弹性薄膜2上表面与衬底1上表面相平齐，弹性薄膜2沿其顶面的俯视投影呈正多边形或圆形；实际应用中，衬底1与所述弹性薄膜2的组合，可以采用一体成型结构。
凸起台面6沿其顶面的俯视投影呈正多边形或圆形；凸起台面6的顶面与底面相平行，沿垂直于凸起台面6顶面的方向，凸起台面6顶面的投影位于凸起台面6底面投影的内部，且凸起台面6顶面中心位置投影与其底面中心位置投影彼此相重合；凸起台面6下表面固定设置于弹性薄膜2上表面的中心位置，且凸起台面6下表面中心位置与弹性薄膜2上表面中心位置彼此相对应，沿垂直于凸起台面6顶面的方向，凸起台面6底面投影位于弹性薄膜2投影的内部。
四个压力传感器31围绕弹性薄膜2上表面中心位置、分别内嵌设置于弹性薄膜2上表面的边缘位置，且四个压力传感器31围绕弹性薄膜2上表面中心位置呈正交对称分布，以及凸起台面6所设位置不与任意压力传感器31所设位置相重合。
隔热层7覆盖设置于衬底1上表面、弹性薄膜2上表面、以及凸起台面6的顶面、侧面。
加热元件5固定设置于隔热层7上表面对应凸起台面6顶面中心的位置，四个温度传感器41围绕加热元件5、分别设置于隔热层7上表面对应凸起台面6顶面的位置，且四个温度传感器41围绕加热元件5呈正交对称分布。
四个压力传感器31与四个温度传感器41彼此一一对应，沿俯视凸起台面6顶面方向的投影，凸起台面6顶面中心位置分别到各温度传感器41连线所在直线，分别与凸起台面6顶面中心位置到对应压力传感器31连线所在直线相重合。
与上述所设计宽量程风速传感器技术方案相对应的，本发明相应设计了一种宽量程风速传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A. 将两个氧化的硅片进行热键合，形成SOI厚膜结构。
步骤B. 对上层硅进行光刻,并采用各向异性腐蚀液腐蚀形成凸起台面6,腐蚀自动停止在界面的氧化硅膜上。
步骤C. 喷胶光刻，并通过离子注入或扩散硼的方式，在下层硅上表面形成四个压力传感器31。
步骤D. 上述硅片重新氧化形成一层隔热层7。
步骤E. 采用剥离工艺，喷胶光刻形成台面上的加热元件5和四个温度传感器41的图形，然后蒸发金属Ni并剥离。
步骤F. 背面光刻开出腐蚀窗口，然后腐蚀背面形成深槽，到下层硅膜的厚度达到预设弹性薄膜2厚度要求时停止，此时即完成弹性薄膜2的释放。
将上述所设计宽量程风速传感器，应用实际当中，当无风状态时，加热元件5工作，形成一个以薄膜中心为圆心的热场，四边的温度传感器41由于对称分布，因此相对的两个温度传感器41的温差为0；当外界有较小的风从传感器表面吹过，热场将发生变化，下游的温度传感器41测量得到的温度要高于上游的温度传感器41的输出。导致温差随风的大小发生变化，此时小风对凸起台面6的感风斜面的风压较小，由此传递到压力传感器31上的应力也很小。风的测量主要通过温度传感器41输出的温差来实现；当风较大时，由于热温场造成的温差越来越小，上述通过温度传感器41输出的温差测风方法的精度和灵敏度都开始下降，但是风作用在凸起的台面侧边上的压力急剧增加（风压和风速的平方成正比），这个风压转移到压力传感器31上，使压力传感器31产生较大的输出，在感风柱下游的压力传感器31检测到较大的张应力，上游的压力传感器31检测到的是较大的压应力。上述应力变化通过压力传感器31的电阻变化检测得到。通过适当的算法，可以得到风速和风向的信息。
具体来说，传感器工作时，加热元件5通电加热表面的空气，产生热温度场，无风的时候，温度传感器41由于对称分布，测得的温度相同，相对的两个温度传感器41的差值为0；低风速情况下，温度场随风向和风速发生变化，加热元件5下游端温度要比上游端高，相对的温度传感器41输出的温度差不为0，假设风速和风向导致X方向的温差输出为Tx，Y方向的温差输出为Ty，则风速大小与单调相关；风向与arctg(Tx/Ty)成正比，因此通过计算可以得到风速和风向的信息；当风速较大的情况下，凸起台面6受风压产生横向和纵向压力，该压力通过弹性薄膜2传递到压力传感器31上。类似的，由于弹性薄膜2受力方向不同，导致下游的压阻和上游的压阻输出产生差异，即X方向的压阻输出差Vx和Y方向的压阻输出差Vy都与风速和风向有关。利用和温差输出类似的公式，可以得到风速和风向的数据。上述两种输出结合考虑，例如设定一个合适的风速转换点，当风速低于该转换点时采用热温差方式计算风速风向，当风速高于转换点时采用压阻输出差计算风速风向数据
上述技术方案所设计宽量程风速传感器，采用热式传感器原理，可低风速下精确测量风速风向数据；并且采用压阻效应，可高风速下精确测量风速风向数据；而且采用体硅微机械加工技术，工艺可靠，批量制作容易且成本低； 不仅如此，还采用二维对称结构，温漂小。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种宽量程风速传感器，其特征在于：包括衬底（1）、弹性薄膜（2）、加热元件（5）、凸起台面（6）、隔热层（7）、四个压力传感器（31）和四个温度传感器（41）；
其中，衬底（1）中心位置设置贯穿其上、下表面的通孔，弹性薄膜（2）的形状、尺寸与衬底（1）上通孔的形状、尺寸相适应，弹性薄膜（2）设置于衬底（1）通孔中，弹性薄膜（2）边缘一周对接衬底（1）上通孔内边缘一周，且弹性薄膜（2）上表面与衬底（1）上表面相平齐；
凸起台面（6）的顶面与底面相平行，沿垂直于凸起台面（6）顶面的方向，凸起台面（6）顶面的投影位于凸起台面（6）底面投影的内部，且凸起台面（6）顶面中心位置投影与其底面中心位置投影彼此相重合；凸起台面（6）下表面固定设置于弹性薄膜（2）上表面的中心位置，且凸起台面（6）下表面中心位置与弹性薄膜（2）上表面中心位置彼此相对应，沿垂直于凸起台面（6）顶面的方向，凸起台面（6）底面投影位于弹性薄膜（2）投影的内部；
四个压力传感器（31）围绕弹性薄膜（2）上表面中心位置、分别内嵌设置于弹性薄膜（2）上表面的边缘位置，且四个压力传感器（31）围绕弹性薄膜（2）上表面中心位置呈正交对称分布，以及凸起台面（6）所设位置不与任意压力传感器（31）所设位置相重合；
隔热层（7）覆盖设置于衬底（1）上表面、弹性薄膜（2）上表面、以及凸起台面（6）的顶面、侧面；
加热元件（5）固定设置于隔热层（7）上表面对应凸起台面（6）顶面中心的位置，四个温度传感器（41）围绕加热元件（5）、分别设置于隔热层（7）上表面对应凸起台面（6）顶面的位置，且四个温度传感器（41）围绕加热元件（5）呈正交对称分布；
四个压力传感器（31）与四个温度传感器（41）彼此一一对应，沿俯视凸起台面（6）顶面方向的投影，凸起台面（6）顶面中心位置分别到各温度传感器（41）连线所在直线，分别与凸起台面（6）顶面中心位置到对应压力传感器（31）连线所在直线相重合。
2.根据权利要求1所述一种宽量程风速传感器，其特征在于：所述衬底（1）的材质与所述弹性薄膜（2）的材质彼此相同。
3.根据权利要求2所述一种宽量程风速传感器，其特征在于：所述衬底（1）与所述弹性薄膜（2）的组合为一体成型结构。
4.根据权利要求1所述一种宽量程风速传感器，其特征在于：所述弹性薄膜（2）沿其顶面的俯视投影呈正多边形或圆形。
5.根据权利要求1所述一种宽量程风速传感器，其特征在于：所述凸起台面（6）沿其顶面的俯视投影呈正多边形或圆形。
6.一种针对权利要求1至5中任意一项所述一种宽量程风速传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A. 将两个氧化的硅片进行热键合，形成SOI厚膜结构；
步骤B. 对上层硅进行光刻,并采用各向异性腐蚀液腐蚀形成凸起台面（6）,腐蚀自动停止在界面的氧化硅膜上；
步骤C. 喷胶光刻，并通过离子注入或扩散硼的方式，在下层硅上表面形成四个压力传感器（31）；
步骤D. 上述硅片重新氧化形成一层隔热层（7）；
步骤E. 采用剥离工艺，喷胶光刻形成台面上的加热元件（5）和四个温度传感器（41）的图形，然后蒸发金属Ni并剥离；
步骤F. 背面光刻开出腐蚀窗口，然后腐蚀背面形成深槽，到下层硅膜的厚度达到预设弹性薄膜（2）厚度要求时停止，此时即完成弹性薄膜（2）的释放。
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