CN109116050A - 一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超小型高灵敏度二维风速计，包括衬底（1）、绝缘介质层（2）、正四棱台（3）、加热元件（4）和四个测温热电偶堆（51），结合本发明技术方案，构建超小型高灵敏度二维风速计，并设计与之相应的超小型高灵敏度二维风速计制造方法，具有如下优点：1）台面结构的引入，使得测量平面和焊接引线所在平面产生高度差，方便了传感器的封装；2）该传感器的热电偶近似垂直放置，冷端通过封装胶密封并保持和衬底及外壳同温，有效保证了冷端温度的一致性，传感器的温漂抑制能力高；3）台面结构的引入，大大降低了热偶的横向尺寸，使器件的尺寸更小；4）传感器敏感表面和外壳之间贴合度高，无封装胶暴露在空气中，传感器的可靠性高。

Description

一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法，属于风速检测技术领域。

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加工技术的微型风速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来风速传感器研究的热点。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。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

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用了热温差原理，能够准确测量风速和风向的超小型高灵敏度二维风速计。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种超小型高灵敏度二维风速计，包括衬底、绝缘介质层、正四棱台、加热元件和四个测温热电偶堆；

其中，绝缘介质层的形状、尺寸与衬底的形状、尺寸相等，绝缘介质层覆盖设置于衬底的上表面，正四棱台的顶面与其底面相平行，正四棱台的底面大于其顶面，正四棱台的底面固定设置于绝缘介质层上表面的中心位置；

加热元件固定设置于正四棱台顶面的中心位置；四个测温热电偶堆与正四棱台的四个倾斜面彼此一一对应，四个测温热电偶堆分别固定设置于正四棱台对应倾斜面上，各测温热电偶堆上热端边中点位置与冷端边中点位置连线所在直线、过所设倾斜面的顶边中点位置、底边中点位置，且各测温热电偶堆的热端指向所设倾斜面的顶边一侧，以及各测温热电偶堆的冷端指向所设倾斜面的底边一侧；沿俯视正四棱台顶面方向的投影，正四棱台四个倾斜面上的测温热电偶堆、相对加热元件呈中心对称分布；

加热元件和各测温热电偶堆分别所对应的焊盘固定设置于绝缘介质层上非正四棱台设置区，加热元件和各测温热电偶堆分别通过焊锡电路与对应焊盘相连接，且焊锡电路位于绝缘介质层上非正四棱台设置区。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各测温热电偶堆的热端分别均延伸至所述正四棱台的顶面上，且各测温热电偶堆的热端均不与所述正四棱台顶面中心设置的加热元件相对接，沿俯视正四棱台顶面方向的投影，正四棱台四个倾斜面上的测温热电偶堆、相对加热元件呈中心对称分布。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各测温热电偶堆的冷端分别延伸对接所设正四棱台倾斜面的底边、或者延伸过所设正四棱台倾斜面底边至所述绝缘介质层上表面上，沿俯视正四棱台顶面方向的投影，正四棱台四个倾斜面上的测温热电偶堆、相对加热元件呈中心对称分布。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括电路板，以及数量与所述焊盘数量相等的绑定引线，电路板表面的形状、尺寸大于所述衬底表面的形状、尺寸，电路板上的焊锡电路设置于电路板的上表面，衬底的下表面固定设置于电路板的上表面，各焊盘分别经绑定引线对接电路板上焊锡电路的对应位置。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括盖板，盖板表面的形状、尺寸大于所述衬底表面的形状、尺寸，盖板中心位置设置贯穿其上下面的通孔，该通孔的形状与所述正四棱台顶面的形状相同，且该通孔的内径与正四棱台顶面的外径相适应，盖板上的通孔套设于正四棱台的顶面的外周，且盖板与所述电路板相平行，以及盖板上表面与正四棱台的顶面相平齐，盖板与电路板之间填充环氧灌封胶，针对盖板与电路板之间所有结构进行包裹。

作为本发明的一种优选技术方案：所述正四棱台为低热导绝缘材质制成，或者所述加热元件、测温热电偶堆与正四棱台表面之间设置低热导绝缘材质。

作为本发明的一种优选技术方案：所述正四棱台为硅材料制成，所述绝缘介质层为二氧化硅制成。

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针对所设计超小型高灵敏度二维风速计的制造方法，能够高效便捷实现所设计风速仪的制造。

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超小型高灵敏度二维风速计的制造方法，包括如下步骤：

步骤A. 针对硅片进行氧化操作，生长一层氧化硅作为掩膜，然后再进行光刻并进行各向异性湿法腐蚀形成正四棱台结构，即获得带有正四棱台的衬底；

步骤B. 针对衬底上表面进行热氧化操作，形成一层二氧化硅，构成绝缘介质层，然后采用低压化学气相淀积工艺，生长一层多晶硅薄膜，再通过扩散或离子注入方法对多晶硅进行掺杂磷，形成N型多晶硅；

步骤C. 喷胶光刻多晶硅薄膜，并通过反应离子刻蚀工艺,刻蚀多晶硅形成各测温热电偶堆的一个臂和加热元件；

步骤D. 喷胶光刻形成各测温热电偶堆的另一臂和焊盘结构，然后采用蒸发工艺生长一层金属铝，再采用剥离工艺完成各测温热电偶堆的另一臂，以及绑定引线和焊盘对接结构。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D之后，还包括如下步骤：

步骤E. 针对硅片进行氧化操作，生长一层氧化硅作为掩膜，然后再进行光刻，并进行各向异性湿法腐蚀形成正方形通孔，硅片再重新氧化构成盖板；

步骤F. 将衬底下表面通过贴片胶固定在电路板上，然后采用金丝球焊，将绝缘介质层上的焊盘与电路板的焊盘连接起来；

步骤G. 将盖板安装在正四棱台的顶面位置，周围用环氧灌封胶填充。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤A中，所获带有正四棱台的衬底中，正四棱台倾斜面与衬底上表面的内侧夹角为54.74°。

本发明所述一种超小型高灵敏度二维风速计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：本发明所设计超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法，具有如下优点：1）台面结构的引入，使得测量平面和焊接引线所在平面产生高度差，方便了传感器的封装；2）该传感器的热电偶近似垂直放置，冷端通过封装胶密封并保持和衬底及外壳同温，有效保证了冷端温度的一致性，传感器的温漂抑制能力高；3）台面结构的引入，大大降低了热偶的横向尺寸，使器件的尺寸更小；4）传感器敏感表面和外壳之间贴合度高，无封装胶暴露在空气中，传感器的可靠性高。

附图说明

图1是本发明所设计超小型高灵敏度二维风速计的三维示意图；

图2是本发明所设计超小型高灵敏度二维风速计的俯视示意图；

图3是本发明所设计超小型高灵敏度二维风速计的侧视示意图。

其中，1. 衬底，2. 绝缘介质层，3. 正四棱台，4. 加热元件，51. 测温热电偶堆，6. 电路板，7. 环氧灌封胶，8. 绑定引线，9. 焊盘，10. 盖板。

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。

本发明所设计一种超小型高灵敏度二维风速计，如图1、图2和图3所示，实际应用当中，具体包括衬底1、绝缘介质层2、正四棱台3、加热元件4、四个测温热电偶堆51、电路板6、盖板10和各根绑定引线8。

其中，实际应用中，绝缘介质层2为二氧化硅制成，绝缘介质层2的形状、尺寸与衬底1的形状、尺寸相等，绝缘介质层2覆盖设置于衬底1的上表面，实际应用中，正四棱台3为低热导绝缘材质制成，或者所述加热元件4、测温热电偶堆51与正四棱台3表面之间设置低热导绝缘材质，实际应用中，正四棱台3为硅材料制成；正四棱台3的顶面与其底面相平行，正四棱台3的底面大于其顶面，正四棱台3的底面固定设置于绝缘介质层2上表面的中心位置。

加热元件4固定设置于正四棱台3顶面的中心位置；四个测温热电偶堆51与正四棱台3的四个倾斜面彼此一一对应，四个测温热电偶堆51分别固定设置于正四棱台3对应倾斜面上，各测温热电偶堆51上热端边中点位置与冷端边中点位置连线所在直线、过所设倾斜面的顶边中点位置、底边中点位置，且各测温热电偶堆51的热端指向所设倾斜面的顶边一侧，以及各测温热电偶堆51的冷端指向所设倾斜面的底边一侧；各测温热电偶堆51的热端分别均延伸至所述正四棱台3的顶面上，且各测温热电偶堆51的热端均不与所述正四棱台3顶面中心设置的加热元件4相对接；各测温热电偶堆51的冷端分别延伸对接所设正四棱台3倾斜面的底边、或者延伸过所设正四棱台3倾斜面底边至所述绝缘介质层2上表面上，沿俯视正四棱台3顶面方向的投影，正四棱台3四个倾斜面上的测温热电偶堆51、相对加热元件4呈中心对称分布。

加热元件4和各测温热电偶堆51分别所对应的焊盘9固定设置于绝缘介质层2上非正四棱台3设置区，加热元件4和各测温热电偶堆51分别通过焊锡电路与对应焊盘9相连接，且焊锡电路位于绝缘介质层2上非正四棱台3设置区。

绑定引线8的数量与所述焊盘9数量相等，电路板6表面的形状、尺寸大于所述衬底1表面的形状、尺寸，电路板6上的焊锡电路设置于电路板6的上表面，衬底1的下表面固定设置于电路板6的上表面，各焊盘9分别经绑定引线8对接电路板6上焊锡电路的对应位置。

盖板10表面的形状、尺寸大于所述衬底1表面的形状、尺寸，盖板10中心位置设置贯穿其上下面的通孔，该通孔的形状与所述正四棱台3顶面的形状相同，且该通孔的内径与正四棱台3顶面的外径相适应，盖板10上的通孔套设于正四棱台3的顶面的外周，且盖板10与所述电路板6相平行，以及盖板10上表面与正四棱台3的顶面相平齐，盖板10与电路板6之间填充环氧灌封胶7，针对盖板10与电路板6之间所有结构进行包裹。

与上述技术方案相对应，本发明设计了一种针对超小型高灵敏度二维风速计的制造方法，实际应用中，具体包括如下步骤：

步骤A. 针对硅片进行氧化操作，生长一层氧化硅作为掩膜，然后再进行光刻并进行各向异性湿法腐蚀形成正四棱台3结构，即获得带有正四棱台3的衬底1，其中，正四棱台3倾斜面与衬底1上表面的内侧夹角为54.74°。

步骤B. 针对衬底1上表面进行热氧化操作，形成一层二氧化硅，构成绝缘介质层2，然后采用低压化学气相淀积工艺，生长一层多晶硅薄膜，再通过扩散或离子注入方法对多晶硅进行掺杂磷，形成N型多晶硅。

步骤C. 喷胶光刻多晶硅薄膜，并通过反应离子刻蚀工艺,刻蚀多晶硅形成各测温热电偶堆51的一个臂和加热元件4。

步骤D. 喷胶光刻形成各测温热电偶堆51的另一臂和焊盘9结构，然后采用蒸发工艺生长一层金属铝，再采用剥离工艺完成各测温热电偶堆51的另一臂，以及绑定引线8和焊盘9对接结构。

步骤E. 针对硅片进行氧化操作，生长一层氧化硅作为掩膜，然后再进行光刻，并进行各向异性湿法腐蚀形成正方形通孔，硅片再重新氧化构成盖板10；

步骤F. 将衬底1下表面通过贴片胶固定在电路板6上，然后采用金丝球焊，将绝缘介质层2上的焊盘9与电路板6的焊盘连接起来；

步骤G. 将盖板10安装在正四棱台3的顶面位置，周围用环氧灌封胶7填充。

将上述技术方案所设计的超小型高灵敏度二维风速计，应用于实际当中，所设计风速计封装后，仅正四棱台3顶面暴露在空气中，和整个封装齐平。风速计工作时，中心的加热元件4产生热量，传递到上方的空气中并扩散到周围，正四棱台3顶面边缘四个方向上均分布有测温热电偶堆51，通过测温热电偶堆51的输出，辅以数值计算即可得到风速和风向的信息。

具体来说，所设计超小型高灵敏度二维风速计工作时，在加热元件4上产生的热量直接向空气中散发，并传递到对称放置的测温热电偶堆51的热端。无风时，风速计表面温度场呈对称分布；由于测温热电偶堆51冷热端隔离，测温热电偶堆51冷端为恒定温度值，测温热电偶堆51产生的热电动势只与其热端温度相关。在理想状态下，四个对称的测温热电偶堆51热端的温度相等；有风时，加热元件4产生的热量更多往下游扩散，导致下游温度高于上游温度，风速计表面温度场分布不再对称，测温热电偶堆51热端的温度的变化使得热电动势发生变化。通过测量可以得到两组相对测温热电偶堆51的输出电压差。最后通过矢量合成计算，可以得到风速和风向的信息。

上述技术方案所设计超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法，具有如下优点：1）台面结构的引入，使得测量平面和焊接引线所在平面产生高度差，方便了传感器的封装；2）该传感器的热电偶近似垂直放置，冷端通过封装胶密封并保持和衬底及外壳同温，有效保证了冷端温度的一致性，传感器的温漂抑制能力高；3）台面结构的引入，大大降低了热偶的横向尺寸，使器件的尺寸更小；4）传感器敏感表面和外壳之间贴合度高，无封装胶暴露在空气中，传感器的可靠性高。

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 (10)

1.一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：包括衬底（1）、绝缘介质层（2）、正四棱台（3）、加热元件（4）和四个测温热电偶堆（51）；

其中，绝缘介质层（2）的形状、尺寸与衬底（1）的形状、尺寸相等，绝缘介质层（2）覆盖设置于衬底（1）的上表面，正四棱台（3）的顶面与其底面相平行，正四棱台（3）的底面大于其顶面，正四棱台（3）的底面固定设置于绝缘介质层（2）上表面的中心位置；

加热元件（4）固定设置于正四棱台（3）顶面的中心位置；四个测温热电偶堆（51）与正四棱台（3）的四个倾斜面彼此一一对应，四个测温热电偶堆（51）分别固定设置于正四棱台（3）对应倾斜面上，各测温热电偶堆（51）上热端边中点位置与冷端边中点位置连线所在直线、过所设倾斜面的顶边中点位置、底边中点位置，且各测温热电偶堆（51）的热端指向所设倾斜面的顶边一侧，以及各测温热电偶堆（51）的冷端指向所设倾斜面的底边一侧；沿俯视正四棱台（3）顶面方向的投影，正四棱台（3）四个倾斜面上的测温热电偶堆（51）、相对加热元件（4）呈中心对称分布；

加热元件（4）和各测温热电偶堆（51）分别所对应的焊盘（9）固定设置于绝缘介质层（2）上非正四棱台（3）设置区，加热元件（4）和各测温热电偶堆（51）分别通过焊锡电路与对应焊盘（9）相连接，且焊锡电路位于绝缘介质层（2）上非正四棱台（3）设置区。

2.根据权利要求1所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：所述各测温热电偶堆（51）的热端分别均延伸至所述正四棱台（3）的顶面上，且各测温热电偶堆（51）的热端均不与所述正四棱台（3）顶面中心设置的加热元件（4）相对接，沿俯视正四棱台（3）顶面方向的投影，正四棱台（3）四个倾斜面上的测温热电偶堆（51）、相对加热元件（4）呈中心对称分布。

3.根据权利要求2所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：所述各测温热电偶堆（51）的冷端分别延伸对接所设正四棱台（3）倾斜面的底边、或者延伸过所设正四棱台（3）倾斜面底边至所述绝缘介质层（2）上表面上，沿俯视正四棱台（3）顶面方向的投影，正四棱台（3）四个倾斜面上的测温热电偶堆（51）、相对加热元件（4）呈中心对称分布。

4.根据权利要求2或3所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：还包括电路板（6），以及数量与所述焊盘（9）数量相等的绑定引线（8），电路板（6）表面的形状、尺寸大于所述衬底（1）表面的形状、尺寸，电路板（6）上的焊锡电路设置于电路板（6）的上表面，衬底（1）的下表面固定设置于电路板（6）的上表面，各焊盘（9）分别经绑定引线（8）对接电路板（6）上焊锡电路的对应位置。

5.根据权利要求4所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：还包括盖板（10），盖板（10）表面的形状、尺寸大于所述衬底（1）表面的形状、尺寸，盖板（10）中心位置设置贯穿其上下面的通孔，该通孔的形状与所述正四棱台（3）顶面的形状相同，且该通孔的内径与正四棱台（3）顶面的外径相适应，盖板（10）上的通孔套设于正四棱台（3）的顶面的外周，且盖板（10）与所述电路板（6）相平行，以及盖板（10）上表面与正四棱台（3）的顶面相平齐，盖板（10）与电路板（6）之间填充环氧灌封胶（7），针对盖板（10）与电路板（6）之间所有结构进行包裹。

6.根据权利要求1所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：所述正四棱台（3）为低热导绝缘材质制成，或者所述加热元件（4）、测温热电偶堆（51）与正四棱台（3）表面之间设置低热导绝缘材质。

7.根据权利要求6所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：所述正四棱台（3）为硅材料制成，所述绝缘介质层（2）为二氧化硅制成。

8.一种针对权利要求1至7中任意一项所述一种超小型高灵敏度二维风速计的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A. 针对硅片进行氧化操作，生长一层氧化硅作为掩膜，然后再进行光刻并进行各向异性湿法腐蚀形成正四棱台（3）结构，即获得带有正四棱台（3）的衬底（1）；

步骤B. 针对衬底（1）上表面进行热氧化操作，形成一层二氧化硅，构成绝缘介质层（2），然后采用低压化学气相淀积工艺，生长一层多晶硅薄膜，再通过扩散或离子注入方法对多晶硅进行掺杂磷，形成N型多晶硅；

步骤C. 喷胶光刻多晶硅薄膜，并通过反应离子刻蚀工艺,刻蚀多晶硅形成各测温热电偶堆（51）的一个臂和加热元件（4）；

步骤D. 喷胶光刻形成各测温热电偶堆（51）的另一臂和焊盘（9）结构，然后采用蒸发工艺生长一层金属铝，再采用剥离工艺完成各测温热电偶堆（51）的另一臂，以及绑定引线（8）和焊盘（9）对接结构。

9.根据权利要求8所述一种超小型高灵敏度二维风速计的制造方法，其特征在于，所述步骤D之后，还包括如下步骤：

步骤E. 针对硅片进行氧化操作，生长一层氧化硅作为掩膜，然后再进行光刻，并进行各向异性湿法腐蚀形成正方形通孔，硅片再重新氧化构成盖板（10）；

步骤F. 将衬底（1）下表面通过贴片胶固定在电路板（6）上，然后采用金丝球焊，将绝缘介质层（2）上的焊盘（9）与电路板（6）的焊盘连接起来；

步骤G. 将盖板（10）安装在正四棱台（3）的顶面位置，周围用环氧灌封胶（7）填充。

10.根据权利要求8所述一种超小型高灵敏度二维风速计的制造方法，其特征在于，所述步骤A中，所获带有正四棱台（3）的衬底（1）中，正四棱台（3）倾斜面与衬底（1）上表面的内侧夹角为54.74°。