CN109239392B - 一种基于mems技术的三维风速风向传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制作方法，传感器芯片采用球形外壳封装结构，利用管道将环境风速分解为三个正交方向风速分量，并引导至传感器表面，对于水平方向的风速分量，利用中心加热元件形成温度场，热传感测温元件进行上下游温度测量，所测对应的温度差可以得到对应的风速分量信息；对于竖直方向的风速分量，采用机械原理进行测量，利用吹过方形薄板的风速使得方形薄板发生弯曲造成压敏电阻阻值变化，从而得到竖直方向风速信息，水平方向和竖直方向风速信息结合分析，可以获知外部环境三维风速风向信息。本发明可有效检测三维风速风向，并且解决了三维风速风向传感器的封装问题。

Description

一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制作方法。
背景技术
风速风向传感器广泛应用于气象预警、工程机械、智慧农业、机场高速公路风速监测、风力发电场等领域。目前，二维风速风向传感器发展比较成熟，但是对于三维风速风向的测量除超声风速传感器外，很难实现，但是超声风速风向传感器价格昂贵，体积较大。三维风速风向传感器的主要技术瓶颈在于目前提出的三维风速风向传感器结构，都难以进行封装，圆片裸露外界环境，很容易受到污染和破坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制作方法，其通过将外界环境的风速分解为三个正交方向分量引导至传感器测量元件表面分别测量，以获得外部环境三维风速风向信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器，包括方形的传感器芯片，位于传感器芯片正面设置有两组相互垂直的一维风速风向传感器，所述的一维风速风向传感器具有中心加热元件、以中心加热元件为对称轴对称分布的热传感测温元件，传感器芯片正面还设有方形薄板，方形薄板根部通过悬臂梁支撑，在悬臂梁根部设置有压敏电阻；传感器芯片的背面具有长方形空腔，长方形空腔的面积覆盖两组一维风速风向传感器和方形薄板所在区域，方形薄板四周开设有U型镂空。
所述的传感器芯片外围包覆有球形外壳，球形外壳中分布有三条互不交叠、可将三维方向的风引导至对应的传感器测量元件表面的中空管道。
上述三维风速风向传感器中，一维风速风向传感器的中心加热元件用于加热传感器芯片，使传感器芯片温度高于环境温度，热传感测温元件用于测量传感器芯片的上下游温度。在无风情况下，传感器芯片表面形成对称分布温度场，热传感器测温元件测量的温度相等；在有风情况下，传感器芯片表面温度平衡被打破，热传感测温元件测量的温度不等，得到上下游温度差，对温度差值进行信号处理，可以得到对应的风速大小。
上述三维风速风向传感器中，方形薄板在无风情况下发生微小弯曲，压敏电阻获得初始值；在有风情况下，方形薄板在风压作用下向着风速方向发生弯曲，通过测量压敏电阻的阻值可以得到对应的风速信息。
上述三维风速风向传感器采用球形外壳封装，利用正交方向的中空管道将环境风速引导至传感器测量元件表面，通过测量水平方向风速分量和竖直方向风速分量，可以得到外部环境风速信息。
一种上述基于MEMS技术的三维风速风向传感器的制作方法，具有如下步骤：
a、在SOI圆片的上表面生长一层二氧化硅层，对二氧化硅层进行光刻、刻蚀，形成压敏电阻扩散区，使用扩散或离子注入法，形成压敏电阻，去除光刻胶和二氧化硅层；
b、在SOI圆片的上表面生长一层栅氧化层，在栅氧化层上表面淀积多晶硅，并注入硼离子，刻蚀多晶硅，形成中心加热元件和热传感测温元件的一端；
c、在栅氧化层上表面淀积氧化层，该氧化层覆盖住中心加热元件和热传感测温元件的一端，利用深反应离子刻蚀氧化层形成通孔；
d、利用蒸发或溅射工艺制备热传感测温元件的另一端以及电引出焊盘；
e、在氧化层上表面利用光刻蚀工艺，形成U型镂空，直至裸露出SOI圆片下部的硅衬底，去除光刻胶；
f、在SOI圆片下表面采用各向异性腐蚀，形成长方形空腔；
g、划片，将上述制成的传感器芯片装贴在PCB板上，然后采用球形外壳对传感器芯片进行封装。
本发明的有益效果是：本发明相对于现有技术，具有如下特点：1、利用球形外壳封装，将外部环境风速分解为三个正交方向风速分量。2、结合热原理和机械原理，将分解的风速分量进行测量，反映外部环境的三维风速信息。3、利用CMOS工艺结合MEMS后处理技术，形成底部空腔结构，有效隔绝了热量的横向传输损耗，降低了传感器功耗。4、采用球形外壳封装，将传感器芯片包含至球形外壳内部，有效避免了外部环境的污染和机械破坏。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述传感器芯片的正视结构示意图。
图2是本发明所述传感器芯片的封装示意图。
图3是本发明所述传感器芯片中压敏电阻的制备流程图。
图4是本发明所述传感器芯片中加热元件和热传感测温元件的制备流程图。
图5是本发明所述传感器芯片中方形薄板的制备流程图。
图中：1.传感器芯片 2.一维风速风向传感器 3.中心加热元件 4.热传感测温元件 5.方形薄板 6.悬臂梁 7.压敏电阻 8.长方形空腔 9.U型镂空 10.球形外壳 11.中空管道 12.SOI圆片 13.二氧化硅层 14.压敏电阻扩散区 15.栅氧化层 16.多晶硅 17.氧化层 18.通孔 19.焊盘 20.PCB板
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1～图5所示，一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器，包括方形的传感器芯片1，位于传感器芯片1正面设置有两组相互垂直的一维风速风向传感器2，所述的一维风速风向传感器2具有中心加热元件3、以中心加热元件3为对称轴对称分布的热传感测温元件4，传感器芯片1正面还设有一个方形薄板5，方形薄板5根部通过悬臂梁6支撑，在悬臂梁6根部设置有压敏电阻7；传感器芯片1的背面具有长方形空腔8，长方形空腔8的面积覆盖两组一维风速风向传感器2和方形薄板5所在区域，方形薄板5四周开设有U型镂空9。
所述的传感器芯片1外围包覆有球形外壳10，球形外壳10中分布有三条互不交叠、可将三维方向的风引导至对应的传感器测量元件表面的中空管道11。
一种上述基于MEMS技术的三维风速风向传感器的制作方法，具有如下步骤：
a、在SOI圆片12的上表面生长一层二氧化硅层13，对二氧化硅层13进行光刻、刻蚀，形成压敏电阻扩散区14，使用扩散或离子注入法，形成压敏电阻7，去除光刻胶和二氧化硅层13；
b、在SOI圆片的上表面生长一层栅氧化层15，在栅氧化层15上表面淀积多晶硅16，并注入硼离子，刻蚀多晶硅16，形成中心加热元件3和热传感测温元件4的一端；
c、在栅氧化层15上表面淀积氧化层17，该氧化层17覆盖住中心加热元件3和热传感测温元件4的一端，利用深反应离子刻蚀氧化层17形成通孔18；
d、利用蒸发或溅射工艺制备热传感测温元件4的另一端以及电引出焊盘19；
e、在氧化层17上表面利用光刻刻蚀工艺，形成U型镂空9，直至裸露出SOI圆片12下部的硅衬底，去除光刻胶；
f、在SOI圆片12下表面采用各向异性腐蚀，形成长方形空腔8；
g、划片，将上述制成的传感器芯片1装贴在PCB板20上，然后采用球形外壳10对传感器芯片1进行封装。
传统的风速风向传感器很难实现三维风速风向测量，本发明利用球形外壳10封装结构，以及特殊的弯折管道设计，将三维风速分解为三个正交方向风速分量，引导至传感器测量元件表面，利用热原理和机械原理，实现三个正交方向风速分量的测量，结合三个方向风速信息，可以得到外部环境三维风速风向信息，不仅解决了环境风速风向的三维测量问题，还将传感器芯片1封装在球形外壳10内部，避免了外部环境对芯片的污染和机械破坏，延长了传感器的使用寿命。
同时传统的风速风向传感器一般具有较厚的硅衬底，本发明利用CMOS工艺结合MEMS后处理技术，在传感器芯片1背面形成长方形空腔8结构，有效隔绝了中心加热元件3产生的热量的横向传输损耗，大大降低了传感器功耗。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器，包括方形的传感器芯片(1)，其特征是：位于传感器芯片(1)正面设置有两组相互垂直的一维风速风向传感器(2)，所述的一维风速风向传感器(2)具有中心加热元件(3)、以中心加热元件(3)为对称轴对称分布的热传感测温元件(4)，传感器芯片(1)正面还设有方形薄板(5)，方形薄板(5)根部通过悬臂梁(6)支撑，在悬臂梁(6)根部设置有压敏电阻(7)；传感器芯片(1)的背面具有长方形空腔(8)，长方形空腔(8)的面积覆盖两组一维风速风向传感器(2)和方形薄板(5)所在区域，方形薄板(5)四周开设有U型镂空(9)，所述的传感器芯片(1)外围包覆有球形外壳(10)，球形外壳(10)中分布有三条互不交叠、可将三维风速分解为三个正交方向风速分量引导至对应的传感器测量元件表面的中空管道(11)。
2.一种权利要求1所述基于MEMS技术的三维风速风向传感器的制作方法，其特征是：具有如下步骤：
a、在SOI圆片(12)的上表面生长一层二氧化硅层(13)，对二氧化硅层(13)进行光刻、刻蚀，形成压敏电阻扩散区(14)，使用扩散或离子注入法，形成压敏电阻(7)，去除光刻胶和二氧化硅层(13)；
b、在SOI圆片(12)的上表面生长一层栅氧化层(15)，在栅氧化层(15)上表面淀积多晶硅(16)，并注入硼离子，刻蚀多晶硅(16)，形成中心加热元件(3)和热传感测温元件(4)的一端；
c、在栅氧化层上表面淀积氧化层(17)，该氧化层(17)覆盖住中心加热元件(3)和热传感测温元件(4)的一端，利用深反应离子刻蚀氧化层(17)形成通孔(18)；
d、利用蒸发或溅射工艺制备热传感测温元件(4)的另一端以及电引出焊盘(19)；
e、在氧化层(17)上表面利用光刻蚀工艺，形成U型镂空(9)，直至裸露出SOI圆片(12)下部的硅衬底，去除光刻胶；
f、在SOI圆片(12)下表面采用各向异性腐蚀，形成长方形空腔(8)；
g、划片，将上述制成的传感器芯片(1)装贴在PCB板(20)上，然后采用球形外壳(10)对传感器芯片(1)进行封装。
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