CN111707844B - 一种风速传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风速传感器，包括位于密闭空间的测速单元，所述测速单元包括位于密闭空间内的T型加热器和测温传感器；所述T型加热器为T型结构，该T型结构的横部两端分别设有两个加热电阻；所述测温传感器围绕设于所述T型结构的外侧，并且在位于所述T型结构的中间竖部两侧的位置分别设有两个测温电阻；以T型结构的中间竖部为对称轴，所述两个加热电阻呈对称放置，两个测温电阻呈对称设置。与现有技术相比，本发明具有传感器体积小、灵敏度高、实用性强等优点。

Description

一种风速传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及风速传感器技术领域，尤其是涉及一种风速传感器及其制备方法。
背景技术
在气象、环保、航天、航空乃至日常生活等各个领域，都离不开流体。流体测量的方法种类繁多，对于气体的测量来说测量条件也基本相同，选择适当的测量方法尤为关键。传统风速传感器存在体积大、易受环境温度和压力的影响、稳定性差等缺点，在很大程度上限制了其应用；并且传统传感器的灵敏度不高，导致测量结果误差较高，在实际应用中的效果较差。
中国专利CN 107192849A公布了一种及一种基于热对流原理的微机械加速度传感器的设计及其制作方法。本发明所涉及的热对流式微机械加速度传感器没有在硅片上开孔形成腔结构，而是通过BCB键合胶把玻璃盖板和硅片键合来形成密闭空腔，并且在所述的第一基底上制作了一层聚酰亚胺膜来防止热量散失，保证热气团更好地发挥作用和降低功耗，另外聚酰亚胺膜也可以防止铂电极漏电，这种设计使工艺过程变得简单而且制作出来的传感器结构更稳定，可靠性高，性能也更好；但是该专利技术的加速度传感器的灵敏度有待提高，无法适用于低风速下风速的测量。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的灵敏度低的缺陷而提供一种风速传感器及其制备方法，提高在测量低风速的应用场景中的测量精度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种风速传感器，包括位于密闭空间的测速单元，所述测速单元包括位于密闭空间内的T型加热器和测温传感器；所述T型加热器为T型结构，该T型结构的横部两端分别设有两个加热电阻；所述测温传感器围绕设于所述T型结构的外侧，并且在位于所述T型结构的中间竖部两侧的位置分别设有两个测温电阻；以T型结构的中间竖部为对称轴，所述两个加热电阻呈对称放置，两个测温电阻呈对称设置。
本发明将一种SOI基板结构应用于风速传感器上，采用硅SOI基片作为基底制备的风速传感器，该传感器不仅具备良好测速性能，同时，不易受到环境温度和压力的影响，具有良好的稳定性。
本发明基于热传导原理恒温差的风速测量方法设计了带有加热电阻和测温电阻的三层SOI基板结构，它主要包括两个加热电阻、两个完全相同的传感电阻以及由硅衬底和顶部封装盖组成的密闭空腔，其中加热电阻放置于密闭空腔的两端中央，以悬臂梁相连接；两个传感电阻对称放置在与加热电阻所在悬臂梁垂直的悬臂梁的两边，沿T型加热器的中轴对称分布，即由U型测温传感器包裹的T型加热器。当加热电阻通电开始工作后，密闭空腔内的空气被加热形成一个可以充当敏感质量块的热气团，当风速为0时，热气团处于恒定位置，空腔内的温度场稳定，两个测温电阻感知到的温度相同，电阻大小也相同，通过引线区外接的检测电路就检测不到信号输出；当对传感器施加一个敏感方向上的风速时，热气团相对于几个热电阻的位置将发生改变，两个传感电阻所感知到的温度发生变化，其电阻值会发生改变。这样，通过外接检测电路就能检测到一个差分信号，经过处理后最终将会输出一个直流电压信号，也就是所检测到的风速信号。通过对直流电压信号的读数即可得到所需风速数据。
所述加热电阻为铝热电阻。
所述铝热电阻的厚度为2～20μm，优选为5μm。
所述T型加热器为SOI基板制成，所述铝热电阻贴合于该SOI基板的表面硅层上。
所述测温传感器为SOI基板制成，所述测温电阻为该SOI基板的表面硅经过离子注入得到的热敏电阻。
所述热敏电阻的厚度为2～20μm，优选为5μm。
沿所述T型结构的横部的延伸方向，位于所述对称轴两侧的加热电阻和测温电阻之间的距离为10～20μm。
硅具有特性良好且容易制取、加工技术成熟、对为机械加工非常有用的晶面各向异性和可集成有源电路等特点，故选用硅作为测温电阻材料；金属Al具有熔点低、延展性好、性能温度、温度系数误差小等优点，故选用金属Al作为加热电阻材料。并且SOI基板的厚度为微米级别，因此具有极高的柔性和延展性，从而可以应用在各种场景中。
所述T型加热器为悬臂梁结构。
该风速传感器包括两个用于测量X方向加速度的X方向测速单元和两个用于测量Y方向加速度的Y方向测速单元，其中各个测速单元的T型结构横部与该测速单元对应的测量方向平行。
上述的风速传感器的制备方法，包括以下步骤：
(S-1)准备三层结构的SOI基板，通过热氧化工艺使该SOI基板的表面硅上形成一层二氧化硅薄膜；
(S-2)通过溅射工艺去掉加热电阻和测温电阻图案处的二氧化硅薄膜，暴露出SOI基板的表面硅；
(S-3)通过扩散法在测温电阻图案处的表面硅掺杂硼离子形成测温电阻；
(S-4)在所述测温电阻以及加热电阻对应的表面硅上通过光刻工艺刻蚀出电极图案；
(S-5)在所述SOI基板的硅表面通过磁控溅射形成铝层，旋涂光致抗蚀剂，曝光显影、刻蚀得到加热电阻的图案、测温电阻上电极的图案、以及与引线图案；
(S-6)反面刻蚀释放T型加热器和测温传感器的悬臂梁结构，得到所述测速单元，将该测速元件安装于硅衬底和顶部封装盖组成的密闭空腔中得到所述风速传感器。
其中，加工所述加热电阻和测温电阻时，先加工位于T形结构一侧的加热电阻和测温电阻，再加工位于T形结构另一侧的加热电阻和测温电阻。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用SOI基底材料的传感器体积小、精度高、延展性好，可以很好地应用于各种场景，安装简单，更好地在实际操作中应用；
(2)通过合理的设置电阻的结构，提高了传感器的灵敏度和频率响应，并且降低了功耗；
(3)本发明将加热电阻设于两侧并且设有两个，测温电阻位于中间并且分布距离较近，测温电阻位于中间；这种设计减小了热散失、降低了器件的热传导、减小了器件的热容、减少加热功率、降低了应力。
(4)本发明的温度分布因为加热器的位置改变而改变，因为传感器的体积很小，加热电阻和测温电阻的距离也很接近，所以其响应时间很短，对温度变化敏感因此本发明的灵敏度提高。
(5)本发明的加热元件设置位置可以严格保证测速元件内部温度和外部环境温度的差值保持一定，从而提高对环境温度敏感度，提高测量精度。
附图说明
图1为本发明中测速元件的结构示意图；
图2为本发明中SOI基片每层材质的结构示意图；
图3为本发明中加热电阻的结构示意图；
图4为本发明中测温电阻的结构示意图；
图5为本发明的风速传感器的结构示意图；
图中，1为T型加热器，2为测温传感器，3为加热电阻的位置，4为测温电阻的位置，5为悬臂梁，6为(110)硅，7为以(111)硅为基础的二氧化硅，8为(112)硅，9为加热电阻的两端电极，10为测温电阻的两端电极，11为加热电阻的引线，12为测温电阻的引线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
一种风速传感器，包括位于密闭空间的测速单元，该测速元件的结构如图1所示，测速单元包括位于密闭空间内的T型加热器1和测温传感器2，该测速单元置于由硅衬底和顶部封装盖(图中未画出)组成的密闭空腔。T型加热器1为T型结构，该T型结构的横部两端分别设有两个加热电阻，两个加热电阻放置于密闭空腔的两端中央，以悬臂梁5相连接，如图1中加热电阻的位置3所示，加热电阻具体形状未画出；测温传感器2围绕设于T型结构的外侧，并且在位于T型结构的中间竖部两侧的位置分别设有两个测温电阻，两个测温电阻对称放置在与加热电阻所在悬臂梁垂直的悬臂梁的两边，沿T型加热器1的中轴对称分布，即由U型结构的测温传感器2包裹的T型加热器1，测温电阻的位置如图1中测温电阻的位置4所示，测温电阻具体形状未画出，测温电阻均为与温度具有线性或近似线性特性的热敏电阻。从整体来看，以T型结构的中间竖部为对称轴，两个加热电阻呈对称放置，两个测温电阻呈对称设置。当加热电阻1通电开始工作后，密闭空腔内的空气被加热形成一个可以充当敏感质量块的热气团，当风速为0时，热气团处于恒定位置，空腔内的温度场稳定，两个测温电阻感知到的温度相同，电阻大小也相同，通过引线区外接的检测电路就检测不到信号输出；当对传感器施加一个敏感方向a上的风速时，热气团相对于几个热电阻的位置将发生改变，两个测温电阻所感知到的温度发生变化，其电阻值会发生改变。这样，通过外接检测电路就能检测到一个差分信号，经过处理后最终将会输出一个直流电压信号，也就是所检测到的风速信号。通过对直流电压信号的读数即可得到所需风速数据。本实施例中加热电阻为厚度为5μm的铝热电阻，T型加热器1为SOI基板制成，铝热电阻贴合于该SOI基板的表面硅层上，测温传感器2为SOI基板制成，测温电阻为该SOI基板的表面硅经过离子注入得到的热敏电阻，热敏电阻的厚度为5μm。整个风速传感器的结构如图5所示，包括两个用于测量X方向加速度的X方向测速单元和两个用于测量Y方向加速度的Y方向测速单元，其中各个测速单元的T型结构横部与该测速单元对应的测量方向平行。
本实施例的测速元件的制备方法为将三层SOI基片作为基底作为基底材料，以金属铝Al作为加热电阻1材料，使用掺杂工艺、光刻工艺、深反应离子刻蚀工艺等MEMS制备工艺完成SOI基板的制备，具体包括以下步骤：
(S-1)准备三层结构的SOI基板，其结构如图2所示，包括SOI基板以(110)硅晶圆6为衬底，硅的厚度为500μm；中间一层为以(111)硅为基础的二氧化硅7；上面一层为(112)硅晶圆8，(112)硅的厚度为5μm；以三层结构的SOI基板为初始结构，通过热氧化工艺使该SOI基板的表面硅上形成一层二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜的厚度为0.1μm；
(S-2)先加工T型结构一侧的加热电阻、测温电阻以及相关引线：通过溅射工艺去掉加热电阻和测温电阻图案处的二氧化硅薄膜，暴露出SOI基板的表面硅，通过溅射工艺形成图案属于现有技术，本领域技术人员参考现有技术中溅射工艺以及相关工艺参数即可实施；
(S-3)通过扩散法在测温电阻图案处的表面硅掺杂硼离子形成测温电阻，先用氧化剂将表层的硼离子氧化，再用HF去除表面的氧化硼薄膜，最后得到表面积为3×40μm2的热敏电阻，即为测温电阻，具体制作方法见CN 102701140A中的相关步骤；
(S-4)在热敏电阻层表面用光致抗蚀剂旋涂出测温电阻的两端电极10的图案，再蚀刻热敏电阻，得到两个表面积为2×2μm2的测温电阻的两端电极10，如图4所示；在加热电阻图案对应的表面硅上用光致抗蚀剂旋涂出加热电阻的两端电极9的图案，再刻蚀表面硅，得到两个表面积为2×2μm2的加热电阻的两端电极9，如图3所示，具体电极的刻蚀工艺过程参考CN 102701140A中的相关接触窗口的制作步骤；
(S-5)在SOI基板的硅表面通过磁控溅射形成铝层，旋涂光致抗蚀剂，曝光显影、刻蚀得到加热电阻的图案、测温电阻上电极的图案、以及与引线图案，如加热电阻的引线11，测温电阻的引线12，具体工艺见CN 102701140A中相关步骤；
(S-6)在T型结构的另一侧以同样的方式加工出另一侧的加热电阻和测温电阻，之后以光致抗蚀剂旋涂出悬臂梁5的图案，然后深反应离子刻蚀加工出悬臂梁，最终得到T型加热器1和U型热电阻测温传感器2；然后将整个测温元件放到由硅衬底和顶部封装盖(图中未画出)组成的密闭空腔中得到风速传感器，可以测量一维方向上的加速度。
(S-7)将四个风速传感器按照如图5所示的方式摆放，可以测量二维方向上的加速度。
本实施例利用新设计的U型热电阻传感器和T型加热器以及新的制备工艺制作的风速传感器，通过加热电阻调节与外界的温度差，保持恒定差值，使得当温度变化时，加热温度也相应发生变化，从而保证了传感器的输出灵敏度受温度变化影响较小。与现有的风速传感器相比，本发明具有传感器体积小、精度高、延展性好，可以很好地应用于各种场景，安装简单，更好地在实际操作中应用；通过合理的设置电阻的结构，提高了传感器的灵敏度和频率响应，并且降低了功耗等优点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种风速传感器，包括位于密闭空间的测速单元，其特征在于，所述测速单元包括位于密闭空间内的T型加热器（1）和测温传感器（2）；所述T型加热器（1）为T型结构，该T型结构的横部两端分别设有两个加热电阻；所述测温传感器（2）围绕设于所述T型结构的外侧，并且在位于所述T型结构的中间竖部两侧的位置分别设有两个测温电阻；以T型结构的中间竖部为对称轴，所述两个加热电阻呈对称放置，两个测温电阻呈对称设置；
所述的风速传感器通过以下制备方法制备得到：
（S-1）准备三层结构的SOI基板，通过热氧化工艺使该SOI基板的表面硅上形成一层二氧化硅薄膜；
（S-2）通过溅射工艺去掉加热电阻和测温电阻图案处的二氧化硅薄膜，暴露出SOI基板的表面硅；
（S-3）通过扩散法在测温电阻图案处的表面硅掺杂硼离子形成测温电阻；
（S-4）在所述测温电阻以及加热电阻对应的表面硅上通过光刻工艺刻蚀出电极图案；
（S-5）在所述SOI基板的硅表面通过磁控溅射形成铝层，旋涂光致抗蚀剂，曝光显影、刻蚀得到加热电阻的图案、测温电阻上电极的图案、以及与引线图案；
（S-6）反面刻蚀释放T型加热器（1）和测温传感器（2）的悬臂梁结构，得到所述测速单元，将该测速单元安装于硅衬底和顶部封装盖组成的密闭空腔中得到所述风速传感器。
2.根据权利要求1所述的一种风速传感器，其特征在于，所述加热电阻为铝热电阻。
3.根据权利要求2所述的一种风速传感器，其特征在于，所述铝热电阻的厚度为2~20μm。
4.根据权利要求2所述的一种风速传感器，其特征在于，所述T型加热器（1）为SOI基板制成，所述铝热电阻贴合于该SOI基板的表面硅层上。
5.根据权利要求1所述的一种风速传感器，其特征在于，所述测温传感器（2）为SOI基板制成，所述测温电阻为该SOI基板的表面硅经过离子注入得到的热敏电阻；所述热敏电阻的厚度为2~20μm。
6.根据权利要求1所述的一种风速传感器，其特征在于，沿所述T型结构的横部的延伸方向，位于所述对称轴两侧的加热电阻和测温电阻之间的距离为10～20μm。
7.根据权利要求1所述的一种风速传感器，其特征在于，所述T型加热器（1）为悬臂梁结构。
8.根据权利要求1所述的一种风速传感器，其特征在于，该风速传感器包括两个用于测量X方向加速度的X方向测速单元和两个用于测量Y方向加速度的Y方向测速单元，其中各个测速单元的T型结构横部与该测速单元对应的测量方向平行。
9.一种如权利要求1~8任一所述的风速传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（S-1）准备三层结构的SOI基板，通过热氧化工艺使该SOI基板的表面硅上形成一层二氧化硅薄膜；
（S-2）通过溅射工艺去掉加热电阻和测温电阻图案处的二氧化硅薄膜，暴露出SOI基板的表面硅；
（S-3）通过扩散法在测温电阻图案处的表面硅掺杂硼离子形成测温电阻；
（S-4）在所述测温电阻以及加热电阻对应的表面硅上通过光刻工艺刻蚀出电极图案；
（S-5）在所述SOI基板的硅表面通过磁控溅射形成铝层，旋涂光致抗蚀剂，曝光显影、刻蚀得到加热电阻的图案、测温电阻上电极的图案、以及与引线图案；
（S-6）反面刻蚀释放T型加热器（1）和测温传感器（2）的悬臂梁结构，得到所述测速单元，将该测速单元安装于硅衬底和顶部封装盖组成的密闭空腔中得到所述风速传感器。
10.根据权利要求9所述的一种风速传感器的制备方法，其特征在于，制备过程中，加工所述加热电阻和测温电阻时，先加工位于T形结构一侧的加热电阻和测温电阻，再加工位于T形结构另一侧的加热电阻和测温电阻。
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