CN204008693U - 一种热膜风速风向传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及风速风向检测技术领域，公开了一种热膜风速风向传感器，包括衬底、绝缘层、测温元件和加热元件；在衬底上表面形成有一定深度的多孔硅隔热层，且多孔硅隔热层上表面与衬底上表面平齐，多孔硅隔热层上表面和孔壁表面沉积有二氧化硅薄膜层；绝缘层贴覆在衬底上表面，测温元件和加热元件设置于绝缘层上表面；测温元件和加热元件位于多孔硅隔热层正上方所对应区域内。本实用新型具有结构紧凑、降低测量功耗、缩短传感器响应时间和增强芯片灵敏度的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及风速风向检测技术领域，尤其涉及一种具有多孔硅隔热层的热膜风速风向传感器。
背景技术
风能作为清洁无污染和可持续发展的能源一直是资源开放利用的重点。风速、风向是反应风影响的气象情况的重要参数，在航空航天、工农业生产、气象预报、气候分析等领域应用广泛，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响。只有快准确测量出风速和风向，才能更好的利用风能，因此风速风向测定具有重要的现实意义。
目前，可以利用风速风向传感器来测量风速和风向。风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。而风向传感器的变换器为码盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动，产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。传感器的变换器可采用精密导电塑料电位器，从而在电位器活动端产生变化的电压信号输出。这种风速风向传感器的价格相对昂贵，几千到几万不等，有的结合风速风向传感器的一体化气象站的价格可高达几百万。在实际应用中，研发体积小、重量轻、价格低廉、适合公众应用的风速风向传感器迫在眉睫。
热式风向风速传感器是测试处于通电状态下传感器因风而冷却产生的电阻变化，由此测试风速。除携带容易方便外，其成本性能比高，作为风速计的标准产品广泛地被采用。热式风速计的素子可使用白金线、电热偶、半导体等。
近些年来，微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)作为一种先进的制造技术平台，将微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常控制在毫米或微米级，已经涉及应用在微电子、材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域中的微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的LIGA(Lithographie，Galanoformung，Abformung)技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。微加工技术很适合于制作某些压力传感器、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等。
基于MEMS加工技术的热式风速风向传感器是通过其上的加热元件产生的热量与外界环境进行热交换来感应风的变化，利用的是强迫对流效应，而传感器总体功耗方面除了包括由于强迫对流效应造成的热损失以外，还包含由于热传导效应造成的功耗损失，这一部分功耗对于风的感知是不起任何作用的，因此如何减小热式风速风向传感器由于热传导效应造成的功率损失成了传感器设计的一大问题。此外，硅衬底的高热导率也使得这类传感器的功耗较大，灵敏度较低，产品的应用受到了很多的限制。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种热膜风速风向传感器，可通过在衬底中设置多孔硅隔热层，从而降低传感器进行风速风向测量时的功耗，确保测量的准确性。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
一种热膜风速风向传感器，包括：衬底、绝缘层、测温元件和加热元件；所述衬底的上表面形成有一定深度的多孔硅隔热层，且所述多孔硅隔热层的上表面与所述衬底的上表面平齐；所述多孔硅隔热层的上表面和孔壁表面形成有二氧化硅薄膜层；所述绝缘层贴覆在所述衬底上表面；所述测温元件和加热元件设置于所述绝缘层上表面，二者均为单晶硅材质；所述测温元件和加热元件位于所述多孔硅隔热层正上方的所对应的区域。
优选的，所述衬底由100晶向单晶硅制成。
优选的，所述多孔硅隔热层的厚度为20-100μm；所述二氧化硅薄膜层厚度为50-200nm。
所述绝缘层包括二氧化硅层和氮化硅层；所述二氧化硅层贴覆在所述衬底的上表面，所述氮化硅层覆盖在所述二氧化硅层的上表面。
所述测温元件和加热元件之间设置有ICP槽。
所述测温元件为四个，分别位于所述加热元件的周边，每个所述测温元件到所述加热元件的距离相等，且相对的所述测温元件以所述加热元件为中心相互对称，相邻的所述测温元件相对所述衬底端部距离均相等。
实施本实用新型具有如下有益效果：
1.功耗小。现有的基于为机械加工的热流量传感器，测温元件和加热元件直接设置在硅衬底上，或设置在衬底的空穴上方。前者由于硅衬底的高导热率，使得传感器热量向衬底传递较多，温升功率较大，传感器的灵敏度较低；后者虽解决了传感器功率问题，但空穴的存在使传感器结构强度较为脆弱，更容易损坏。本实用新型涉及的热膜风速风向传感器，通过在衬底中设置多孔硅隔热层，使从衬底上部传来的热量在多孔硅隔热层处无法继续向下扩散，从而实现了热隔离；多孔硅层中孔隙孔壁上形成的二氧化硅薄膜层凭借低于单晶硅的热导率进一步保证了隔热效果。同时由于测温元件和加热元件均设置于多孔硅隔热层正上方的氮化硅绝缘层上，二氧化硅、氮化硅绝缘层也有利于减少热量向下扩散。因此，本实用新型涉及的传感器在工作过程中，热量向衬底扩散比较小，传感器基本不受衬底高热导率的影响。这在提高传感器灵敏度的同时减小了功耗。
2.结构稳定性好。本实用新型涉及的热膜风速风向传感器，衬底表面未开槽，与衬底表面开槽的传感器相比，结构稳定性好，不易损坏，也更有利于后道工艺和封装。
3.灵敏度高、反应快。本实用新型涉及的热膜风速风向的测温元件和加热元件采用一次光刻工艺成型，避免了工艺上的对准问题，加工精度高。该传感器表面为感风面，热量主要向空气中传播，且面积仅为几个平方毫米，因此灵敏度高，响应快。
附图说明
图1是本实用新型所涉及的热膜风速风向传感器的剖面图；
图2是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S1后的结构示意图；
图3是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S2后的结构示意图；
图4是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S3后的结构示意图；
图5是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S4后的结构示意图；
图6是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S5中形成多晶硅层后的结构示意图；
图7是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S5中光刻形成元件后的结构示意图；
图8是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S6后的结构示意图；
图9是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S7中溅射形成金属层后的结构示意图；
图10是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S7中刻蚀形成金属电极后的结构示意图；
图11是在制备本实用新型的热膜风速风向传感器的方法中，完成步骤S8后的结构示意图。
附图标记表示为：1-衬底，2-绝缘层，3-测温元件，4-加热元件，5-多孔硅隔热层，6-二氧化硅层，7-氮化硅层，8-金属电极，9-碳化硅层，10-多晶硅层，11-金属层，12-孔壁，13-二氧化硅薄膜层，14-ICP槽。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
实施例1：
本实用新型公开的一种热膜风速风向传感器，如图1所示，包括：衬底1、绝缘层2、测温元件3和加热元件4。所述衬底1为100晶向单晶硅制成；所述衬底1的上表面形成有多孔硅隔热层5，且所述多孔硅隔热层5上表面与衬底1上表面平齐，所述多孔硅隔热层5的厚度为60μm。所述多孔硅隔热层5的上表面和其孔壁12表面形成有二氧化硅薄膜层13，且二氧化硅薄膜层13厚度为100nm；所述测温元件3和加热元件4位于多孔硅隔热层5正上方的区域内；所述测温元件3和加热元件4之间设置有ICP槽14。
所述绝缘层2贴覆在衬底1上表面，所述绝缘层2包括二氧化硅层6和氮化硅层7；所述二氧化硅层6贴覆在所述衬底1的上表面，所述氮化硅层7覆盖在所述二氧化硅层6的上表面。
所述测温元件3和加热元件4设置于绝缘层2的上表面，二者均为单晶硅材质，通过光刻沉积在绝缘层2表面的多晶硅层10制作形成。可以利用其本征塞贝克效应；与金属电阻相比，还具有灵敏度高，不受干挠的优点；多晶硅材质的加热堆作为加热元件，不需要铂电阻测温时需要的外加偏压，因而不会产生因偏压导致的输出信号偏移，使测量变得简便易行。所述测温元件3为四个，分别位于所述加热元件4的周边，每个所述测温元件3到所述加热元件4的距离相等，且相对的所述测温元件3以所述加热元件4为中心相互对称，相邻的所述测温元件3相对所述衬底1端部的距离均相等。
上述热膜风速风向传感器通过以下步骤制备得到：
S1：如图2所示，选取100晶向单晶硅片作为衬底1；
S2：如图3所示，在所述衬底1上部以腐蚀的方法制备厚度为60μm的多孔硅隔热层5，其具体步骤为：首先在所述衬底1上表面涂胶，然后用光刻机对硅片光刻去胶，再通过腐蚀形成多孔硅结构，作为隔热层；所述腐蚀形成多孔硅结构的具体方法为采用齐纳击穿单晶硅产生空穴来制备，腐蚀液为3％HF溶液，其电压控制在3V之间；利用电化学方法在不同的制备条件下在抛光单晶硅片表面形成多孔硅，可对多孔硅表面的形貌通过原子力显微镜和场发射扫描电子显微镜等进行表征，从而通过控制电流密度来控制生成的硅柱直径、高度、分布密度，为后期二氧化硅薄膜生长奠定一定的结构基础；
S3：如图4所示，所述多孔硅隔热层5的上表面和孔壁12表面形成有二氧化硅薄膜层13；制备二氧化硅薄膜层13的具体方法为采用热氧化工艺在所述多孔硅隔热层5的上表面和孔壁表面氧化，形成二氧化硅薄膜层13；具体条件为：将硅片使用热氧化工艺退火，其温度为1000℃，时间为7小时；
S4：如图5所示，采用化学气相沉积的方法，在所述衬底1的上表面制备绝缘层2；具体步骤为：首先在所述衬底1的上表面制备二氧化硅层6，再采用化学气相沉积的方法，在所述二氧化硅层6的上表面制备氮化硅层7；
S5：如图6所示，采用化学气相沉积的方法，在所述绝缘层2的上表面形成多晶硅层10；如图7所示，通过光刻所述多晶硅层10制作形成加热元件4和测温元件3；
S6：如图8所示，采用ICP硅深槽刻蚀技术，在所述测温元件3和加热元件4之间制作形成ICP槽14；所用方法具体为电感耦合等离子体(ICP)硅深槽刻蚀技术；
S7：如图9所示，采用磁控溅射的方法，在所述多晶硅层的上表面溅射形成金属层11；如图10所示，通过进行光刻、刻蚀、去胶形成金属电极8；
S8：如图11所示，采用气相沉积的方法，在步骤S7所得上表面上制备一定厚度的碳化硅层9，通过进行光刻、刻蚀、去胶形成压焊区。
实施例2：
本实用新型公开的一种热膜风速风向传感器，如图1所示，包括：衬底1、绝缘层2、测温元件3和加热元件4。所述衬底1为100晶向单晶硅制成；所述衬底1的上表面形成有多孔硅隔热层5，且所述多孔硅隔热层5上表面与衬底1上表面平齐，所述多孔硅隔热层5的厚度为60μm。所述多孔硅隔热层5的上表面和孔壁12表面形成有二氧化硅薄膜层13，且二氧化硅薄膜层13厚度为100nm；所述测温元件3和加热元件4位于多孔硅隔热层5正上方的区域内；所述测温元件3和加热元件4之间设置有ICP槽14。
所述绝缘层2贴覆在衬底1的上表面，所述绝缘层2包括二氧化硅层6和氮化硅层7；所述二氧化硅层6贴覆在所述衬底1的上表面，所述氮化硅层7覆盖在所述二氧化硅层6的上表面。
所述测温元件3和加热元件4设置于绝缘层2的上表面，二者均为单晶硅材质，通过光刻沉积在绝缘层2表面的多晶硅层10制作形成。可以利用其本征塞贝克效应；与金属电阻相比，还具有灵敏度高，不受干挠的优点；多晶硅材质的加热堆作为加热元件，不需要铂电阻测温时需要的外加偏压，因而不会产生因偏压导致的输出信号偏移，使测量变得简便易行。所述测温元件3为四个，分别位于所述加热元件4的周边，每个所述测温元件3到所述加热元件4的距离相等，且相对的所述测温元件3以所述加热元件4为中心相互对称，相邻的所述测温元件3相对所述衬底1端部的距离均相等。
上述热膜风速风向传感器通过以下步骤制备得到：
S1：如图2所示，选取100晶向单晶硅片作为衬底1；
S2：如图3所示，在所述衬底1上部以腐蚀的方法制备厚度为60μm的多孔硅隔热层5，其具体步骤为：首先在所述衬底1上表面涂胶，然后用光刻机对硅片光刻去胶，再通过腐蚀形成多孔硅结构，作为隔热层；所述腐蚀形成多孔硅结构的具体方法为干法腐蚀中的等离子体腐蚀法；
S3：如图4所示，所述多孔硅隔热层5的上表面和孔壁12表面形成有二氧化硅薄膜层13；制备二氧化硅薄膜层13的具体方法为采用热氧化工艺在所述多孔硅隔热层5的上表面和孔壁表面氧化，形成二氧化硅薄膜层13；具体条件为：将硅片使用热氧化工艺退火，其温度为1000℃，时间为7小时；
S4：如图5所示，采用化学气相沉积的方法，在所述衬底1的上表面制备绝缘层2；具体步骤为：首先在所述衬底1的上表面制备二氧化硅层6，再采用化学气相沉积的方法，在所述二氧化硅层6的上表面制备氮化硅层7；
S5：如图6所示，采用化学气相沉积的方法，在所述绝缘层2的上表面形成多晶硅层10；如图7所示，通过光刻所述多晶硅层10制作形成加热元件4和测温元件3；
S6：如图8所示，采用ICP硅深槽刻蚀技术，在所述测温元件3和加热元件4之间制作形成ICP槽14；所用方法具体为电感耦合等离子体(ICP)硅深槽刻蚀技术；
S7：如图9所示，采用磁控溅射的方法，在所述多晶硅层的上表面溅射形成金属层11；如图10所示，通过进行光刻、刻蚀、去胶形成金属电极8；
S8：如图11所示，采用气相沉积的方法，在步骤S7所得上表面上制备一定厚度的碳化硅层9，通过进行光刻、刻蚀、去胶形成压焊区。
本实用新型涉及的传感器是基于MEMS加工制作的热膜风速风向传感器，尤其是采用多孔硅实现隔热和采用多晶硅制作加热元件和测温元件的热膜风速风向传感器。本实用新型的传感器，通过在衬底中设置多孔硅隔热层，使从衬底上部传来的热量在多孔硅隔热层处无法继续向下扩散，从而实现了热隔离；多孔硅层中孔隙孔壁上形成的二氧化硅薄膜层凭借低于单晶硅的热导率进一步保证了隔热效果。同时由于测温元件和加热元件均设置于多孔硅隔热层正上方的氮化硅绝缘层上，绝缘层也有利于减少热量向下扩散。如此一来，本实用新型的传感器在工作过程中，热量向衬底扩散比较小，传感器基本不受衬底高热导率的影响。这在提高传感器灵敏度的同时减小了功耗。采用多晶硅制作加热元件和测温元件，使得测温元件的测温是基于多晶硅材料的本征塞贝克效应，这种测温方式除了具有灵敏度高、不受干挠的优点外，还不像铂电阻测温那样需要外加偏压，因而不会产生因偏压导致的输出信号偏移，使测量变得简单。另外，二维分布的对称结构设计，使得传感器可以同时得到相互正交的两组温度测量值，可据此计算得出风速和风向的信息。
实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：
1.功耗小。现有的基于为机械加工的热流量传感器，测温元件和加热元件直接设置在硅衬底上，或设置在衬底的空穴上方，前者由于硅衬底的高导热率，使得传感器热量向衬底传递较多，温升功率较大，传感器的灵敏度较低；后者虽解决了传感器功率问题，但空穴的存在使传感器结构强度较为脆弱，更容易损坏。本实用新型涉及的热膜风速风向，通过在衬底中设置多孔硅隔热层，使从衬底上部传来的热量在多孔硅隔热层处无法继续向下扩散，从而实现了热隔离；多孔硅层中孔隙孔壁上形成的二氧化硅薄膜层凭借低于单晶硅的热导率进一步保证了隔热效果。同时由于测温元件和加热元件均设置于多孔硅隔热层正上方的氮化硅绝缘层上，二氧化硅、氮化硅绝缘层也有利于减少热量向下扩散。因此，本实用新型涉及的热膜风速风向在工作过程中，热量向衬底扩散比较小，传感器基本不受衬底高热导率的影响。这在提高传感器灵敏度的同时减小了功耗。
2.结构稳定性好。本实用新型涉及的热膜风速风向传感器，衬底表面未开槽，与衬底表面开槽的传感器相比，结构稳定性好，不易损坏，也更有利于后道工艺和封装。
3.灵敏度高、反应快。本实用新型涉及的热膜风速风向的测温元件和加热元件采用一次光刻工艺成型，避免了工艺上的对准问题，加工精度高。该传感器表面为感风面，热量主要向空气中传播，且面积仅为几个平方毫米，因此灵敏度高，响应快。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种热膜风速风向传感器，其特征在于，包括：衬底(1)、绝缘层(2)、测温元件(3)和加热元件(4)；所述衬底(1)的上表面形成有一定深度的多孔硅隔热层(5)，且所述多孔硅隔热层(5)的上表面与所述衬底(1)的上表面平齐；所述多孔硅隔热层(5)的上表面和孔壁(12)表面形成有二氧化硅薄膜层(13)；所述绝缘层(2)贴覆在所述衬底(1)上表面；所述测温元件(3)和加热元件(4)设置于所述绝缘层(2)上表面，二者均为单晶硅材质；所述测温元件(3)和加热元件(4)位于所述多孔硅隔热层(5)正上方所对应的区域内。
2.根据权利要求1所述的热膜风速风向传感器，其特征在于，所述衬底(1)由100晶向单晶硅制成。
3.根据权利要求1或2所述的热膜风速风向传感器，其特征在于，所述多孔硅隔热层(5)的厚度为20-100μm。
4.根据权利要求1所述的热膜风速风向传感器，其特征在于，所述所述二氧化硅薄膜层(13)的厚度为50-200nm。
5.根据权利要求1、2或4任意一项所述的热膜风速风向传感器，其特征在于，所述绝缘层(2)包括二氧化硅层(6)和氮化硅层(7)；所述二氧化硅层(6)贴覆在所述衬底(1)的上表面，所述氮化硅层(7)覆盖在所述二氧化硅层(6)的上表面。
6.根据权利要求1所述的热膜风速风向传感器，其特征在于，所述测温元件(3)和加热元件(4)之间设置有ICP槽(14)。
7.根据权利要求1、2或6所述的热膜风速风向传感器，其特征在于，所述测温元件(3)为四个，分别位于所述加热元件(4)的周边，每个所述测温元件(3)到所述加热元件(4)的距离相等，且相对的所述测温元件(3)以所述加热元件(4)为中心相互对称，相邻的所述测温元件(3)相对所述衬底(1)端部距离均相等。
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