CN204359814U - 一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器 - Google Patents

一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器 Download PDF

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一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，适用于风速和风向测量领域。本实用新型的目的是要解决现有的风速风向传感器受环境温湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题。一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器其特征在于：主要有硅基底、二氧化硅绝缘层、镍铬合金膜加热线圈，氧化铝绝缘层、镍铬合金膜传感器、连接线和凹槽构成。一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，内置镍铬合金膜加热线圈，可为传感器提供适应的工作温度，8个传感器单元同时对风速风向信息进行测量，可进一步提高测量精度，悬臂梁式结构可大大减小热量的浪费，MEMS技术的应用，可使本传感器体积变小、成本降低。

Description

一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器
技术领域
本发明涉及风速和风向测量及其传感器的结构领域。
背景技术
风力资源指大气沿地球表面流动而产生的动能资源，无处不在，可供人们利用。风速风向的测量在气象预报、环境检测与控制方面等方面具有重要的研究意义和应用价值。近年来，由于自然灾害的逐渐增多，气象检测在人们中的地位也越来越高，环境中温湿度的测量技术已经相对成熟，因此对风速风向的测量成为人们关注的焦点，因而对风速风向传感器的要求也就越来越高。传统的测量方法主要用风杯来测量风速，用风标来测量风向，这些机械装置不仅体积较大而且需要经常检查维护，需要耗费大量的人力物力。随着MEMS技术的发展，现在又研制出硅薄膜式传感器和硅悬梁式传感器，这两种传感器体积减小，价格降低，但是由于传感器的工作环境随外界环境变化而变化，误差较大、精度较低。
本发明的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器解决了现有传感器的问题，采用MEMS技术，整个传感器结构体积小、重量轻、价格低；本传感器结构内部具有镍铬合金膜加热线圈，可为各传感器单元提供最适合的工作温度；同时本传感器的悬臂梁式结构可大大减小热量的散失、降低功耗、提高能量利用率，对于实现风速风向的实时检测具有重大的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明是为了解决现有的风速风向传感器受环境温湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题，而提出的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器。
一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，该传感器由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、镍铬合金膜加热线圈(3)、风速风向传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)、氧化铝绝缘层(6)、风速风向传感器单元(7)、环境温湿度传感器(8)、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)和凹槽(11)组成；所述的硅基底(1)与所述的镍铬合金膜加热线圈、风速风向传感器单元焊盘、环境温湿度传感器单元焊盘、加热温度传感器单元焊盘、镍铬合金膜加热线圈焊盘通过二氧化硅绝缘层(2)连接并实现绝缘，所述的镍铬合金膜加热线圈、连接线(10)与所述的风速风向传感器单元、环境温湿度传感器单元、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)通过氧化铝绝缘层(6)连接并实现绝缘。
进一步，该传感器各部分结构间的连接方式：镍铬合金膜加热线圈(3-1)与镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-1)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-4)相连，镍铬合金膜加热线圈(3-2)与镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-2)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-3)相连；风速风向传感器单元焊盘(4-1)、风速风向传感器单元焊盘(4-2)与风速风向传感器单元的(7-8)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-2)、风速风向传感器单元焊盘(4-3)与风速风向传感器单元(7-1)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-3)、风速风向传感器单元焊盘(4-6)与风速风向传感器单元(7-2)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-6)、风速风向传感器单元焊盘(4-7)与风速风向传感器单元(7-3)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-7)、风速风向传感器单元焊盘(4-8)与风速风向传感器单元(7-4)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-8)、风速风向传感器单元焊盘(4-9)与风速风向传感器单元(7-5)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-11)、风速风向传感器单元焊盘(4-14)与风速风向传感器单元(7-6)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-14)、风速风向传感器单元焊盘(4-15)与风速风向传感器单元(7-7)的两端相连并为之提供工作电压；环境湿度传感器单元焊盘(4-4)、环境湿度传感器单元焊盘(4-5)与环境湿度传感器单元(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，环境温度传感器单元焊盘(4-12)、环境温度传感器单元焊盘(4-13)与环境温度传感器单元(8-2)的两端相连并为之提供工作电压，加热温度传感器单元焊盘(4-10)、加热温度传感器单元焊盘(4-16)与加热温度传感器单元(9)的两端相连并为之提供工作电压。
进一步，该传感器采用两组半圆形同心环形镍铬合金膜加热线圈(3)，对各传感器单元进行对称、均匀加热。
进一步，该传感器采用悬臂梁式结构。
进一步，该传感器采用对称结构，该对称结构为：硅基底(1)和二氧化硅绝缘层(2)的(100)面均为8000μm×8000μm呈中心对称的正方形结构；镍铬合金膜加热线圈(3)、风速风向传感器单元焊盘(4)和镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)关于坐标轴呈中心对称结构；氧化铝绝缘层(6)关于坐标轴呈中心对称结构；风速风向传感器单元(7)和凹槽(11)关于坐标轴呈中心对称结构。
进一步，风速风向传感器单元(7)、环境温湿度传感器(8)和加热温度传感器单元(9)分布在8000μm×8000μm的平面上。
进一步，该传感器由硅基底、二氧化硅绝缘层、镍铬合金膜加热线圈、16个风速风向传感器单元焊盘、4个镍铬合金膜加热线圈焊盘、氧化铝绝缘层、8个风速风向传感器单元、1个环境温湿度传感器、1个加热温度传感器单元、连接线和凹槽组成。其结构形成过程为：先在硅基底上表面氧化生成一层二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅绝缘层上表面通过磁控溅射技术生成一层镍铬合金膜加热线圈、16个风速风向传感器单元焊盘和4个镍铬合金膜加热线圈焊盘，依次使用磁控溅射与氧化的方法在二氧化硅绝缘层和镍铬合金膜加热线圈之上生成一层氧化铝绝缘层，并露出风速风向传感器单元焊盘和镍铬合金膜加热线圈焊盘，然后使用磁控溅射技术在对应焊盘上溅射一定厚度的对应大小的焊盘，再在焊盘、氧化铝绝缘层之上再生长16个一定厚度的风速风向传感器单元焊盘、4个镍铬合金膜加热线圈焊盘、8个风速风向传感器单元、1个环境温湿度传感器、1个加热温度传感器单元和连接线，最后进行镂空处理，先用盐酸对氧化铝绝缘层进行镂空形成4个凹槽，再用氢氟酸对二氧化硅绝缘层进行镂空形成4个凹槽，然后用EPW腐蚀剂对硅基底进行镂空形成4个凹槽，最后再用EPW腐蚀剂对硅的下表面进行镂空，形成1个凹槽，至此，一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器就形成了。
本传感器的结构具体通过以下几个步骤实现。
步骤一：准备晶向为(100)， 规格为8000×8000×(200~300)μm3的硅片作为基底，清洁基底的表面。
步骤二：用氢氟酸清洗掉硅上表面已被氧化生成的二氧化硅，通过干氧-湿氧-干氧交替氧化的方法，生长一层二氧化硅绝缘层，厚度为2~5μm。
步骤三：在二氧化硅绝缘层上通过磁控溅射技术，生长一层镍铬合金膜加热线圈、风速风向传感器单元焊盘和镍铬合金膜加热线圈焊盘，厚度均等，为2~4μm，镍铬合金膜加热线圈，最大半径为2000μm，环形线圈宽度为200μm，线圈之间间隔为200μm，最小的环形线圈半径为400μm，整个镍铬合金膜加热线圈被分成两个部分，分别和4个镍铬合金膜加热线圈焊盘相连，镍铬合金膜加热线圈的两部分相距50μm，风速风向传感器单元焊盘尺寸为700×700×(2~4)μm3，镍铬合金膜加热线圈焊盘尺寸为800×800×(2~4)μm3；两部分镍铬合金膜加热线圈与镍铬合金膜加热线圈焊盘通过宽度为50μm镍铬合金膜连接线相连。
步骤四：在通过上述步骤形成的整个结构中，再通过磁控溅射技术，溅射一层铝，经氧化后形成一层厚度为5~6μm氧化铝绝缘层，并露出风速风向传感器单元焊盘和镍铬合金膜加热线圈焊盘。
步骤五：先在20个焊盘的对应位置上采用磁控溅射技术，生成厚度为5~6μm的风速风向传感器单元焊盘和镍铬合金膜加热线圈焊盘，使各个焊盘上表面的高度和氧化铝绝缘层上表面的高度平齐，再使用磁控溅射技术，生成厚度为2~4μm的风速风向传感器单元焊盘、镍铬合金膜加热线圈焊盘、风速风向传感器单元、环境温湿度传感器、加热温度传感器单元和连接线。
步骤六：整体结构形成后，采用镂空技术，形成凹槽，分别用盐酸、HF酸和EPW腐蚀剂对氧化铝绝缘层、二氧化硅绝缘层和硅基底从正面对结构进行腐蚀，再用EPW腐蚀剂从背面对硅基底进行腐蚀，就可以得到一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器。
本发明的优点为：这种方式形成的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，可通过镍铬合金膜加热线圈对传感器进行加热，中间加热线圈温度传感器可实时检测传感器工作温度，便于实时控制，为各个传感器单元提供适宜的工作温度，提高本传感器的精度；一种悬臂梁式结构可大大减小热量的散失，降低功耗、节约能源；传感器结构的对称设计，可减小外界环境带来的误差，提高测量的准确度；温湿度传感器的添加，可为后续数据处理电路提供测量参数，进行温湿度自补偿计算；借助MEMS技术，可使本传感器体积减小、重量减轻、价格降低、集成度变高。
附图说明
图1为一种镍铬合金膜加热的风速风向集成传感器的拼装图。
图2为一种镍铬合金膜加热的风速风向集成传感器的制备流程示意图。
图3为图2(f)的A-A’剖面图。
图4为图2(f)的底面示意图。
图5为传感器单元在绝缘层上分布的俯视图。
图6为传感器单元、连接线和绝缘层相对位置分布俯视图。
图7为一种镍铬合金膜加热的风速风向集成传感器焊盘和加热线圈的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1描述本实施方式，本传感器由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、镍铬合金膜加热线圈(3)、风速风向传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)、氧化铝绝缘层(6)、风速风向传感器单元(7)、环境温湿度传感器(8)、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)和凹槽(11)组成。镍铬合金膜加热线圈(3)由(3-1)和(3-2)两部分组成，镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)由(5-1)、(5-2)、(5-3)和(5-4)四部分组成，镍铬合金膜加热线圈焊盘的(5-1)和(5-4)两部分分别与镍铬合金膜加热线圈的(3-1)部分相连并为之提供加热电压，镍铬合金膜加热线圈焊盘的(5-2)和(5-3)两部分分别与镍铬合金膜加热线圈的(3-2)部分相连并为之提供加热电压；风速风向传感器单元焊盘(4)由(4-1)、(4-2)、(4-3)、(4-4)、(4-5)、(4-6)、(4-7)、(4-8)、(4-9)、(4-10)、(4-11)、(4-12)、(4-13)、(4-14)、(4-15)和(4-16)16个传感器单元焊盘组成，风速风向传感器单元(7)由(7-1)、(7-2)、(7-3)、(7-4)、(7-5)、(7-6)、(7-7)、(7-8)8个风速风向传感器单元构成，环境温湿度传感器(8)由环境湿度传感器单元(8-1)和环境温度传感器单元(8-2)两部分构成，(4-1)和(4-2)分别与风速风向传感器单元的(7-8)的两端相连并为之提供工作电压，(4-2)和(4-3)分别与风速风向传感器单元(7-1)的两端相连并为之提供工作电压，(4-3)和(4-6)分别与风速风向传感器单元(7-2)的两端相连并为之提供工作电压，(4-6)和(4-7)分别与风速风向传感器单元(7-3)的两端相连并为之提供工作电压，(4-7)和(4-8)分别与风速风向传感器单元(7-4)的两端相连并为之提供工作电压，(4-8)和(4-9)分别与风速风向传感器单元(7-5)的两端相连并为之提供工作电压，(4-11)和(4-14)分别与风速风向传感器单元(7-6)的两端相连并为之提供工作电压，(4-14)和(4-15)分别与风速风向传感器单元(7-7)的两端相连并为之提供工作电压，(4-4)和(4-5)分别与环境湿度传感器单元(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，(4-12)和(4-13)分别与环境温度传感器单元(8-2)的两端相连并为之提供工作电压，(4-10)和(4-16)分别与加热温度传感器单元(9)的两端相连并为之提供工作电压；凹槽(11)由(11-1)、(11-2)、(11-3)、(11-4)、(11-5)、(11-6)、(11-7)、(11-8)、(11-9)、(11-10)、(11-11)、(11-12)、(11-13)这13部分构成；连接线(10)包括11个传感器单元和焊盘之间的连接线。
具体实施方式二：结合图2和图4描述本实施方式，从本传感器的俯视面开始，依次用盐酸、氢氟酸、EPW腐蚀剂，腐蚀掉不需要的氧化铝、二氧化硅和硅，形成悬臂梁式结构。
具体实施方式三：结合图2和图3描述本实施方式，本传感器的硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、镍铬合金膜加热线圈(3)、风速风向传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)、氧化铝绝缘层(6)、风速风向传感器单元(7)和凹槽(11)均呈对称结构。
具体实施方式四：结合图2描述本实施方式，镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)和镍铬合金膜加热线圈(3)相连，当在镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)施加电压后，在镍铬合金膜加热线圈(3)内就会有电流通过，根据公式Q=I2×R×t，可知镍铬合金膜加热线圈(3)就会产生热量，氧化铝绝缘层(6)就会被加热，在氧化铝绝缘层(6)之上的传感器单元(8)、(9)、(10)的工作温度就会升高，传感器单元的工作温度就可以人为的得到控制。
具体实施方式五：结合图2描述本实施方式，本传感器的温湿度传感器单元(8)，可实时监测环境温湿度，并且可以为后续环境温湿度自补偿电路提供实时数据。
具体实施方式六：结合图2描述本实施方式，本传感器借助MEMS技术，制成的传感器体积小、重量轻。

Claims (6)

1.一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，其特征是：它是由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、镍铬合金膜加热线圈(3)、风速风向传感器单元焊盘(4)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)、氧化铝绝缘层(6)、风速风向传感器单元(7)、环境温湿度传感器(8)、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)和凹槽(11)组成；所述的硅基底(1)与所述的镍铬合金膜加热线圈、风速风向传感器单元焊盘、环境温湿度传感器单元焊盘、加热温度传感器单元焊盘、镍铬合金膜加热线圈焊盘通过二氧化硅绝缘层(2)连接并实现绝缘，所述的镍铬合金膜加热线圈、连接线(10)与所述的风速风向传感器单元、环境温湿度传感器单元、加热温度传感器单元(9)、连接线(10)通过氧化铝绝缘层(6)连接并实现绝缘。
2.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，其特征是：传感器各部分结构间的连接方式：镍铬合金膜加热线圈(3-1)与镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-1)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-4)相连，镍铬合金膜加热线圈(3-2)与镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-2)、镍铬合金膜加热线圈焊盘(5-3)相连；风速风向传感器单元焊盘(4-1)、风速风向传感器单元焊盘(4-2)与风速风向传感器单元的(7-8)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-2)、风速风向传感器单元焊盘(4-3)与风速风向传感器单元(7-1)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-3)、风速风向传感器单元焊盘(4-6)与风速风向传感器单元(7-2)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-6)、风速风向传感器单元焊盘(4-7)与风速风向传感器单元(7-3)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-7)、风速风向传感器单元焊盘(4-8)与风速风向传感器单元(7-4)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-8)、风速风向传感器单元焊盘(4-9)与风速风向传感器单元(7-5)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-11)、风速风向传感器单元焊盘(4-14)与风速风向传感器单元(7-6)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘(4-14)、风速风向传感器单元焊盘(4-15)与风速风向传感器单元(7-7)的两端相连并为之提供工作电压；环境湿度传感器单元焊盘(4-4)、环境湿度传感器单元焊盘(4-5)与环境湿度传感器单元(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，环境温度传感器单元焊盘(4-12)、环境温度传感器单元焊盘(4-13)与环境温度传感器单元(8-2)的两端相连并为之提供工作电压，加热温度传感器单元焊盘(4-10)、加热温度传感器单元焊盘(4-16)与加热温度传感器单元(9)的两端相连并为之提供工作电压。
3.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，其特征是：该传感器采用两组半圆形同心环形镍铬合金膜加热线圈(3)，对各传感器单元进行对称、均匀加热。
4.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，其特征是：该传感器采用悬臂梁式结构。
5.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，其特征是：该传感器采用对称结构，该对称结构为：硅基底(1)和二氧化硅绝缘层(2)的(100)面均为8000μm×8000μm呈中心对称的正方形结构；镍铬合金膜加热线圈(3)、风速风向传感器单元焊盘(4)和镍铬合金膜加热线圈焊盘(5)关于坐标轴呈中心对称结构；氧化铝绝缘层(6)关于坐标轴呈中心对称结构；风速风向传感器单元(7)和凹槽(11)关于坐标轴呈中心对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器，其特征是：风速风向传感器单元(7)、环境温湿度传感器(8)和加热温度传感器单元(9)分布在8000μm×8000μm的平面上。
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