CN209342746U - 一种双加热电极宽量程风速传感器 - Google Patents
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Abstract
一种双加热电极宽量程风速传感器，用于提高检测灵敏度和速率，属于风速传感器领域。本实用新型包括：加热器电极位于八边形衬底的中心，加热器电极由双加热器围成中心为方形盘绕式结构和四个引用电极组成，四个引用电极分别从方形盘绕式结构的四个角引出，且每个引用电极的宽度逐渐变宽；每个温度探测器电极为对称结构，包括扇形本体及该本体边缘引出并延伸至八边形衬底边缘的两个探测电极，四个温度探测器电极分布在加热器电极周围的八边形衬底上，加热器电极的每相邻两个引出电极之间设置一个温度探测器电极；在每个温度探测器电极与加热器电极之间的八边形衬底上设置一个热隔离槽。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种风速传感器，特别涉及一种双加热电极宽量程风速传感器。
背景技术
风速传感器广泛应用于风力发电、矿山通风、太阳能发电风向控制及气体流量监测等领域。
现有采用氮化铝陶瓷基片作为衬底，在惰性的高温环境中非常稳定，在空气中，温度高于700℃时，氮化铝物质表面会发生微氧化作用，形成5-10纳米厚的Al2O3氧化物薄膜，起到保护作用，同时通过中间加热电极加热附近空气温度，利用温度探测测量周围空气温度，利用热温差原理达到测量风速，但是这种热温差型风速传感器具有检测量程小、功耗高、响应速率慢等问题，且硅基结构工艺复杂，兼容性差，高温恶劣环境下产品可靠性不高等问题，一直制约着微热型风速传感器的发展和应用。
发明内容
针对上述不足，本实用新型提供一种提高检测灵敏度和检测速率的双加热电极宽量程风速传感器。
本实用新型的一种宽量程风速传感器，包括八边形衬底1、四个温度探测器电极3、加热器电极4和四个热隔离槽5，所述加热器电极4位于八边形衬底1的中心，加热器电极4由双加热器围成中心为方形盘绕式结构和四个引用电极组成，所述四个引用电极分别从所述方形盘绕式结构的四个角引出，延伸至八边形衬底1的边缘，且每个引用电极的宽度逐渐变宽，四个引出电极呈十字交叉；
每个温度探测器电极3为对称结构，包括扇形本体及该本体边缘引出并延伸至八边形衬底1边缘的两个探测电极，四个温度探测器电极3分布在加热器电极4周围的八边形衬底1上，加热器电极4的每相邻两个引出电极之间设置一个温度探测器电极3；
在每个温度探测器电极3与加热器电极4之间的八边形衬底1上设置一个热隔离槽5。
优选的是，所述传感器还包括八边形导热介质层2；
八边形导热介质层2镀在八边形衬底1上，四个温度探测器电极3、加热器电极4和四个热隔离槽5设置在八边形导热介质层2上。
优选的是，所述八边形衬底1为纯度99％的三氧化二铝陶瓷衬底；
八边形导热介质层2为氮化铝导热介质薄膜；
四个温度探测器电极3和加热器电极4均为铂膜。
优选的是，所述加热器电极4的四个引出电极的末端和温度探测器电极3的八个探测电极的末端均设置有引出焊盘；所述八边形衬底1的边缘设置了12个通孔焊盘6，通孔焊盘的位置与加热器电极4和温度探测器电极3的引出焊盘的位置对应，位置对应的通孔焊盘与引出焊盘连接。
优选的是，引线穿过引出焊盘和通孔焊盘，从八边形衬底1的背面引出，且引出焊盘和通孔焊盘内设置铂浆焊接覆盖。
优选的是，八边形衬底1厚度为0.1-0.15mm，八边形导热介质层2膜厚0.1-10μm，温度探测器电极3和加热器电极4薄膜厚度均为50-500nm，加热器电极4的薄膜线宽a为40-100μm，温度探测器电极3的薄膜线宽b为10-50μm，热隔离槽5的槽深为0.1-0.15mm，槽宽为20-50μm，通孔焊盘6的通孔直径50-100μm。
优选的是，所述八边形衬底1包括四个等长的长边和四个等长的短边，四个长边和四个短边交替连接，四个温度探测器电极3的引出焊盘分布在四个短边边缘，加热器电极4的四个引出焊盘分布在相对的四个长边边缘。
本实用新型的有益效果，本实用新型的传感器中心形成的温度场为方形，有利于向四个方向热扩散，温度的扩散场为扇形，有利于对称温度场形成，双加热器引出电极延伸至边缘焊盘处，电极宽度逐渐变宽，减小了引出电极对温度场影响，采用双加热器使得传感器加热功率提高一倍，从而使得热温差灵敏度大幅提高，拓宽了风速量程检测范围，同时高温度场又可提升抵抗环境温度变化的影响。为提高热温差风速传感器设计精度，本实用新型的四个温度探测器电极3为扇形结构，四个温度探测器电极3形成四个扇形区域正好覆盖加热器电极4的四个温度扩散场，此扇形探测器电极结构设计最大面积覆盖了温度扩散场，有利于提高热场交换面积和效率，提高风速检测灵敏度和检测精度。
附图说明
图1是本实用新型一种双加热电极宽量程风速传传感器芯片的平面结构图。
图2是图1的截面结构图。
图3是图1中一个温度探测器电极结构图。
图4是图1中双加热器电极结构图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。
本实施方式的一种宽量程风速传感器，如图1和图2所示，包括八边形衬底1、四个温度探测器电极3、加热器电极4和四个热隔离槽5，所述加热器电极4位于八边形衬底 1的中心，加热器电极4由双加热器围成中心为方形盘绕式结构和四个引用电极组成，所述四个引用电极分别从所述方形盘绕式结构的四个角引出，延伸至八边形衬底1的边缘，且每个引用电极的宽度逐渐变宽，四个引出电极呈十字交叉；
每个温度探测器电极3为对称结构，包括扇形本体及该本体边缘引出并延伸至八边形衬底1边缘的两个探测电极，四个温度探测器电极3分布在加热器电极4周围的八边形衬底1上，加热器电极4的每相邻两个引出电极之间设置一个温度探测器电极3；
在每个温度探测器电极3与加热器电极4之间的八边形衬底1上设置一个热隔离槽5。
本实施方式为保证无风时温度场平衡，传感器的铂膜电极采用严格对称结构设计，如图4所示，加热器电极4为方盘型形结构设置，即两个加热电极盘绕在一起，成方形结构，位于传感器中心，传感器中心形成的温度场为方形，有利于向四个方向热扩散，温度的扩散场为扇形，有利于对称温度场形成，两加热器引出电极延伸至边缘焊盘处，电极宽度逐渐变宽，减小了引出电极对温度场影响，采用双加热电极使得传感器加热功率提高一倍，从而使得热温差灵敏度大幅提高，拓宽了风速量程检测范围，同时高温度场又可提升抵抗环境温度变化的影响。
如图3所示，本实施方式的温度探测器电极3为扇形结构设置，四个温度探测器电极 3形成四个扇形区域正好覆盖加热器电极4的四个温度扩散场，有利于提高热场交换面积和效率，提高风速风向灵敏度和检测精度。
优选实施例中，本实施方式的传感器还包括八边形导热介质层2；
八边形导热介质层2镀在八边形衬底1上，四个温度探测器电极3、加热器电极4和四个热隔离槽5设置在八边形导热介质层2上。
当加热器电极4加热时，本实施方式的八边形导热介质层2有利于温度横向快速传导，即降低了纵向热传导损耗，又降低了横向热梯度，有利于提高热响应速率，从而提高了风速风向的检测速率。
优选实施例中，所述八边形衬底1为纯度99％的三氧化二铝陶瓷衬底；
八边形导热介质层2为氮化铝导热介质薄膜，氮化铝导热介质薄膜为高热导率介质膜，同时具有高介电系数，在高导热氮化铝膜上形成铂膜金属电极结构。
四个温度探测器电极3和加热器电极4均为铂膜。
本实施方式的八边形导热介质层2为高热导率氮化铝薄膜，高热导率氮化铝薄膜镀在低导热率材料三氧化二铝衬底1上，形成复合陶瓷介质膜，铂膜的加热器电极4和温度探测器电极3镀在氮化铝介质膜表面，三种材料导热系数具有纵向梯度，降低了纵向热传导损耗，有利于温度横向快速传导，此结构设计提高了热响应速率，从而提高了风速风向的检测速率。
优选实施例中，所述加热器电极4的四个引出电极的末端和温度探测器电极3的八个探测电极的末端均设置有引出焊盘；所述八边形衬底1的边缘设置了12个通孔焊盘6，通孔焊盘的位置与加热器电极4和温度探测器电极3的引出焊盘的位置对应，位置对应的通孔焊盘与引出焊盘连接。
优选实施例中，引线穿过引出焊盘和通孔焊盘，从八边形衬底1的背面引出，且引出焊盘和通孔焊盘内设置铂浆焊接覆盖，焊盘上实施铂浆850℃烧结焊接，通孔焊盘由铂浆烧结焊接覆盖，此焊接方法即达到了焊接引线作用，同时又对引线起到固定作用，提高了可靠性，同时传感器芯片表面无引线和焊接余高突起分布，减小了对气流影响，降低了封接干扰问题。
优选实施例中，八边形衬底1厚度为0.1-0.15mm，八边形导热介质层2膜厚0.1-10μm，温度探测器电极3和加热器电极4薄膜厚度均为50-500nm，加热器电极4的薄膜线宽a为40-100μm，温度探测器电极3的薄膜线宽b为10-50μm，热隔离槽5的槽深为0.1-0.15mm，槽宽为20-50μm，通孔焊盘6的通孔直径50-100μm。
优选实施例中，所述八边形衬底1包括四个等长的长边和四个等长的短边，四个长边和四个短边交替连接，四个温度探测器电极3的引出焊盘分布在四个短边边缘，加热器电极4的四个引出焊盘分布在相对的四个长边边缘。
本实施方式的双加热电极宽量程风速传感器的制造方法，具体包括：
步骤一：对三氧化二铝陶瓷衬底进行清洗和烘烤：
将三氧化二铝陶瓷衬底依次放入稀硫酸、去离子水、丙酮溶液、去离子水和酒精溶液中，分别进行超声清洗，清洗时间分别为2min、8min、5min、8min和5min，取出后放入 150℃干燥箱中进行烘烤2h；
步骤二：在步骤一烘烤后的三氧化二铝陶瓷衬底上溅射氮化铝导热介质薄膜：
对步骤一烘烤后的三氧化二铝陶瓷衬底，采用磁控射频溅射方法，在氩气和氮气2:1 比例，保持压强0.5-1.2Pa环境下进行溅射氮化铝薄膜，获得氮化铝导热介质薄膜；
步骤三：对步骤二溅射氮化铝导热介质薄膜的三氧化二铝陶瓷衬底进行氮化或氧化处理：
将步骤二中溅射有氮化铝薄膜的三氧化二铝陶瓷衬底，放入管式低温炉中，氮气环境下500℃烧结2h，在氧气环境下500℃烧结2h,使得残留金属铝再次氮化或氧化；
步骤四：在步骤三氮化或氧化氮化或氧化氮化铝导热介质薄膜上形成一层正性光刻胶：
对步骤三中溅射有氮化铝薄膜的三氧化二铝陶瓷衬底，进行正性光刻胶匀胶工艺，胶膜厚度1-2μm，并放入在100-120℃进行10-15min烘烤处理，在三氧化二铝陶瓷衬底的氮化铝导热介质薄膜上形成一层正性光刻胶；
步骤五：制作制版模具，所述制版模具为四个温度探测器电极3和加热器电极4所形成传感器电极表面结构的相反图案的掩模版，利用制版模具对步骤四形成的正性光刻胶上进行反版曝光和显影，获得带有光刻胶图案的三氧化二铝陶瓷衬底：
对步骤四中涂有光刻胶的三氧化二铝陶瓷衬底，用制版模具对氮化铝介质膜上的光刻胶进行紫外曝光，曝光时间为20-30s后，并放入干燥箱中90-100℃烘烤10-15min，取出放入正性胶显影液中显影1-3min，直至光刻胶图案清晰，并用去离子水冲洗掉显影液，放入90℃干燥箱中烘烤10-15min，获得带有光刻胶图案的三氧化二铝陶瓷衬底；
步骤六：将步骤五中带有光刻胶图案的三氧化二铝陶瓷衬底，金属化成膜，形成带有覆盖铂膜图案的三氧化二铝陶瓷衬底：
将步骤五中带有光刻胶图案的三氧化二铝陶瓷衬底，放入磁控溅射镀膜机中，用99.999％的铂金靶材作为溅射靶材，进行磁控溅射镀膜，镀膜时间为15-20min，形成带有覆盖铂膜图案的三氧化二铝陶瓷衬底；
步骤七：将步骤六中带有覆盖铂膜图案的三氧化二铝陶瓷衬底进行柔性机械剥离，在三氧化二铝陶瓷衬底上的氮化铝介质薄膜表面留下了与制版模具相反图案的铂膜传感器电极图案结构：
将步骤六中带有覆盖铂膜图案的三氧化二铝陶瓷衬底放入丙酮溶液中浸泡2-5min，溶解光刻胶，同时对带有覆盖铂膜图案的三氧化二铝陶瓷衬底在30kHz频率下进行超声 20-30s处理，破坏铂膜图案台阶连接处，同时加速溶解光刻胶图案,再超声清洗10-20s，取出后采用柔性聚丙烯胶带采用机械剥离法剥离掉光刻胶表面的铂膜，在三氧化二铝陶瓷衬底上的氮化铝介质薄膜表面留下了与制版模具相反图案的铂膜传感器电极图案结构；
步骤八：利用激光划片机在步骤七的铂膜传感器电极图案结构中的加热器电极4外围和引出焊盘的中心的三氧化二铝陶瓷衬底上进行激光刻蚀，刻蚀形成热隔离槽和焊盘通孔 6：
步骤九：铂丝引线从引出焊盘穿过焊盘通孔，铂丝引线在三氧化二铝陶瓷衬底背面引出，三氧化二铝陶瓷衬底正面的焊盘覆盖铂浆焊料，放入850℃高温炉中退火处理10min, 取出后焊盘覆盖玻璃釉保护层，放入750-800℃高温炉中再次退火处理10min进行固化, 即获得双加热电极宽量程风速传感器。
步骤二中，在氩气和氮气2:1比例保持压强0.5-1.2Pa环境下进行射频溅射氮化铝薄膜，射频溅射过程：
溅射温度在室温25℃和200℃交替进行，即在室温25℃磁控射频溅射氮化铝薄膜2h，加热至200℃，再射频溅射氮化铝薄膜2h，待降温到室温25℃，在进行镀膜射频溅射氮化铝薄膜；
重复上述射频溅射过程2-3次，可得到具有晶界明显的多层氮化铝薄膜，有利于提高横向导热率，降低纵向热导损耗，获得镀有氮化铝薄膜的Al2O3陶瓷基片衬底。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本实用新型，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本实用新型的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (7)
1.一种双加热电极宽量程风速传感器，包括八边形衬底(1)、四个温度探测器电极(3)、加热器电极(4)和四个热隔离槽(5)，其特征在于，所述加热器电极(4)位于八边形衬底(1)的中心，加热器电极(4)由双加热器围成中心为方形盘绕式结构和四个引用电极组成，所述四个引用电极分别从所述方形盘绕式结构的四个角引出，延伸至八边形衬底(1)的边缘，且每个引用电极的宽度逐渐变宽，四个引出电极呈十字交叉；
每个温度探测器电极(3)为对称结构，包括扇形本体及该本体边缘引出并延伸至八边形衬底(1)边缘的两个探测电极，四个温度探测器电极(3)分布在加热器电极(4)周围的八边形衬底(1)上，加热器电极(4)的每相邻两个引出电极之间设置一个温度探测器电极(3)；
在每个温度探测器电极(3)与加热器电极(4)之间的八边形衬底(1)上设置一个热隔离槽(5)。
2.根据权利要求1所述的一种双加热电极宽量程风速传感器，其特征在于，所述传感器还包括八边形导热介质层(2)；
八边形导热介质层(2)镀在八边形衬底(1)上，四个温度探测器电极(3)、加热器电极(4)和四个热隔离槽(5)设置在八边形导热介质层(2)上。
3.根据权利要求2所述的一种双加热电极宽量程风速传感器，其特征在于，所述八边形衬底(1)为纯度99％的三氧化二铝陶瓷衬底；
八边形导热介质层(2)为氮化铝导热介质薄膜；
四个温度探测器电极(3)和加热器电极(4)均为铂膜。
4.根据权利要求3所述的一种双加热电极宽量程风速传感器，其特征在于，所述加热器电极(4)的四个引出电极的末端和温度探测器电极(3)的八个探测电极的末端均设置有引出焊盘；所述八边形衬底(1)的边缘设置了12个通孔焊盘(6)，通孔焊盘的位置与加热器电极(4)和温度探测器电极(3)的引出焊盘的位置对应，位置对应的通孔焊盘与引出焊盘连接。
5.根据权利要求4所述的一种双加热电极宽量程风速传感器，其特征在于，引线穿过引出焊盘和通孔焊盘，从八边形衬底(1)的背面引出，且引出焊盘和通孔焊盘内设置铂浆焊接覆盖。
6.根据权利要求5所述的一种双加热电极宽量程风速传感器，其特征在于，八边形衬底(1)厚度为0.1-0.15mm，八边形导热介质层(2)膜厚0.1-10μm，温度探测器电极(3)和加热器电极(4)薄膜厚度均为50-500nm，加热器电极(4)的薄膜线宽a为40-100μm，温度探测器电极(3)的薄膜线宽b为10-50μm，热隔离槽(5)的槽深为0.1-0.15mm，槽宽为20-50μm，通孔焊盘(6)的通孔直径50-100μm。
7.根据权利要求1至6任一所述一种双加热电极宽量程风速传感器，其特征在于，所述八边形衬底(1)包括四个等长的长边和四个等长的短边，四个长边和四个短边交替连接，四个温度探测器电极(3)的引出焊盘分布在四个短边边缘，加热器电极(4)的四个引出焊盘分布在相对的四个长边边缘。
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2019
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