專利名稱：矩形鉑金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)，利用電阻抗斷層成像(EIT)測(cè)量原 理進(jìn)行傳感計(jì)算，以矩形鉬金薄膜作為傳感薄膜。基于熱損失方式工作，以熱分布變化所產(chǎn) 生的鉬金薄膜電阻率分布的變化計(jì)算風(fēng)速大小和風(fēng)的方向。
背景技術(shù)：
風(fēng)速風(fēng)向傳感器是重要的傳感器之一，有著非常廣泛的用途。目前的大多數(shù)風(fēng)速 風(fēng)向傳感器采用集總參數(shù)的測(cè)量方法，例如，檢測(cè)熱敏電阻變化或平板電容變化的方法。無(wú) 法直接定量表示傳感結(jié)構(gòu)面上各點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向。鉬金是最常用的熱敏電阻材料，對(duì)于具有原始熱分布的鉬金薄膜，在薄膜面上的 空氣流動(dòng)必然導(dǎo)致熱分布變化，進(jìn)而引起鉬金薄膜電阻率分布的變化，通過檢測(cè)薄膜上各 點(diǎn)電阻率變化的大小和位置，可以計(jì)算得到風(fēng)速的大小和風(fēng)向。電阻抗斷層成像(EIT)技術(shù)采用電流激勵(lì)/電壓測(cè)量，并通過成像算法計(jì)算待檢 測(cè)材料的電阻率分布。利用EIT技術(shù)計(jì)算傳感薄膜材料電阻率分布變化，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向傳感計(jì)算的 傳感器結(jié)構(gòu)。利用整個(gè)傳感薄膜材料電阻率分布的變化對(duì)外界物理量進(jìn)行傳感表征，可以 反映傳感薄膜材料面上任意點(diǎn)的電阻率參數(shù)的變化。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提的目的是出一種矩形鉬金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，該傳感 器利用EIT技術(shù)計(jì)算傳感薄膜材料電阻率分布變化，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向傳感計(jì)算。以矩形 的鉬金薄膜為傳感材料。技術(shù)方案本發(fā)明提的矩形鉬金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的最下層是半導(dǎo)體硅襯 底，在硅襯底上制作發(fā)熱電阻，在具有發(fā)熱電阻的硅襯底之上是二氧化硅絕緣層，二氧化硅 絕緣層之上采用矩形的鉬金薄膜作為傳感面，鉬金電極位于矩形的鉬金薄膜外；由發(fā)熱電 阻產(chǎn)生的熱量形成矩形的鉬金薄膜電阻率的初始分布，流動(dòng)的空氣移動(dòng)了熱量并導(dǎo)致矩形 的鉬金薄膜電阻率分布發(fā)生變化，利用熱分布變化引起鉬金薄膜電阻率分布變化的原理測(cè) 量風(fēng)速和風(fēng)向。所述的鉬金電極是用于電流激勵(lì)和用于電壓測(cè)量的鉬金電極，這些電極沿著矩形 的鉬金薄膜的一邊均勻分布。其傳感原理是在具有初始熱分布的矩形鉬金薄膜傳感面上的空氣流動(dòng)導(dǎo)致熱分 布變化，進(jìn)而引起電阻率分布的變化，通過檢測(cè)電阻率變化的大小和位置計(jì)算得到氣流的 大小和方向。具有傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。工作時(shí)，首先通過發(fā)熱電阻的兩個(gè)連接電極對(duì)襯底上的發(fā)熱電阻施加電流產(chǎn)生熱 量，使得矩形的鉬金薄膜形成初始熱場(chǎng)下的電阻率分布。當(dāng)有空氣流過矩形的鉬金薄膜表 面時(shí)，因?yàn)闊崃康牧魇⑹篃釄?chǎng)分布發(fā)生變化，并既而使矩形鉬金薄膜上各點(diǎn)的電阻率發(fā)
3生變化，產(chǎn)生電阻率分布的變化。根據(jù)各點(diǎn)電阻率的大小定量計(jì)算風(fēng)速大小和風(fēng)向。有益效果本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)在于傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)加工工藝的靈敏度低。因?yàn)?采用電阻率分布變化來檢測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向，因此，是對(duì)于變化的相對(duì)值進(jìn)行檢測(cè)。不同于傳統(tǒng) 的基于特定點(diǎn)的參數(shù)采樣或者對(duì)集總參數(shù)采樣的傳感方式，它能夠真實(shí)地反映傳感面上場(chǎng) 的分布情況。本底電阻率分布可以作為基本參考，將實(shí)測(cè)分布與其進(jìn)行相減，可以完全濾除 初始工藝誤差?；谒惴ǖ男畔⑻幚矸椒ǜ讓?shí)現(xiàn)智能化。


圖1是傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是A-A斷面圖。其中有半導(dǎo)體硅襯底101，采用摻雜技術(shù)制作的發(fā)熱電阻102，熱生長(zhǎng)制作的二 氧化硅層103，矩形的鉬金薄膜104，電流激勵(lì)和電壓檢測(cè)的金屬電極105，發(fā)熱電阻的連接 電極106，發(fā)熱電阻的連接電極引線孔107。
具體實(shí)施方案本發(fā)明提出的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器利用薄膜各點(diǎn)熱損失不同引起熱分布變化，進(jìn) 而導(dǎo)致電阻率變化的原理測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。其結(jié)構(gòu)特征在于采用矩形的鉬金薄膜104作為 傳感面。圖1給出了傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器的最下層是半導(dǎo)體硅襯底101，在硅襯底 101上制作發(fā)熱電阻102 (圖中虛線繪制的折彎型圖形)，在具有發(fā)熱電阻102的硅襯底101 之上是二氧化硅絕緣層103，二氧化硅絕緣層103之上是鉬金薄膜。鉬金薄膜圖形由兩部 分組成，用于傳感的矩形鉬金薄膜104和16個(gè)既可用于電流激勵(lì)也可用于電壓測(cè)量的測(cè)試 電極105，鉬金薄膜的矩形部分104為主傳感面，測(cè)試電極105沿著矩形的一條直邊均勻分 布。本發(fā)明的傳感器有多種制作方法，這里以采用常規(guī)半導(dǎo)體器件工藝制作本發(fā)明的 傳感器進(jìn)行說明。首先選擇N型半導(dǎo)體硅片101。熱生長(zhǎng)300納米厚度的氧化層后通過光刻工藝形 成發(fā)熱電阻102圖形。采用離子注入或熱擴(kuò)散方法在發(fā)熱電阻102圖形區(qū)域摻入P型雜質(zhì)， 濃度控制方塊電阻為200歐姆/ 口。去除所有氧化層以保證表面的平整性。再熱生長(zhǎng)500 納米氧化層103。采用剝離工藝制作鉬金圖形，即首先在二氧化硅層103上旋涂光刻膠并光 刻出鉬金鉬膜圖形(包括矩形傳感膜、測(cè)試電極和發(fā)熱電阻連接電極)，采用濺射工藝在表 面沉積一層鉬金，最后去除光刻膠以及光刻膠上的鉬金，留下矩形鉬金傳感薄膜區(qū)104、16 個(gè)測(cè)試電極105和2個(gè)發(fā)熱電阻連接電極106。
權(quán)利要求
一種矩形鉑金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于該傳感器的最下層是半導(dǎo)體硅襯底(101)，在硅襯底(101)上制作發(fā)熱電阻(102)，在具有發(fā)熱電阻(102)的硅襯底(101)之上是二氧化硅絕緣層(103)，二氧化硅絕緣層(103)之上采用矩形的鉑金薄膜(104)作為傳感面，鉑金電極(105)位于矩形的鉑金薄膜(104)外；由發(fā)熱電阻產(chǎn)生的熱量形成矩形的鉑金薄膜電阻率的初始分布，流動(dòng)的空氣移動(dòng)了熱量并導(dǎo)致矩形的鉑金薄膜電阻率分布發(fā)生變化，利用熱分布變化引起鉑金薄膜電阻率分布變化的原理測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩形鉬金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于所述的鉬 金電極(105)是用于電流激勵(lì)和用于電壓測(cè)量的鉬金電極，這些電極沿著矩形的鉬金薄膜 (104)的一邊均勻分布。
全文摘要
矩形鉑金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的最下層是半導(dǎo)體硅襯底(101)，在硅襯底(101)上制作發(fā)熱電阻(102)，在具有發(fā)熱電阻(102)的硅襯底(101)之上是二氧化硅絕緣層(103)，二氧化硅絕緣層(103)之上采用矩形的鉑金薄膜(104)作為傳感面，鉑金電極(105)位于矩形的鉑金薄膜(104)外；由發(fā)熱電阻產(chǎn)生的熱量形成矩形的鉑金薄膜電阻率的初始分布，流動(dòng)的空氣移動(dòng)了熱量并導(dǎo)致矩形的鉑金薄膜電阻率分布發(fā)生變化，利用熱分布變化引起鉑金薄膜電阻率分布變化的原理測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。
文檔編號(hào)B81B3/00GK101980024SQ20101050156
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者李偉華 申請(qǐng)人:東南大學(xué)