專(zhuān)利名稱(chēng)：十字架結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微機(jī)械(MEMS)剝離工藝的二維熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，尤其是采用玻璃，陶瓷等非硅材料作為襯底制備的熱膜風(fēng)速傳感器。
背景技術(shù)：
風(fēng)速、風(fēng)向是氣象測(cè)量中非常重要的組成部分。眾所周知，利用機(jī)械加工的風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)雖然也能測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，但這些機(jī)械裝置因具有移動(dòng)部件而易磨損，同時(shí)具有體積較大，價(jià)格昂貴，需要經(jīng)常維護(hù)等缺點(diǎn)?；贛EMS加工技術(shù)的微型流速傳感器具有體積小，價(jià)格低，產(chǎn)品一致性好的特點(diǎn)，是近幾年來(lái)流體傳感器研究的熱點(diǎn)。Van Putten(人名)在1974年提出了第一個(gè)基于硅微加工技術(shù)的熱線式流量傳感器。為了同時(shí)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向信息，Honeywell(公司名)等提出了基于熱溫差原理的熱流量傳感器。Huijsing(人名)等人提出了正方形加熱條結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感器，其采用熱電堆測(cè)量溫差，可以測(cè)量二維的風(fēng)速和風(fēng)向。但是，由于硅襯底的高熱導(dǎo)率，這類(lèi)傳感器的功耗較大，靈敏度較低。采用背面腐蝕或者正面腐蝕的方法形成絕熱薄膜，可以提高靈敏度，但是結(jié)構(gòu)易損壞，不利于后道工藝和封裝。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提出一種十字架結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備方法，該傳感器靈敏度較現(xiàn)有文獻(xiàn)中有較大提高。同時(shí)，十字架結(jié)構(gòu)的加熱條設(shè)計(jì)，使得傳感器可以同時(shí)得到兩組風(fēng)向測(cè)量值，從而可以提高風(fēng)向測(cè)量精度。
技術(shù)方案本發(fā)明提出的十字架結(jié)構(gòu)二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器利用熱溫差原理測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。為了減小熱膜風(fēng)速傳感器的襯底熱傳導(dǎo)，提高傳感器的靈敏度，芯片采用低熱導(dǎo)率的玻璃襯底。同時(shí)，采用物理特性穩(wěn)定的鉑作為加熱和測(cè)溫元件，其可以通過(guò)剝離工藝進(jìn)行加工。為了便于壓焊和引線，在焊盤(pán)處淀積一層金。
該傳感器采用玻璃襯底，中央的加熱電阻為十字架結(jié)構(gòu)。第一測(cè)溫電阻，第二測(cè)溫電阻，第三測(cè)溫電阻，第四測(cè)溫電阻，分別對(duì)稱(chēng)分布在十字架結(jié)構(gòu)加熱電阻之間。對(duì)稱(chēng)分布在玻璃襯底周?chē)?6個(gè)壓焊塊，對(duì)加熱電阻和四個(gè)測(cè)溫電阻進(jìn)行分別引出。當(dāng)風(fēng)吹過(guò)加熱芯片時(shí)，在芯片表面形成一個(gè)溫度場(chǎng)。通過(guò)測(cè)量四個(gè)測(cè)溫電阻兩兩之間的溫度差，就可以反映風(fēng)速風(fēng)向信息。通過(guò)取平均值，可以減小風(fēng)向測(cè)量誤差。
制備方法工藝步驟為a)在PREX7740玻璃襯底上淀積500A的鈦和2000A的鉑，利用金屬剝離工藝形成十字架結(jié)構(gòu)加熱電阻、第一測(cè)溫電阻、第二測(cè)溫電阻、第三測(cè)溫電阻、第四測(cè)溫電阻和壓焊塊的圖形；b)在壓焊塊圖形處利用剝離工藝形成3000A的金層。
除了上面提出的工藝制備方法以外，本傳感器的襯底也可采用陶瓷或其它低熱導(dǎo)率的材料，加熱電阻和四個(gè)測(cè)溫電阻利用剝離工藝制作的鉑、鎳或者其它高溫度系數(shù)的金屬電阻。
有益效果基于硅微機(jī)械加工的熱流量傳感器，由于硅襯底的高熱導(dǎo)率，使得傳感器的功耗較大，靈敏度較低，響應(yīng)時(shí)間也較長(zhǎng)。此外，為了提高靈敏度，隔熱薄膜需要利用標(biāo)準(zhǔn)IC工藝和MEMS后處理的方法才能完成。本發(fā)明利用兩次金屬剝離工藝就可以完成傳感器的加工，工藝步驟簡(jiǎn)單可靠。同時(shí)由于采用了低熱導(dǎo)率，低熱容的玻璃襯底，不僅提高了靈敏度，而且減小了功耗和響應(yīng)時(shí)間。
十字架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以同時(shí)完成兩組風(fēng)向測(cè)量，減小了風(fēng)向測(cè)量誤差。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中有加熱電阻1，第一測(cè)溫電阻2，第二測(cè)溫電阻3，第三測(cè)溫電阻4，第四測(cè)溫電阻5，壓焊快6。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種十字架結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器。該傳感器采用玻璃襯底，在玻璃襯底上設(shè)有十字架結(jié)構(gòu)加熱電阻1，第一測(cè)溫電阻2，第二測(cè)溫電阻3，第三測(cè)溫電阻4，第四測(cè)溫電阻5，分別對(duì)稱(chēng)分布在十字架結(jié)構(gòu)加熱電阻1之間；對(duì)稱(chēng)分布在玻璃襯底周?chē)?6個(gè)壓焊塊，對(duì)加熱電阻和四個(gè)測(cè)溫電阻進(jìn)行分別引出。襯底采用玻璃、陶瓷或其它低熱導(dǎo)率的材料。四個(gè)測(cè)溫電阻為利用剝離工藝制作的鉑、鎳或其它高溫度系數(shù)的金屬電阻。
當(dāng)風(fēng)吹過(guò)加熱芯片時(shí)，十字架加熱條周?chē)臏囟葓?chǎng)可以看成兩個(gè)一維無(wú)限長(zhǎng)熱源溫度場(chǎng)的疊加。第一測(cè)溫電阻2與第四測(cè)溫電阻5之間的溫度差Tx1，第一測(cè)溫電阻2與第二測(cè)溫電阻3之間的溫度差Ty1可以作為一組風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量；同樣，第一測(cè)溫電阻2和第三測(cè)溫電阻4之間的溫度差Tx2，第二測(cè)溫電阻3和第四測(cè)溫電阻5之間的溫度差Ty2也可以作為一組風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量。兩組測(cè)量值之間相差45度。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以得到風(fēng)速和風(fēng)向。
本傳感器的制作過(guò)程為準(zhǔn)備PREX7740玻璃襯底；在PREX7740玻璃襯底上淀積500A的鈦和2000A的鉑，利用金屬剝離工藝形成十字架結(jié)構(gòu)加熱電阻1、第一測(cè)溫電阻2、第二測(cè)溫電阻3、第三測(cè)溫電阻4、第四測(cè)溫電阻5和壓焊塊6的圖形；在壓焊塊6圖形處利用剝離工藝形成3000A的金層。
權(quán)利要求
1.一種十字架結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于該傳感器采用玻璃襯底，中央的加熱電阻(1)為十字架結(jié)構(gòu)。第一測(cè)溫電阻(2)，第二測(cè)溫電阻(3)，第三測(cè)溫電阻(4)，第四測(cè)溫電阻(5)，分別對(duì)稱(chēng)分布在十字架結(jié)構(gòu)加熱電阻之間。對(duì)稱(chēng)分布在玻璃襯底周?chē)?6個(gè)壓焊塊(6)，對(duì)加熱電阻和四個(gè)測(cè)溫電阻進(jìn)行分別引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字架結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于襯底采用陶瓷或其它低熱導(dǎo)率的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的十字架結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于加熱電阻(1)、第一測(cè)溫電阻(2)、第二測(cè)溫電阻(3)、第三測(cè)溫電阻(4)和第四測(cè)溫電阻(5)為利用剝離工藝制作的鎳或者其它高溫度系數(shù)金屬電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字架結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備方法，其特征在于采用如下工藝步驟a)在PREX7740玻璃襯底上淀積500A的鈦和2000A的鉑，利用金屬剝離工藝形成十字架結(jié)構(gòu)加熱電阻(1)、第一測(cè)溫電阻(2)、第二測(cè)溫電阻(3)、第三測(cè)溫電阻(4)、第四測(cè)溫電阻(5)和壓焊塊(6)的圖形；b)在壓焊塊(6)圖形處利用剝離工藝形成3000A的金層。
全文摘要
十字架結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器涉及一種基于微機(jī)械(MEMS)剝離工藝的二維熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，尤其是采用玻璃，陶瓷等非硅材料作為襯底制備的熱膜風(fēng)速傳感器。該傳感器采用玻璃襯底，中央的加熱電阻(1)為十字架結(jié)構(gòu)。第一測(cè)溫電阻(2)，第二測(cè)溫電阻(3)，第三測(cè)溫電阻(4)，第四測(cè)溫電阻(5)，分別對(duì)稱(chēng)分布在十字架結(jié)構(gòu)加熱電阻之間。通過(guò)測(cè)量四個(gè)測(cè)溫電阻兩兩之間的溫度差，就可以反映風(fēng)速風(fēng)向信息。該傳感器具有工藝簡(jiǎn)單可靠，靈敏度高，低功耗，響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P13/02GK101059528SQ200710022268
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者秦明, 沈廣平, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)