專利名稱：基于熱損失工作方式的圓形鉑金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提供了一種二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)，利用電阻抗斷層成像(EIT)測 量原理進行傳感計算，以圓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)生的圓形鉬金薄膜電阻率分布的變化計算風(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)的測量方法，例如，檢測熱敏電阻變化或平板電容變化的方法。無 法直接定量表示傳感結(jié)構(gòu)面上各點的風(fēng)速和風(fēng)向。鉬金是最常用的熱敏電阻材料，對于具有原始熱分布的鉬金薄膜，在薄膜面上的 空氣流動必然導(dǎo)致熱分布變化，進而引起鉬金薄膜電阻率分布的變化，通過檢測薄膜上各 點電阻率變化的大小和位置，可以計算得到風(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/電壓測量，并通過成像算法計算待檢 測材料的電阻率分布。目前EIT技術(shù)主要用于醫(yī)學(xué)診斷。利用EIT技術(shù)計算傳感薄膜材料電阻率分布變化，進而進行風(fēng)速風(fēng)向傳感計算的 傳感器結(jié)構(gòu)。利用整個傳感薄膜材料電阻率分布的變化對外界物理量進行傳感表征，可以 反映傳感薄膜材料面上任意點的電阻率參數(shù)的變化。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型的目的是提出一種基于熱損失工作方式的圓形鉬金薄膜二 維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，該傳感器利用EIT技術(shù)計算傳感薄膜材料電阻率分布變化，進而進行 風(fēng)速風(fēng)向傳感計算。技術(shù)方案本實用新型的基于熱損失工作方式的圓形鉬金薄膜二維風(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圓形的鉬金薄膜作為傳感面，鉬金電極位于圓 形的鉬金薄膜的圓周外；由發(fā)熱電阻產(chǎn)生的熱量形成圓形的鉬金薄膜電阻率的初始分布， 流動的空氣移動了熱量并導(dǎo)致圓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量風(fēng)速和風(fēng)向。所述的鉬金電極是用于電流激勵和用于電壓測量的16個鉬金電極，這些電極沿 著圓形的鉬金薄膜邊界圓周均勻分布。以圓形的鉬金薄膜為傳感材料。其傳感原理是在具有初始熱分布的圓形鉬金薄 膜傳感面上的空氣流動導(dǎo)致熱分布變化，進而引起電阻率分布的變化，通過檢測電阻率變 化的大小和位置計算得到氣流的大小和方向。具有傳感器結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝簡單的特點。工作時，首先首先通過兩個發(fā)熱電阻連接電極對襯底上的發(fā)熱電阻施加電流產(chǎn)生 熱量，使得圓形鉬金薄膜形成初始熱場下的電阻率分布。當(dāng)有空氣流過鉬金薄膜表面的圓 形區(qū)域時，因為熱量的流失將使熱場分布發(fā)生變化，并既而使鉬金薄膜圓形區(qū)域上電阻率
3分布產(chǎn)生變化。根據(jù)各點電阻率的大小定量計算風(fēng)速大小和風(fēng)向。有益效果本實用新型的最大優(yōu)點在于傳感器結(jié)構(gòu)簡單，對加工工藝的靈敏度低。 因為采用電阻率分布變化來檢測風(fēng)速和方向，因此，是對于變化的相對值進行檢測。不同于 傳統(tǒng)的基于特定點的參數(shù)采樣或者對集總參數(shù)采樣的傳感方式，它能夠真實地反映傳感面 上場的分布情況，因為是對整個傳感區(qū)進行計算，因此，制作誤差被平均化，減小了系統(tǒng)誤 差。同時，本底電阻率分布可以作為基本參考，將實測分布與其進行相減，可以完全濾出初 始工藝誤差。基于算法的信息處理方法更易實現(xiàn)智能化。

圖1傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1中A-A斷面圖，圖3是圖1中B-B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，熱生長制作的二 氧化硅層103，圓形鉬金薄膜104，電流激勵和電壓檢測的金屬電極105，共計16個；發(fā)熱電 阻的連接電極106是，發(fā)熱電阻的連接電極引線孔107。
具體實施方式
本實用新型提出的基于熱損失工作方式的圓形鉬金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器利 用圓形鉬金薄膜上各點因為熱損失不同產(chǎn)生熱分布變化，既而引起電阻率變化的原理測量 風(fēng)速和風(fēng)向。其結(jié)構(gòu)特征在于采用圓形的鉬金薄膜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。鉬金薄膜主體104形狀為圓形，該圓形區(qū)域為主傳 感面，沿著圓形邊界一周均勻分布著16個即可用于電流激勵也可用于電壓測量的測試電 極 105。本實用新型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) 明的傳感器進行說明。首先選擇N型半導(dǎo)體硅片101。熱生長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500 納米氧化層103。采用光刻工藝制作發(fā)熱電阻的引線孔106。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薄膜圖形，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，留下圓形鉬金傳感薄膜區(qū)104、16個測試 電極105和2個發(fā)熱電阻連接電極106。
權(quán)利要求1.一種基于熱損失工作方式的圓形鉬金薄膜二維風(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(10 的硅襯底(101)之上是二氧化硅絕緣層(103)，二氧化硅絕緣層(10 之上采用圓 形的鉬金薄膜(104)作為傳感面，鉬金電極(105)位于圓形的鉬金薄膜(104)的圓周外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱損失工作方式的圓形鉬金薄膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器， 其特征在于所述的鉬金電極(105)是用于電流激勵和用于電壓測量的16個鉬金電極，這些 電極沿著圓形的鉬金薄膜(104)邊界圓周均勻分布。
專利摘要基于熱損失工作方式的圓形鉑金薄膜二維風(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)之上采用圓形的鉑金薄膜(104)作為傳感面，鉑金電極(105)位于圓形的鉑金薄膜(104)的圓周外；由發(fā)熱電阻產(chǎn)生的熱量形成圓形的鉑金薄膜電阻率的初始分布，流動的空氣移動了熱量并導(dǎo)致圓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量風(fēng)速和風(fēng)向。
文檔編號G01P13/02GK201867423SQ20102055474
公開日2011年6月15日 申請日期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 申請人:東南大學(xué)