一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，公開(kāi)了一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括襯底、絕緣層、測(cè)溫元件和加熱元件；在襯底上表面形成有一定深度的多孔硅隔熱層，且多孔硅隔熱層上表面與襯底上表面平齊，多孔硅隔熱層上表面和孔壁表面沉積有二氧化硅薄膜層；絕緣層貼覆在襯底上表面，測(cè)溫元件和加熱元件設(shè)置于絕緣層上表面；測(cè)溫元件和加熱元件位于多孔硅隔熱層正上方所對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、降低測(cè)量功耗、縮短傳感器響應(yīng)時(shí)間和增強(qiáng)芯片靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種具有多孔硅隔熱層的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)能作為清潔無(wú)污染和可持續(xù)發(fā)展的能源一直是資源開(kāi)放利用的重點(diǎn)。風(fēng)速、風(fēng)向是反應(yīng)風(fēng)影響的氣象情況的重要參數(shù)，在航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、氣候分析等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、空氣調(diào)節(jié)和工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)有重要影響。只有快準(zhǔn)確測(cè)量出風(fēng)速和風(fēng)向，才能更好的利用風(fēng)能，因此風(fēng)速風(fēng)向測(cè)定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]目前，可以利用風(fēng)速風(fēng)向傳感器來(lái)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風(fēng)組件，由三個(gè)碳纖維風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率的信號(hào)。而風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤(pán)和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)軸帶動(dòng)碼盤(pán)在光電組件縫隙中的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出。傳感器的變換器可采用精密導(dǎo)電塑料電位器，從而在電位器活動(dòng)端產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)輸出。這種風(fēng)速風(fēng)向傳感器的價(jià)格相對(duì)昂貴，幾千到幾萬(wàn)不等，有的結(jié)合風(fēng)速風(fēng)向傳感器的一體化氣象站的價(jià)格可高達(dá)幾百萬(wàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，研發(fā)體積小、重量輕、價(jià)格低廉、適合公眾應(yīng)用的風(fēng)速風(fēng)向傳感器迫在眉睫。
[0004]熱式風(fēng)向風(fēng)速傳感器是測(cè)試處于通電狀態(tài)下傳感器因風(fēng)而冷卻產(chǎn)生的電阻變化，由此測(cè)試風(fēng)速。除攜帶容易方便外，其成本性能比高，作為風(fēng)速計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品廣泛地被采用。熱式風(fēng)速計(jì)的素子可使用白金線、電熱偶、半導(dǎo)體等。
[0005]近些年來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)，將微電路和微機(jī)械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通?？刂圃诤撩谆蛭⒚准?jí)，已經(jīng)涉及應(yīng)用在微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域中的微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理學(xué)的各分支。微電子技術(shù)的主要內(nèi)容有:氧化層生長(zhǎng)、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴(kuò)散、離子注入)、薄膜(層)生長(zhǎng)、連線制作等。微加工技術(shù)的主要內(nèi)容有:娃表面微加工和娃體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)、制作高深寬比結(jié)構(gòu)的LIGA(Lithographie,Galanoformung,Abformung)技術(shù)等。利用微電子技術(shù)可制造集成電路和許多傳感器。微加工技術(shù)很適合于制作某些壓力傳感器、加速度傳感器、微泵、微閥、微溝槽、微反應(yīng)室、微執(zhí)行器、微機(jī)械等。
[0006]基于MEMS加工技術(shù)的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器是通過(guò)其上的加熱元件產(chǎn)生的熱量與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換來(lái)感應(yīng)風(fēng)的變化，利用的是強(qiáng)迫對(duì)流效應(yīng)，而傳感器總體功耗方面除了包括由于強(qiáng)迫對(duì)流效應(yīng)造成的熱損失以外，還包含由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)造成的功耗損失，這一部分功耗對(duì)于風(fēng)的感知是不起任何作用的，因此如何減小熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)造成的功率損失成了傳感器設(shè)計(jì)的一大問(wèn)題。此外，硅襯底的高熱導(dǎo)率也使得這類傳感器的功耗較大，靈敏度較低，產(chǎn)品的應(yīng)用受到了很多的限制。實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，可通過(guò)在襯底中設(shè)置多孔硅隔熱層，從而降低傳感器進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量時(shí)的功耗，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括:襯底、絕緣層、測(cè)溫元件和加熱元件；所述襯底的上表面形成有一定深度的多孔硅隔熱層，且所述多孔硅隔熱層的上表面與所述襯底的上表面平齊；所述多孔硅隔熱層的上表面和孔壁表面形成有二氧化硅薄膜層；所述絕緣層貼覆在所述襯底上表面；所述測(cè)溫元件和加熱元件設(shè)置于所述絕緣層上表面，二者均為單晶硅材質(zhì)；所述測(cè)溫元件和加熱元件位于所述多孔硅隔熱層正上方的所對(duì)應(yīng)的區(qū)域。
[0010]優(yōu)選的，所述襯底由100晶向單晶硅制成。
[0011]優(yōu)選的，所述多孔硅隔熱層的厚度為20-100μπι;所述二氧化硅薄膜層厚度為50_200nm。
[0012]所述絕緣層包括二氧化硅層和氮化硅層；所述二氧化硅層貼覆在所述襯底的上表面，所述氮化硅層覆蓋在所述二氧化硅層的上表面。
[0013]所述測(cè)溫元件和加熱元件之間設(shè)置有ICP槽。
[0014]所述測(cè)溫元件為四個(gè)，分別位于所述加熱元件的周邊，每個(gè)所述測(cè)溫元件到所述加熱元件的距離相等，且相對(duì)的所述測(cè)溫元件以所述加熱元件為中心相互對(duì)稱，相鄰的所述測(cè)溫元件相對(duì)所述襯底端部距離均相等。
[0015]實(shí)施本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0016]1.功耗小。現(xiàn)有的基于為機(jī)械加工的熱流量傳感器，測(cè)溫元件和加熱元件直接設(shè)置在硅襯底上，或設(shè)置在襯底的空穴上方。前者由于硅襯底的高導(dǎo)熱率，使得傳感器熱量向襯底傳遞較多，溫升功率較大，傳感器的靈敏度較低；后者雖解決了傳感器功率問(wèn)題，但空穴的存在使傳感器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較為脆弱，更容易損壞。本實(shí)用新型涉及的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，通過(guò)在襯底中設(shè)置多孔硅隔熱層，使從襯底上部傳來(lái)的熱量在多孔硅隔熱層處無(wú)法繼續(xù)向下擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)了熱隔離；多孔硅層中孔隙孔壁上形成的二氧化硅薄膜層憑借低于單晶硅的熱導(dǎo)率進(jìn)一步保證了隔熱效果。同時(shí)由于測(cè)溫元件和加熱元件均設(shè)置于多孔硅隔熱層正上方的氮化硅絕緣層上，二氧化硅、氮化硅絕緣層也有利于減少熱量向下擴(kuò)散。因此，本實(shí)用新型涉及的傳感器在工作過(guò)程中，熱量向襯底擴(kuò)散比較小，傳感器基本不受襯底高熱導(dǎo)率的影響。這在提高傳感器靈敏度的同時(shí)減小了功耗。
[0017]2.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。本實(shí)用新型涉及的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，襯底表面未開(kāi)槽，與襯底表面開(kāi)槽的傳感器相比，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，不易損壞，也更有利于后道工藝和封裝。
[0018]3.靈敏度高、反應(yīng)快。本實(shí)用新型涉及的熱膜風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)溫元件和加熱元件采用一次光刻工藝成型，避免了工藝上的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，加工精度高。該傳感器表面為感風(fēng)面，熱量主要向空氣中傳播，且面積僅為幾個(gè)平方毫米，因此靈敏度高，響應(yīng)快。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本實(shí)用新型所涉及的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的剖面圖；
[0020]圖2是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟SI后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S2后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S3后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S4后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S5中形成多晶娃層后的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0025]圖7是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S5中光刻形成元件后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖8是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S6后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖9是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S7中濺射形成金屬層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖10是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S7中刻蝕形成金屬電極后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖11是在制備本實(shí)用新型的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的方法中，完成步驟S8后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]附圖標(biāo)記表示為:1-襯底，2-絕緣層，3-測(cè)溫元件，4-加熱元件，5-多孔硅隔熱層，6- 二氧化娃層,7-氮化娃層,8-金屬電極,9-碳化娃層，10-多晶娃層，11-金屬層，12-孔壁，13- 二氧化硅薄膜層，14-1CP槽。

【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0032]實(shí)施例1:
[0033]本實(shí)用新型公開(kāi)的一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，如圖1所示，包括:襯底1、絕緣層2、測(cè)溫元件3和加熱元件4。所述襯底I為100晶向單晶硅制成；所述襯底I的上表面形成有多孔硅隔熱層5，且所述多孔硅隔熱層5上表面與襯底I上表面平齊，所述多孔硅隔熱層5的厚度為60 μ m。所述多孔硅隔熱層5的上表面和其孔壁12表面形成有二氧化硅薄膜層13，且二氧化硅薄膜層13厚度為10nm ;所述測(cè)溫元件3和加熱元件4位于多孔硅隔熱層5正上方的區(qū)域內(nèi)；所述測(cè)溫元件3和加熱元件4之間設(shè)置有ICP槽14。
[0034]所述絕緣層2貼覆在襯底I上表面，所述絕緣層2包括二氧化硅層6和氮化硅層7 ;所述二氧化硅層6貼覆在所述襯底I的上表面，所述氮化硅層7覆蓋在所述二氧化硅層6的上表面。
[0035]所述測(cè)溫元件3和加熱元件4設(shè)置于絕緣層2的上表面，二者均為單晶硅材質(zhì)，通過(guò)光刻沉積在絕緣層2表面的多晶硅層10制作形成。可以利用其本征塞貝克效應(yīng)；與金屬電阻相比，還具有靈敏度高，不受干撓的優(yōu)點(diǎn)；多晶硅材質(zhì)的加熱堆作為加熱元件，不需要鉬電阻測(cè)溫時(shí)需要的外加偏壓，因而不會(huì)產(chǎn)生因偏壓導(dǎo)致的輸出信號(hào)偏移，使測(cè)量變得簡(jiǎn)便易行。所述測(cè)溫元件3為四個(gè)，分別位于所述加熱元件4的周邊，每個(gè)所述測(cè)溫元件3到所述加熱元件4的距離相等，且相對(duì)的所述測(cè)溫元件3以所述加熱元件4為中心相互對(duì)稱，相鄰的所述測(cè)溫元件3相對(duì)所述襯底I端部的距離均相等。
[0036]上述熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過(guò)以下步驟制備得到:
[0037]S1:如圖2所示，選取100晶向單晶硅片作為襯底I ;
[0038]S2:如圖3所示，在所述襯底I上部以腐蝕的方法制備厚度為60 μ m的多孔硅隔熱層5，其具體步驟為:首先在所述襯底I上表面涂膠，然后用光刻機(jī)對(duì)硅片光刻去膠，再通過(guò)腐蝕形成多孔硅結(jié)構(gòu)，作為隔熱層；所述腐蝕形成多孔硅結(jié)構(gòu)的具體方法為采用齊納擊穿單晶硅產(chǎn)生空穴來(lái)制備，腐蝕液為3% HF溶液，其電壓控制在3V之間；利用電化學(xué)方法在不同的制備條件下在拋光單晶硅片表面形成多孔硅，可對(duì)多孔硅表面的形貌通過(guò)原子力顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡等進(jìn)行表征，從而通過(guò)控制電流密度來(lái)控制生成的硅柱直徑、高度、分布密度，為后期二氧化硅薄膜生長(zhǎng)奠定一定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；
[0039]S3:如圖4所不,所述多孔娃隔熱層5的上表面和孔壁12表面形成有二氧化娃薄膜層13 ;制備二氧化硅薄膜層13的具體方法為采用熱氧化工藝在所述多孔硅隔熱層5的上表面和孔壁表面氧化，形成二氧化硅薄膜層13 ;具體條件為:將硅片使用熱氧化工藝退火，其溫度為1000°C，時(shí)間為7小時(shí)；
[0040]S4:如圖5所示，采用化學(xué)氣相沉積的方法，在所述襯底I的上表面制備絕緣層2 ；具體步驟為:首先在所述襯底I的上表面制備二氧化硅層6，再采用化學(xué)氣相沉積的方法，在所述二氧化硅層6的上表面制備氮化硅層7 ；
[0041]S5:如圖6所不,米用化學(xué)氣相沉積的方法,在所述絕緣層2的上表面形成多晶娃層10 ;如圖7所示，通過(guò)光刻所述多晶硅層10制作形成加熱元件4和測(cè)溫元件3 ；
[0042]S6:如圖8所示，采用ICP硅深槽刻蝕技術(shù)，在所述測(cè)溫元件3和加熱元件4之間制作形成ICP槽14 ;所用方法具體為電感耦合等離子體(ICP)硅深槽刻蝕技術(shù)；
[0043]S7:如圖9所示，采用磁控濺射的方法，在所述多晶硅層的上表面濺射形成金屬層11 ;如圖10所示，通過(guò)進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠形成金屬電極8 ；
[0044]S8:如圖11所示，采用氣相沉積的方法，在步驟S7所得上表面上制備一定厚度的碳化硅層9，通過(guò)進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠形成壓焊區(qū)。
[0045]實(shí)施例2:
[0046]本實(shí)用新型公開(kāi)的一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，如圖1所示，包括:襯底1、絕緣層2、測(cè)溫元件3和加熱元件4。所述襯底I為100晶向單晶硅制成；所述襯底I的上表面形成有多孔硅隔熱層5，且所述多孔硅隔熱層5上表面與襯底I上表面平齊，所述多孔硅隔熱層5的厚度為60 μ m。所述多孔硅隔熱層5的上表面和孔壁12表面形成有二氧化硅薄膜層13，且二氧化硅薄膜層13厚度為10nm ;所述測(cè)溫元件3和加熱元件4位于多孔硅隔熱層5正上方的區(qū)域內(nèi)；所述測(cè)溫元件3和加熱元件4之間設(shè)置有ICP槽14。
[0047]所述絕緣層2貼覆在襯底I的上表面，所述絕緣層2包括二氧化硅層6和氮化硅層7 ;所述二氧化硅層6貼覆在所述襯底I的上表面，所述氮化硅層7覆蓋在所述二氧化硅層6的上表面。
[0048]所述測(cè)溫元件3和加熱元件4設(shè)置于絕緣層2的上表面，二者均為單晶硅材質(zhì)，通過(guò)光刻沉積在絕緣層2表面的多晶硅層10制作形成?？梢岳闷浔菊魅惪诵?yīng)；與金屬電阻相比，還具有靈敏度高，不受干撓的優(yōu)點(diǎn)；多晶硅材質(zhì)的加熱堆作為加熱元件，不需要鉬電阻測(cè)溫時(shí)需要的外加偏壓，因而不會(huì)產(chǎn)生因偏壓導(dǎo)致的輸出信號(hào)偏移，使測(cè)量變得簡(jiǎn)便易行。所述測(cè)溫元件3為四個(gè)，分別位于所述加熱元件4的周邊，每個(gè)所述測(cè)溫元件3到所述加熱元件4的距離相等，且相對(duì)的所述測(cè)溫元件3以所述加熱元件4為中心相互對(duì)稱，相鄰的所述測(cè)溫元件3相對(duì)所述襯底I端部的距離均相等。
[0049]上述熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過(guò)以下步驟制備得到:
[0050]S1:如圖2所示，選取100晶向單晶硅片作為襯底I ;
[0051]S2:如圖3所示，在所述襯底I上部以腐蝕的方法制備厚度為60 μ m的多孔硅隔熱層5，其具體步驟為:首先在所述襯底I上表面涂膠，然后用光刻機(jī)對(duì)硅片光刻去膠，再通過(guò)腐蝕形成多孔硅結(jié)構(gòu)，作為隔熱層；所述腐蝕形成多孔硅結(jié)構(gòu)的具體方法為干法腐蝕中的等離子體腐蝕法；
[0052]S3:如圖4所不,所述多孔娃隔熱層5的上表面和孔壁12表面形成有二氧化娃薄膜層13 ;制備二氧化硅薄膜層13的具體方法為采用熱氧化工藝在所述多孔硅隔熱層5的上表面和孔壁表面氧化，形成二氧化硅薄膜層13 ;具體條件為:將硅片使用熱氧化工藝退火，其溫度為1000°C，時(shí)間為7小時(shí)；
[0053]S4:如圖5所示，采用化學(xué)氣相沉積的方法，在所述襯底I的上表面制備絕緣層2 ；具體步驟為:首先在所述襯底I的上表面制備二氧化硅層6，再采用化學(xué)氣相沉積的方法，在所述二氧化硅層6的上表面制備氮化硅層7 ；
[0054]S5:如圖6所不,米用化學(xué)氣相沉積的方法,在所述絕緣層2的上表面形成多晶娃層10 ;如圖7所示，通過(guò)光刻所述多晶硅層10制作形成加熱元件4和測(cè)溫元件3 ；
[0055]S6:如圖8所示，采用ICP硅深槽刻蝕技術(shù)，在所述測(cè)溫元件3和加熱元件4之間制作形成ICP槽14 ;所用方法具體為電感耦合等離子體(ICP)硅深槽刻蝕技術(shù)；
[0056]S7:如圖9所示，采用磁控濺射的方法，在所述多晶硅層的上表面濺射形成金屬層11 ;如圖10所示，通過(guò)進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠形成金屬電極8 ；
[0057]S8:如圖11所示，采用氣相沉積的方法，在步驟S7所得上表面上制備一定厚度的碳化硅層9，通過(guò)進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠形成壓焊區(qū)。
[0058]本實(shí)用新型涉及的傳感器是基于MEMS加工制作的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，尤其是采用多孔硅實(shí)現(xiàn)隔熱和采用多晶硅制作加熱元件和測(cè)溫元件的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器。本實(shí)用新型的傳感器，通過(guò)在襯底中設(shè)置多孔硅隔熱層，使從襯底上部傳來(lái)的熱量在多孔硅隔熱層處無(wú)法繼續(xù)向下擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)了熱隔離；多孔硅層中孔隙孔壁上形成的二氧化硅薄膜層憑借低于單晶硅的熱導(dǎo)率進(jìn)一步保證了隔熱效果。同時(shí)由于測(cè)溫元件和加熱元件均設(shè)置于多孔硅隔熱層正上方的氮化硅絕緣層上，絕緣層也有利于減少熱量向下擴(kuò)散。如此一來(lái)，本實(shí)用新型的傳感器在工作過(guò)程中，熱量向襯底擴(kuò)散比較小，傳感器基本不受襯底高熱導(dǎo)率的影響。這在提高傳感器靈敏度的同時(shí)減小了功耗。采用多晶硅制作加熱元件和測(cè)溫元件，使得測(cè)溫元件的測(cè)溫是基于多晶硅材料的本征塞貝克效應(yīng)，這種測(cè)溫方式除了具有靈敏度高、不受干撓的優(yōu)點(diǎn)外，還不像鉬電阻測(cè)溫那樣需要外加偏壓，因而不會(huì)產(chǎn)生因偏壓導(dǎo)致的輸出信號(hào)偏移，使測(cè)量變得簡(jiǎn)單。另外，二維分布的對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得傳感器可以同時(shí)得到相互正交的兩組溫度測(cè)量值，可據(jù)此計(jì)算得出風(fēng)速和風(fēng)向的信息。
[0059]實(shí)施本實(shí)用新型實(shí)施例，具有如下有益效果:
[0060]1.功耗小?，F(xiàn)有的基于為機(jī)械加工的熱流量傳感器，測(cè)溫元件和加熱元件直接設(shè)置在硅襯底上，或設(shè)置在襯底的空穴上方，前者由于硅襯底的高導(dǎo)熱率，使得傳感器熱量向襯底傳遞較多，溫升功率較大，傳感器的靈敏度較低；后者雖解決了傳感器功率問(wèn)題，但空穴的存在使傳感器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較為脆弱，更容易損壞。本實(shí)用新型涉及的熱膜風(fēng)速風(fēng)向，通過(guò)在襯底中設(shè)置多孔硅隔熱層，使從襯底上部傳來(lái)的熱量在多孔硅隔熱層處無(wú)法繼續(xù)向下擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)了熱隔離；多孔硅層中孔隙孔壁上形成的二氧化硅薄膜層憑借低于單晶硅的熱導(dǎo)率進(jìn)一步保證了隔熱效果。同時(shí)由于測(cè)溫元件和加熱元件均設(shè)置于多孔硅隔熱層正上方的氮化硅絕緣層上，二氧化硅、氮化硅絕緣層也有利于減少熱量向下擴(kuò)散。因此，本實(shí)用新型涉及的熱膜風(fēng)速風(fēng)向在工作過(guò)程中，熱量向襯底擴(kuò)散比較小，傳感器基本不受襯底高熱導(dǎo)率的影響。這在提高傳感器靈敏度的同時(shí)減小了功耗。
[0061]2.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。本實(shí)用新型涉及的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，襯底表面未開(kāi)槽，與襯底表面開(kāi)槽的傳感器相比，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，不易損壞，也更有利于后道工藝和封裝。
[0062]3.靈敏度高、反應(yīng)快。本實(shí)用新型涉及的熱膜風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)溫元件和加熱元件采用一次光刻工藝成型，避免了工藝上的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，加工精度高。該傳感器表面為感風(fēng)面，熱量主要向空氣中傳播，且面積僅為幾個(gè)平方毫米，因此靈敏度高，響應(yīng)快。
[0063]以上所述是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于，包括:襯底(I)、絕緣層(2)、測(cè)溫元件(3)和加熱元件(4);所述襯底(I)的上表面形成有一定深度的多孔硅隔熱層(5)，且所述多孔硅隔熱層(5)的上表面與所述襯底(I)的上表面平齊；所述多孔硅隔熱層(5)的上表面和孔壁(12)表面形成有二氧化硅薄膜層(13);所述絕緣層(2)貼覆在所述襯底(I)上表面；所述測(cè)溫元件(3)和加熱元件(4)設(shè)置于所述絕緣層(2)上表面，二者均為單晶硅材質(zhì)；所述測(cè)溫元件(3)和加熱元件(4)位于所述多孔硅隔熱層(5)正上方所對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于，所述襯底(I)由100晶向單晶硅制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于，所述多孔硅隔熱層(5)的厚度為20-100 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于，所述所述二氧化硅薄膜層(13)的厚度為50-200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4任意一項(xiàng)所述的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于，所述絕緣層(2)包括二氧化硅層(6)和氮化硅層(7);所述二氧化硅層(6)貼覆在所述襯底(I)的上表面，所述氮化硅層(7)覆蓋在所述二氧化硅層￠)的上表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于，所述測(cè)溫元件(3)和加熱元件(4)之間設(shè)置有ICP槽(14)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或6所述的熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于，所述測(cè)溫元件(3)為四個(gè)，分別位于所述加熱元件(4)的周邊，每個(gè)所述測(cè)溫元件(3)到所述加熱元件(4)的距離相等，且相對(duì)的所述測(cè)溫元件⑶以所述加熱元件⑷為中心相互對(duì)稱，相鄰的所述測(cè)溫元件(3)相對(duì)所述襯底(I)端部距離均相等。
【文檔編號(hào)】G01P5/10GK204008693SQ201420400075
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】祁明鋒, 張珽, 劉瑞, 沈方平, 丁海燕, 谷文 申請(qǐng)人:蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司