高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種基于熱對流的高靈敏度硅二維熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，尤其是采用放置于空氣流道上方的加熱元件提高熱對流效率的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣象監(jiān)測對于人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天等都具有重要的意義。風(fēng)速和風(fēng)向作為兩項基本的氣象信息，是環(huán)境監(jiān)測中必不可少的氣象要素。早期風(fēng)速風(fēng)向的檢測主要由機械裝置來完成，比如采用風(fēng)杯來測量風(fēng)速，風(fēng)向標(biāo)來測量風(fēng)向，雖然這些裝置有著良好的測量效果，但由于含有可動部件，因而容易發(fā)生磨損，而且體積大，價格昂貴，需要經(jīng)常維護；后來出現(xiàn)的超聲風(fēng)速傳感器雖然測量精度高，沒有量程的限制，但由于死區(qū)的存在，發(fā)射和接收頭位置較遠，因此結(jié)構(gòu)相對較大。而基于MEMS工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器以其體積小、精度高、可靠性高、成本低等特點，成為近年來風(fēng)速風(fēng)向傳感器研究的熱點。但是，在熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計中，襯底材料的熱導(dǎo)率對傳感器的功耗和靈敏度有著重要的影響，而硅的熱導(dǎo)率相對較高，使得以硅做為襯底材料的這類傳感器功耗較大，靈敏度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明提出了一種高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計及其制備方法，本發(fā)明功耗低，響應(yīng)時間快。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計，該風(fēng)速計在襯底材料中心設(shè)有通孔，襯底材料表面覆蓋低熱導(dǎo)率薄膜層，在上表面通孔上方設(shè)有加熱元件，該加熱元件為對稱結(jié)構(gòu)，但其覆蓋面積小于通孔面積，以加熱元件為中心，正交對稱分布四個溫度傳感器。
[0005]優(yōu)選的，通孔和環(huán)境空氣是連通的。
[0006]優(yōu)選的，通孔形狀是柱形，或下大上小的倒喇叭形。
[0007]本發(fā)明還提供了一種制備高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計的方法，該方法包括如下步驟:
[0008]首先通過熱氧化的方法在晶向的硅片材料上，氧化形成一層低熱導(dǎo)率的二氧化硅薄膜，然后光刻并采用氫氧化鉀或四甲基氫氧化氨溶液濕法腐蝕襯底硅在中心形成通孔，接著重新熱氧化以在襯底上表面和通孔內(nèi)壁形成一層低熱導(dǎo)率的二氧化硅薄膜層，接下來在上方氧化硅薄膜上采用磁控濺射方法濺射金屬鈦和鉑并光刻形成十字加熱元件和四個溫度傳感器，最后腐蝕掉通孔中心上方的氧化薄層釋放結(jié)構(gòu)，自此，制作過程完成。
[0009]有益效果:I)在加熱元件的下方刻蝕通孔形成了垂直的空氣流道，利用空氣受熱膨脹上升的特性實現(xiàn)了空氣的預(yù)加熱并提高了熱對流效率，進而加大了芯片上下游的溫差，使熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的靈敏度得到了顯著的提高;2)工藝結(jié)構(gòu)簡單，在傳統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上僅增加了一個通孔;3)由于熱對流效率提高，該器件可以低功耗工作。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)頂視圖。圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0011 ]兩圖中具有統(tǒng)一的標(biāo)注。其中:襯底材料I，低熱導(dǎo)率薄膜層2，加熱元件3和溫度傳感器4。
[0012]圖3a為硅片背面深腐蝕和氧化形成絕緣層示意圖。
[0013]圖3b為正面加工形成加熱和測溫元件示意圖。
[0014]圖3c為正面腐蝕氧化硅釋放窗口結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0016]本發(fā)明提供的一種高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計，也可以叫傳感器。
[0017]針對熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，加熱元件加熱周圍的空氣，導(dǎo)致熱空氣上升，由此引起的負(fù)壓使冷空氣從周圍向加熱元件附近補充。由于該傳感器結(jié)構(gòu)通常是加熱元件處于中心位置，周圍設(shè)置有測溫元件，這樣導(dǎo)致測溫元件附件產(chǎn)生不希望的空氣流動。為此，本發(fā)明提出了一種將加熱元件放置在垂直空氣流道的上方，使加熱元件周圍由于熱空氣上升引起的冷空氣可以迅速從垂直流道中補充，使加熱元件進行更充分的對流換熱，從而實現(xiàn)了一種高靈敏度風(fēng)速測量的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器。該傳感器的測溫元件放置在低熱導(dǎo)率薄膜上，與硅襯底不直接接觸，減少了熱量向襯底的傳遞。當(dāng)外界無風(fēng)時，垂直流道內(nèi)的空氣由于溫度分布不均，在由壓力差導(dǎo)致的上升運動中被預(yù)熱；外界風(fēng)吹過時，風(fēng)越大，芯片上方相對流道的壓強越小，因而會有更多的熱空氣流到芯片表面，由于預(yù)熱作用，從流道流至芯片上方的空氣會攜帶更多的熱量，被風(fēng)帶至下游測溫元件的熱量也比沒有預(yù)熱時多，使得傳感器上下游測溫元件間的溫差更大，芯片溫差測量的靈敏度也更高。同時，二維對稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使得傳感器可以得到相互正交的兩組溫差測量值，經(jīng)過簡單的數(shù)值計算就可以得到風(fēng)速和風(fēng)向的信息。
[0018]本發(fā)明提出的二維熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器利用熱溫差原理測量風(fēng)速和風(fēng)向。為了減小傳感器的功耗，提高靈敏度，傳感器放置在低熱導(dǎo)率薄膜上，同時，在加熱元件的中心下方刻蝕通孔形成了空氣流道，以加強加熱元件和空氣之間的對流換熱。為了能實現(xiàn)風(fēng)向的測量，在加熱元件的周圍對稱分布著兩組相互正交的溫度傳感器。該傳感器的結(jié)構(gòu)如附圖1和附圖2所示，附圖1為頂視結(jié)構(gòu)，附圖2為剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I為襯底材料，2為低熱導(dǎo)率材料層;3為十字結(jié)構(gòu)的加熱元件，4為四個對稱放置的測溫元件。襯底材料I中心開一通孔，整個材料表面覆蓋一層低熱導(dǎo)率材料層2，結(jié)構(gòu)上表面通孔的上方設(shè)有十字結(jié)構(gòu)的加熱元件3，在同一層上，對稱分布著四個相互正交的測溫元件4。當(dāng)器件正常工作時，由于加熱元件3的作用，通孔上方的溫度會比下方高，空氣受熱后在重力的作用下會向上運動，同時，空氣在上升的過程中會受到加熱元件3持續(xù)的加熱，當(dāng)外界風(fēng)吹過時，將經(jīng)過預(yù)熱的空氣帶至芯片下游，使到達芯片下游的空氣溫度高于傳統(tǒng)熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器中空氣通過芯片正面后所能達到的溫度。并且，當(dāng)風(fēng)速變大時，芯片上方相對通孔的壓強減小，會有更多的空氣通過通孔從下方流至芯片表面，更多的熱量被帶到下游，芯片上下游的溫差會更大。顯然，通過測量上下游的溫差即可得知風(fēng)速的大??；測量相對的兩組測溫元件間的溫度差，可以得到兩組正交的溫度信息，最后通過數(shù)值計算得到風(fēng)速和風(fēng)向的信息。
[0019]本發(fā)明提供的一種高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計，該風(fēng)速計在襯底材料I中心設(shè)有通孔，襯底材料I表面覆蓋低熱導(dǎo)率薄膜層2，在上表面通孔上方設(shè)有加熱元件3，該加熱元件3為對稱結(jié)構(gòu)，但其覆蓋面積小于通孔面積，以加熱元件3為中心，正交對稱分布四個溫度傳感器4。
[0020]通孔和環(huán)境空氣是連通的。
[0021 ]通孔形狀是柱形，或下大上小的倒喇叭形。
[0022]本傳感器的制作過程為:首先通過熱氧化的方法在晶向的硅片材料I上，氧化形成一層低熱導(dǎo)率的二氧化硅薄膜2，然后光刻并采用氫氧化鉀或四甲基氫氧化氨溶液濕法腐蝕襯底硅I在中心形成通孔，接著重新熱氧化以在襯底I上表面和通孔內(nèi)壁形成一層低熱導(dǎo)率的二氧化硅薄膜層2(圖3a)，接下來在上方氧化硅薄膜2上采用磁控濺射方法濺射金屬鈦和鉑并光刻形成十字加熱元件3和四個測溫元件4(圖3b)，最后腐蝕掉通孔中心上方的氧化薄層釋放結(jié)構(gòu)(圖3c)。自此，本傳感器的制作過程基本完成。
[0023]本發(fā)明采用硅作為襯底，金屬膜作為加熱和測溫元件。硅上氧化形成低熱導(dǎo)率薄膜層實現(xiàn)金屬膜和硅襯底的熱隔離，同時對體硅進行腐蝕形成通孔結(jié)構(gòu)以提高熱對流。該傳感器靈敏度高，并具有工藝簡單可靠，功耗低，響應(yīng)時間快等優(yōu)點。
【主權(quán)項】
1.一種高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計，其特征在于，該風(fēng)速計在襯底材料(I)中心設(shè)有通孔，襯底材料(I)表面覆蓋低熱導(dǎo)率薄膜層(2)，在上表面通孔上方設(shè)有加熱元件(3)，該加熱元件(3)為對稱結(jié)構(gòu)，但其覆蓋面積小于通孔面積，以加熱元件(3)為中心，正交對稱分布四個溫度傳感器(4)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計，其特征在于，通孔和環(huán)境空氣是連通的。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計，其特征在于，通孔形狀是柱形，或下大上小的倒喇叭形。4.一種制備高靈敏娃二維熱式風(fēng)速計的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 首先通過熱氧化的方法在晶向的硅片材料上，氧化形成一層低熱導(dǎo)率的二氧化硅薄膜，然后光刻并采用氫氧化鉀或四甲基氫氧化氨溶液濕法腐蝕襯底硅在中心形成通孔，接著重新熱氧化以在襯底上表面和通孔內(nèi)壁形成一層低熱導(dǎo)率的二氧化硅薄膜層，接下來在上方氧化硅薄膜上采用磁控濺射方法濺射金屬鈦和鉑并光刻形成十字加熱元件和四個溫度傳感器，最后腐蝕掉通孔中心上方的氧化薄層釋放結(jié)構(gòu)，自此，制作過程完成。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高靈敏硅二維熱式風(fēng)速計及其制備方法，該風(fēng)速計在襯底材料(1)中心設(shè)有通孔，襯底材料(1)表面覆蓋低熱導(dǎo)率薄膜層(2)，在上表面通孔上方設(shè)有加熱元件(3)，該加熱元件(3)為對稱結(jié)構(gòu)，但其覆蓋面積小于通孔面積，以加熱元件(3)為中心，正交對稱分布四個溫度傳感器(4)。該風(fēng)速計靈敏度高，并具有工藝簡單可靠，功耗低，響應(yīng)時間快等優(yōu)點。
【IPC分類】G01P5/10
【公開號】CN105675916
【申請?zhí)枴緾N201610033615
【發(fā)明人】秦明, 葉一舟, 姚玉瑾, 黃慶安
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月19日