[發明專利]一種二維熱膜風速風向傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201210225095.8
• 申請日: 2012-06-30
• 公開（公告）號: CN102749473A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 秦明;項天彧;陳升奇;周麟;黃慶安
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P5/10
• 分類號: G01P5/10;G01P13/02
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本發明涉及一種風速風向傳感器及其制備方法，具體來說，涉及一種二維熱膜風速風向傳感器及其制備方法。

背景技術

風速、風向是反應氣象情況非常重要的參數，對環境監測、空氣調節和工農業的生產有重要影響，因此快速準確測量出風速和風向具有重要的實際意義。眾所周知，利用機械加工的風杯和風向標雖然也能測量風速和風向，但這些機械裝置因具有移動部件而易磨損，同時具有體積大，價格昂貴，需要經常維護等缺點。典型超聲風速傳感器發射和探測接收頭位置固定，因此相對結構也較大。基于MEMS加工技術的微型流速傳感器具有體積小，價格低，產品一致性好的特點，是近幾年來流體傳感器研究的熱點。但是，由于硅襯底的高熱導率，這類傳感器的功耗較大，靈敏度較低。

發明內容

技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種二維熱膜風速風向傳感器，該傳感器測量風速風向的功耗小，靈敏度高。同時，本發明還提供了一種二維熱膜風速風向傳感器的制備方法，該制備方法制備的傳感器，在襯底中設有空腔，降低傳感器進行風速風向測量時的功耗，確保測量的準確性。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種二維熱膜風速風向傳感器，該傳感器包括襯底，絕緣層，測溫元件和加熱元件；襯底中設有空腔，且空腔頂面到襯底頂面的距離小于10微米；絕緣層貼覆在襯底的上表面，測溫元件和加熱元件分別固定在絕緣層的上表面；測溫元件為四個，測溫元件位于加熱元件的周邊，每個測溫元件到加熱元件的距離相等，且相對的測溫元件以加熱元件為中心，相互對稱，相鄰的測溫元件相對的端部距離均相等；測溫元件和加熱元件位于空腔的正上方。

一種二維熱膜風速風向傳感器的制備方法，該制備方法包括以下步驟：

第一步：取（100）晶向單晶硅片，該硅片作為襯底；

第二步：在硅片內部制備一空腔：首先在硅片的上表面涂膠，用光刻機對硅片光刻，用感應耦合等離子干法刻蝕設備對硅片的表面刻蝕形成豎向淺槽，然后采用各向同性干法對豎向淺槽底部進行橫向鉆蝕，形成下部通槽，該下部通槽連通各豎向淺槽，隨后，去除硅片上表面的膠層，對硅片表面清洗干凈后，對硅片進行正面外延硅，填充豎向淺槽，形成空腔，最后化學機械拋光表面獲得平整表面；

第三步：氧化硅片上表面，形成絕緣層；

第四步：在絕緣層上表面，采用磁控濺射方法濺射金屬，并光刻形成測溫元件和加熱元件。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1.功耗小，靈敏度高。現有的基于硅微機械加工的熱流量傳感器，測溫元件和加熱元件直接設置在硅襯底上。由于硅襯底的高熱導率，使得傳感器熱量向襯底傳遞的較多。為達到同樣的溫升，需要功率較大，傳感器的靈敏度較低。而本發明的傳感器，首先在硅襯底中設置空腔。由于空腔靠近硅襯底的頂面，這樣從襯底上部傳來的熱量在空腔處無法繼續向下擴撒。依靠空腔，實現熱隔離。同時由于測溫元件和加熱元件沒有直接設置在襯底上，而是設置在絕緣層上。絕緣層有利于減少熱量向下擴散。這樣，本發明的傳感器在工作過程中，熱量向襯底擴散比較小。傳感器基本不受襯底高熱傳導率的影響。這不僅提高了傳感器的靈敏度，而且減小了功耗。

2．結構強度高。本發明的傳感器中的空腔設置在襯底內部，襯底表面無開槽，與背面開槽結構相比，確保了整個傳感器結構的強度。如果是在襯底的下表面開槽，雖然可以阻止熱量向下傳遞，但是整個傳感器結構強度低，易損壞，不利于后道工藝和封裝。

3.測量精度高，響應時間快。該傳感器表面作為感風面，熱量主要向空氣中傳播，因此靈敏度高，同時加熱元件和測溫傳感器采用一次光刻工藝成型，避免了工藝上的對準問題，精度高。傳感器小，只有3毫米見方，因此響應時間快。

4.制備方法簡單易行。本發明提供的制備方法簡單，易于工藝上實現。

5.成本低廉。本發明從硅片正面加工，省略了背面開槽的雙面光刻對準和長時間腐蝕工藝。工藝成品率高，從而降低了成本。

附圖說明

圖1為本發明傳感器的俯視圖。

圖2為本發明傳感器的縱向剖視圖。

圖3至圖5為本發明制備方法第二步中的各階段的結構示意圖。

圖中有：襯底1、絕緣層2、測溫元件3、加熱元件4、空腔5。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。