[發(fā)明專利]一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410344604.8
• 申請日: 2014-07-18
• 公開（公告）號: CN104155472A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 祁明鋒;張珽;劉瑞;沈方平;丁海燕;谷文
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司
• 主分類號: G01P5/10
• 分類號: G01P5/10;G01P13/02;B81C1/00
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)速風(fēng)向檢測技術(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)向傳感器及其制備方法。?

背景技術(shù)

風(fēng)能作為清潔無污染和可持續(xù)發(fā)展的能源一直是資源開放利用的重點(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，對環(huán)境監(jiān)測、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)向測定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。?

目前，可以利用風(fēng)速風(fēng)向傳感器來測量風(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)，通過軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率的信號。而風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的光電信號對應(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)生變化的電壓信號輸出。這種風(fēng)速風(fēng)向傳感器的價(jià)格相對昂貴，幾千到幾萬不等，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。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。?

熱式風(fēng)向風(fēng)速傳感器是測試處于通電狀態(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。?

近些年來，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，尺寸通常控制在毫米或微米級，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、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、連線制作等。微加工技術(shù)的主要內(nèi)容有:硅表面微加工和硅體微加工(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。?

基于MEMS加工技術(shù)的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器是通過其上的加熱元件產(chǎn)生的熱量與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換來感應(yīng)風(fēng)的變化，利用的是強(qiáng)迫對流效應(yīng)，而傳感器總體功耗方面除了包括由于強(qiáng)迫對流效應(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。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備方法，可通過在襯底中設(shè)有多孔硅隔熱層，從而降低傳感器進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測量時(shí)的功耗，確保測量的準(zhǔn)確性。?

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：?

一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括：襯底、絕緣層、測溫元件和加熱元件；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)；所述測溫元件和加熱元件位于所述多孔硅隔熱層正上方的所對應(yīng)的區(qū)域。?

優(yōu)選的，所述襯底由100晶向單晶硅制成。?

優(yōu)選的，所述多孔硅隔熱層的厚度為20-100μm；所述二氧化硅薄膜層厚度為50-200nm。?

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。?

所述測溫元件和加熱元件之間設(shè)置有ICP槽。?

一種熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟：?

S1：選取硅片作為襯底；?

S2：在所述襯底上表面以腐蝕的方法制備一定厚度的多孔硅隔熱層；?

S3：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；?

S4：采用氣相沉積的方法，在所述襯底的上表面制備絕緣層；?