[發(fā)明專利]一種提高測(cè)量范圍和全量程精度的風(fēng)速風(fēng)向傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111142905.9
• 申請(qǐng)日: 2021-09-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113884701B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 齊博;秦明;王振軍;易真翔;黃慶安
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P5/08
• 分類號(hào): G01P5/08;G01P13/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 秦秋星

本發(fā)明提供一種提高測(cè)量范圍和全量程精度的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，首先通過(guò)離子注入制備加熱元件、測(cè)溫元件、硅壓阻等敏感元件。然后雙面氧化硅片并淀積氮化硅做鈍化層保護(hù)，硅片背面開(kāi)窗并腐蝕形成背腔與硅薄膜。最后去除氮化硅保護(hù)層后刻蝕引線孔，濺射金屬并剝離多余部分實(shí)現(xiàn)金屬引線和電極。此方法通過(guò)在硅薄膜上同時(shí)制備加熱元件、測(cè)溫元件以及硅壓阻，并在芯片上方加裝導(dǎo)風(fēng)板以實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓測(cè)量，以彌補(bǔ)熱分布測(cè)量量程低、高風(fēng)速測(cè)量靈敏度低的缺點(diǎn)，有效提升了傳感器測(cè)量范圍及全量程精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種基于微機(jī)械加工技術(shù)制造的薄膜結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速方向傳感器，尤其是將風(fēng)壓測(cè)量和熱分布測(cè)量結(jié)合在一起的高精度寬量程風(fēng)速風(fēng)向傳感器。

背景技術(shù)

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)速風(fēng)向傳感器正逐步向小型化、集成化、智能化方向發(fā)展。MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器沒(méi)有可動(dòng)部件，具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為風(fēng)傳感器研究的主流，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器通常由加熱元件與測(cè)溫元件組成，受限于工作原理，傳感器輸出靈敏度隨風(fēng)速的增大而逐漸減小。雖然增大加熱功率能提升傳感器整體靈敏度，但由于加熱元件材料的特性，加熱溫度通常無(wú)法無(wú)限制增大，在超高風(fēng)速測(cè)量的過(guò)程中無(wú)法發(fā)揮有效作用。因此，如何在保持原來(lái)熱式風(fēng)速傳感器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提升高風(fēng)速測(cè)量精度和拓寬量程是亟待攻克的重點(diǎn)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種提高測(cè)量范圍和全量程精度的風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)。利用熱分布測(cè)量原理在低風(fēng)環(huán)境下測(cè)量靈敏度高以及風(fēng)壓測(cè)量原理在高風(fēng)環(huán)境下靈敏度高的特點(diǎn)，將熱分布測(cè)量和風(fēng)壓測(cè)量巧妙結(jié)合在同一個(gè)結(jié)構(gòu)中。

技術(shù)方案：

該傳感器結(jié)構(gòu)制作在硅薄膜上，由加熱元件、四個(gè)中心對(duì)稱分布的測(cè)溫元件以及四個(gè)中心對(duì)稱分布的硅壓阻組成，傳感器在工作中通過(guò)測(cè)量硅薄膜表面熱分布偏差以實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速測(cè)量，通過(guò)硅壓阻測(cè)量硅薄膜的整體受壓情況以實(shí)現(xiàn)高風(fēng)速的檢測(cè)。芯片封裝過(guò)程中，在硅薄膜上方加入一塊導(dǎo)風(fēng)板，由于導(dǎo)風(fēng)板的特有結(jié)構(gòu)，將各個(gè)水平方向的來(lái)風(fēng)以一定角度的向下偏轉(zhuǎn)吹向硅薄膜中心表面，偏轉(zhuǎn)角度越大，硅薄膜表面硅壓阻受到的縱向、橫向應(yīng)力越大，風(fēng)壓測(cè)量的靈敏度越高。但偏轉(zhuǎn)角度增大的同時(shí)會(huì)降低熱分布測(cè)量的量程和靈敏度，選取合適的偏轉(zhuǎn)角度對(duì)保證兩種測(cè)量方案的靈敏度至關(guān)重要。

低風(fēng)速范圍內(nèi)，熱分布測(cè)量主要通過(guò)監(jiān)測(cè)芯片表面溫度分布情況來(lái)間接表征風(fēng)速風(fēng)向值。芯片中央的加熱元件供電后產(chǎn)生焦耳熱，使芯片表面溫度高于環(huán)境溫度，無(wú)風(fēng)狀態(tài)下由傳感器芯片的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，傳感器芯片表面的熱場(chǎng)均勻分布，四個(gè)方向上的測(cè)溫元件溫度相同，溫度差為零。芯片薄膜正面有風(fēng)吹過(guò)時(shí)，熱場(chǎng)分布隨風(fēng)速風(fēng)向而發(fā)生改變，風(fēng)速越大，熱場(chǎng)相對(duì)芯片中心的偏移量越大。通過(guò)相互正交分布的兩對(duì)測(cè)溫元件分別檢測(cè)水平、垂直方向上的溫度差，將兩組溫差信號(hào)進(jìn)行矢量合成即可用于表征風(fēng)速風(fēng)向信息。

高風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)壓測(cè)量主要通過(guò)監(jiān)測(cè)硅薄膜邊緣壓力情況來(lái)間接表征風(fēng)速風(fēng)向值。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的風(fēng)壓公式為

其中W₀為動(dòng)壓強(qiáng)，V為風(fēng)速。由上式可知，風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，即風(fēng)速越大，通過(guò)測(cè)量硅薄膜兩側(cè)壓力差表征風(fēng)速的靈敏度越高。

硅薄膜邊緣中點(diǎn)位置的應(yīng)力最大，在這些位置制備硅壓阻可獲得最大測(cè)量靈敏度。無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，薄膜正面壓力為零。有風(fēng)吹過(guò)時(shí)，芯片上方導(dǎo)風(fēng)板使得風(fēng)向在垂直方向上產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，從而引起薄膜形變，兩組硅壓阻分別受到水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的作用而發(fā)生阻值變化，兩對(duì)硅壓阻的應(yīng)力差即可用于表征風(fēng)速變化情況。

為了實(shí)現(xiàn)熱分布測(cè)量與壓差測(cè)量結(jié)合的風(fēng)速風(fēng)向傳感器的感風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要完成以下步驟。首先將傳感器芯片注塑于圓形絕熱環(huán)中心位置，以保證良好的隔熱，并將其粘接于塑料底座上。最后在傳感器塑封芯片上方加裝包含弧形導(dǎo)風(fēng)板和整流柱的整流罩，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓測(cè)量與熱分布測(cè)量結(jié)合的感風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。