高灵敏硅二维热式风速计及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种基于热对流的高灵敏度硅二维热式风速风向传感器，尤其是采用放置于空气流道上方的加热元件提高热对流效率的热式风速风向传感器。
【背景技术】
[0002]气象监测对于人们的日常生活、工业生产、航空航天等都具有重要的意义。风速和风向作为两项基本的气象信息，是环境监测中必不可少的气象要素。早期风速风向的检测主要由机械装置来完成，比如采用风杯来测量风速，风向标来测量风向，虽然这些装置有着良好的测量效果，但由于含有可动部件，因而容易发生磨损，而且体积大，价格昂贵，需要经常维护；后来出现的超声风速传感器虽然测量精度高，没有量程的限制，但由于死区的存在，发射和接收头位置较远，因此结构相对较大。而基于MEMS工艺的热式风速风向传感器以其体积小、精度高、可靠性高、成本低等特点，成为近年来风速风向传感器研究的热点。但是，在热式风速风向传感器的设计中，衬底材料的热导率对传感器的功耗和灵敏度有着重要的影响，而硅的热导率相对较高，使得以硅做为衬底材料的这类传感器功耗较大，灵敏度较低。
【发明内容】
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[0003]技术问题:本发明提出了一种高灵敏硅二维热式风速计及其制备方法，本发明功耗低，响应时间快。
[0004]
【发明内容】
:为解决上述技术问题，本发明提供了一种高灵敏硅二维热式风速计，该风速计在衬底材料中心设有通孔，衬底材料表面覆盖低热导率薄膜层，在上表面通孔上方设有加热元件，该加热元件为对称结构，但其覆盖面积小于通孔面积，以加热元件为中心，正交对称分布四个温度传感器。
[0005]优选的，通孔和环境空气是连通的。
[0006]优选的，通孔形状是柱形，或下大上小的倒喇叭形。
[0007]本发明还提供了一种制备高灵敏硅二维热式风速计的方法，该方法包括如下步骤:
[0008]首先通过热氧化的方法在晶向的硅片材料上，氧化形成一层低热导率的二氧化硅薄膜，然后光刻并采用氢氧化钾或四甲基氢氧化氨溶液湿法腐蚀衬底硅在中心形成通孔，接着重新热氧化以在衬底上表面和通孔内壁形成一层低热导率的二氧化硅薄膜层，接下来在上方氧化硅薄膜上采用磁控溅射方法溅射金属钛和铂并光刻形成十字加热元件和四个温度传感器，最后腐蚀掉通孔中心上方的氧化薄层释放结构，自此，制作过程完成。
[0009]有益效果:I)在加热元件的下方刻蚀通孔形成了垂直的空气流道，利用空气受热膨胀上升的特性实现了空气的预加热并提高了热对流效率，进而加大了芯片上下游的温差，使热式风速风向传感器的灵敏度得到了显著的提高;2)工艺结构简单，在传统风速风向传感器结构的基础上仅增加了一个通孔;3)由于热对流效率提高，该器件可以低功耗工作。
【附图说明】
[0010]图1为本发明的结构顶视图。图2为本发明结构的剖视图。
[0011 ]两图中具有统一的标注。其中:衬底材料I，低热导率薄膜层2，加热元件3和温度传感器4。
[0012]图3a为硅片背面深腐蚀和氧化形成绝缘层示意图。
[0013]图3b为正面加工形成加热和测温元件示意图。
[0014]图3c为正面腐蚀氧化硅释放窗口结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0016]本发明提供的一种高灵敏硅二维热式风速计，也可以叫传感器。
[0017]针对热式风速风向传感器，加热元件加热周围的空气，导致热空气上升，由此引起的负压使冷空气从周围向加热元件附近补充。由于该传感器结构通常是加热元件处于中心位置，周围设置有测温元件，这样导致测温元件附件产生不希望的空气流动。为此，本发明提出了一种将加热元件放置在垂直空气流道的上方，使加热元件周围由于热空气上升引起的冷空气可以迅速从垂直流道中补充，使加热元件进行更充分的对流换热，从而实现了一种高灵敏度风速测量的二维风速风向传感器。该传感器的测温元件放置在低热导率薄膜上，与硅衬底不直接接触，减少了热量向衬底的传递。当外界无风时，垂直流道内的空气由于温度分布不均，在由压力差导致的上升运动中被预热；外界风吹过时，风越大，芯片上方相对流道的压强越小，因而会有更多的热空气流到芯片表面，由于预热作用，从流道流至芯片上方的空气会携带更多的热量，被风带至下游测温元件的热量也比没有预热时多，使得传感器上下游测温元件间的温差更大，芯片温差测量的灵敏度也更高。同时，二维对称结构的设计，使得传感器可以得到相互正交的两组温差测量值，经过简单的数值计算就可以得到风速和风向的信息。
[0018]本发明提出的二维热式风速风向传感器利用热温差原理测量风速和风向。为了减小传感器的功耗，提高灵敏度，传感器放置在低热导率薄膜上，同时，在加热元件的中心下方刻蚀通孔形成了空气流道，以加强加热元件和空气之间的对流换热。为了能实现风向的测量，在加热元件的周围对称分布着两组相互正交的温度传感器。该传感器的结构如附图1和附图2所示，附图1为顶视结构，附图2为剖面结构示意图。图中I为衬底材料，2为低热导率材料层;3为十字结构的加热元件，4为四个对称放置的测温元件。衬底材料I中心开一通孔，整个材料表面覆盖一层低热导率材料层2，结构上表面通孔的上方设有十字结构的加热元件3，在同一层上，对称分布着四个相互正交的测温元件4。当器件正常工作时，由于加热元件3的作用，通孔上方的温度会比下方高，空气受热后在重力的作用下会向上运动，同时，空气在上升的过程中会受到加热元件3持续的加热，当外界风吹过时，将经过预热的空气带至芯片下游，使到达芯片下游的空气温度高于传统热式风速风向传感器中空气通过芯片正面后所能达到的温度。并且，当风速变大时，芯片上方相对通孔的压强减小，会有更多的空气通过通孔从下方流至芯片表面，更多的热量被带到下游，芯片上下游的温差会更大。显然，通过测量上下游的温差即可得知风速的大小；测量相对的两组测温元件间的温度差，可以得到两组正交的温度信息，最后通过数值计算得到风速和风向的信息。
[0019]本发明提供的一种高灵敏硅二维热式风速计，该风速计在衬底材料I中心设有通孔，衬底材料I表面覆盖低热导率薄膜层2，在上表面通孔上方设有加热元件3，该加热元件3为对称结构，但其覆盖面积小于通孔面积，以加热元件3为中心，正交对称分布四个温度传感器4。
[0020]通孔和环境空气是连通的。
[0021 ]通孔形状是柱形，或下大上小的倒喇叭形。
[0022]本传感器的制作过程为:首先通过热氧化的方法在晶向的硅片材料I上，氧化形成一层低热导率的二氧化硅薄膜2，然后光刻并采用氢氧化钾或四甲基氢氧化氨溶液湿法腐蚀衬底硅I在中心形成通孔，接着重新热氧化以在衬底I上表面和通孔内壁形成一层低热导率的二氧化硅薄膜层2(图3a)，接下来在上方氧化硅薄膜2上采用磁控溅射方法溅射金属钛和铂并光刻形成十字加热元件3和四个测温元件4(图3b)，最后腐蚀掉通孔中心上方的氧化薄层释放结构(图3c)。自此，本传感器的制作过程基本完成。
[0023]本发明采用硅作为衬底，金属膜作为加热和测温元件。硅上氧化形成低热导率薄膜层实现金属膜和硅衬底的热隔离，同时对体硅进行腐蚀形成通孔结构以提高热对流。该传感器灵敏度高，并具有工艺简单可靠，功耗低，响应时间快等优点。
【主权项】
1.一种高灵敏硅二维热式风速计，其特征在于，该风速计在衬底材料(I)中心设有通孔，衬底材料(I)表面覆盖低热导率薄膜层(2)，在上表面通孔上方设有加热元件(3)，该加热元件(3)为对称结构，但其覆盖面积小于通孔面积，以加热元件(3)为中心，正交对称分布四个温度传感器(4)。2.根据权利要求1所述的高灵敏硅二维热式风速计，其特征在于，通孔和环境空气是连通的。3.根据权利要求1所述的高灵敏硅二维热式风速计，其特征在于，通孔形状是柱形，或下大上小的倒喇叭形。4.一种制备高灵敏娃二维热式风速计的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 首先通过热氧化的方法在晶向的硅片材料上，氧化形成一层低热导率的二氧化硅薄膜，然后光刻并采用氢氧化钾或四甲基氢氧化氨溶液湿法腐蚀衬底硅在中心形成通孔，接着重新热氧化以在衬底上表面和通孔内壁形成一层低热导率的二氧化硅薄膜层，接下来在上方氧化硅薄膜上采用磁控溅射方法溅射金属钛和铂并光刻形成十字加热元件和四个温度传感器，最后腐蚀掉通孔中心上方的氧化薄层释放结构，自此，制作过程完成。
【专利摘要】本发明提供了一种高灵敏硅二维热式风速计及其制备方法，该风速计在衬底材料(1)中心设有通孔，衬底材料(1)表面覆盖低热导率薄膜层(2)，在上表面通孔上方设有加热元件(3)，该加热元件(3)为对称结构，但其覆盖面积小于通孔面积，以加热元件(3)为中心，正交对称分布四个温度传感器(4)。该风速计灵敏度高，并具有工艺简单可靠，功耗低，响应时间快等优点。
【IPC分类】G01P5/10
【公开号】CN105675916
【申请号】CN201610033615
【发明人】秦明, 叶一舟, 姚玉瑾, 黄庆安
【申请人】东南大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月19日