专利名称：一种高灵敏度二维风速风向传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量风速风向的传感器，具体来说，涉及一种高灵敏度二维风速风向传感器。
背景技术：
风速和风向是反应气象情况非常重要的两个参数。对环境监测、空气调节和工农业生产有重要影响。因此，快速、准确的测量出风速和风向具有十分重要的现实意义。众所周知，虽然利用机械加工的风杯和风向标能够测量风速和风向，但是这些机械装置具有移动部件，而使得这些机械装置容易磨损、寿命短。同时这些机械装置体积大，价格昂贵，需要经常维护。典型超声风速传感器发射和探测接收头位置固定，因此相对结构也较大。基于微机械加工技术的微型流速传感器具有体积小、价格低和产品一致性好的优点，是近几年来流体传感器研究的热点。但是，由于硅衬底的高热导率，微型流速传感器的功耗较大，灵敏度较低。采用背面腐蚀或者正面腐蚀的方法形成绝热薄膜，可以提高灵敏度，但是结构易损坏，不利于后道工艺和封装。
发明内容技术问题本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种高灵敏度二维风速风向传感器，该传感器结构简单、体积小，并且在测量风速风向时，具有高灵敏度和低功耗。技术方案为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是本实用新型的高灵敏度二维风速风向传感器，包括四个基本单元和一个硅衬底， 四个基本单元分布在硅衬底上；所述的每个基本单元包括加热电阻、测温电阻、第一外梁、 第二外梁、第一内梁、第二内梁、第一焊接块、第二焊接块、第三焊接块和第四焊接块，第一焊接块、第二焊接块、第三焊接块和第四焊接块依次连接在硅衬底的上表面，加热电阻和测温电阻均由金属制成，加热电阻和测温电阻位于同一水平面，并且相互平行，加热电阻的长度大于测温电阻的长度，加热电阻和测温电阻具有同一中线；与加热电阻相比，测温电阻靠近硅衬底的边缘；加热电阻的一端与第一外梁前部的顶端连接，加热电阻的另一端与第二外梁前部的顶端连接；测温电阻的一端与第一内梁前部的顶端连接，测温电阻的另一端与第二内梁前部的顶端连接；第一外梁后部的尾端与第一焊接块连接，第二外梁后部的尾端与第四焊接块连接，第一内梁后部的尾端与第二焊接块连接，第二内梁后部的尾端与第三焊接块连接；第一外梁后部、第二外梁后部、第一内梁后部和第二内梁后部均与硅衬底相触，第一外梁前部、第二外梁前部、第一内梁前部和第二内梁前部均悬空；所述的四个基本单元中的加热电阻在硅衬底上呈二维对称分布；所述的四个基本单元中的测温电阻在硅衬底上呈二维对称分布。有益效果与现有技术相比，本实用新型的技术方案的有益效果是该传感器结构简单、体积小，并且在测量风速风向时，具有高灵敏度和低功耗。本技术方案的传感器，第一外梁前部、第二外梁前部、第一内梁前部和第二内梁前部向上弯曲，呈悬空结构。因此，连接在第一外梁前部和第二外梁前部之间的加热电阻，以及连接在第一内梁前部和第二内梁前部之间的测温电阻，都处于悬空状态。加热电阻和测温电阻为悬空状态，脱离了硅衬底的表面，不受硅衬底高热传导率的影响，所以，该结构的传感器具有高灵敏度和低功耗。同时， 加热电阻和测温电阻为二维对称分布，通过测量两个相对的测温电阻之间的温度差，就可以得到一组正交的温度分布信息。通过数值计算，利用两组正交的温度分布信息，可以得到风速和风向的信息，测量风速和风向精度高。另外，整个传感器结构简单、体积小，工作响应时间快。
图1为本实用新型的俯视图。图2是本实用新型中的一个基本单元的正视图。图中有硅衬底1、加热电阻2，测温电阻3、第一外梁4、第一外梁前部41、第一外梁后部42、第二外梁5、第二外梁前部51、第二外梁后部52、第一内梁6、第一内梁前部61、 第一内梁后部62、第二内梁7、第二内梁前部71、第二内梁后部72、第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10、第四焊接块11。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型的一种高灵敏度二维风速风向传感器，包括四个基本单元和一个硅衬底1。四个基本单元分布在硅衬底1上。其中，每个基本单元包括加热电阻2、测温电阻3、第一外梁4、第二外梁5、第一内梁6、第二内梁7、第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10和第四焊接块11。第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10和第四焊接块11依次连接在硅衬底1的上表面。加热电阻2和测温电阻3均由金属制成。为了保证传感器的长期可靠工作，优选采用物理特性稳定的钼材料或钨材料制作加热电阻2和测温电阻3。加热电阻2和测温电阻3位于同一水平面，并且加热电阻2和测温电阻3相互平行。加热电阻2的长度大于测温电阻3的长度。加热电阻2和测温电阻3具有同一中线。与加热电阻2相比，测温电阻3靠近硅衬底1的边缘。第一外梁4由第一外梁前部41 和第一外梁后部42两个部分组成。第二外梁5由第二外梁前部51和第二外梁后部52两个部分组成。第一内梁6由第一内梁前部61和第一内梁后部62两个部分组成。第二内梁7 由第二内梁前部71和第二内梁后部72两个部分组成。加热电阻2的一端与第一外梁前部 41的顶端连接，加热电阻2的另一端与第二外梁前部51的顶端连接。测温电阻3的一端与第一内梁前部61的顶端连接，测温电阻3的另一端与第二内梁前部71的顶端连接。第一外梁后部42的尾端与第一焊接块8连接，第二外梁后部52的尾端与第四焊接块11连接， 第一内梁后部62的尾端与第二焊接块9连接，第二内梁后部72的尾端与第三焊接块10连接。这样，加热电阻2和第一焊接块8通过第一外梁4连接，加热电阻2和第四焊接块11 通过第二外梁5连接，测温电阻3和第二焊接块9通过第一内梁6连接，测温电阻3和第三焊接块10通过第二内梁7连接。第一外梁后部42、第二外梁后部52、第一内梁后部62和第二内梁后部72均与硅衬底1相触。第一外梁前部41、第二外梁前部51、第一内梁前部61 和第二内梁前部71均悬空。四个基本单元中的加热电阻2在硅衬底1上呈二维对称分布。 四个基本单元中的测温电阻3在硅衬底1上呈二维对称分布。[0011]该结构的传感器的制作过程为首先，在氧化硅片上淀积一层5000 A左右的钛， 光刻并刻蚀钛形成牺牲层；其次，淀积1000A的钛作为缓冲层，淀积两层各500nm左右的金属钼铬(化学式为MoCr)，其中第一层为压应力，第二层为张应力；然后，光刻并刻蚀钼铬金属形成第一外梁4、第二外梁5、第一内梁6和第二内梁7 ；随后，淀积金属钼或钨作为电阻层，并采用剥离工艺形成加热电阻2和测温电阻3 ；接着，在第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10、第四焊接块11处，利用剥离工艺形成3000A的金层；最后，腐蚀释放牺牲层， 使第一外梁前部41、第二外梁前部51、第一内梁前部61和第二内梁前部71向上弯曲形成悬空结构。该结构的高灵敏度二维风速风向传感器中，第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块10和第四焊接块11用于引出信号连接外接电路。第一外梁前部41、第二外梁前部51、 第一内梁前部61和第二内梁前部71向上弯曲，呈悬空结构。因此，连接在第一外梁前部41 和第二外梁前部51之间的加热电阻2，以及连接在第一内梁前部61和第二内梁前部71之间的测温电阻3，都处于悬空状态。工作时，四个加热电阻2通过第一焊接块8、第二焊接块
9、第三焊接块10和第四焊接块11加载同样的恒定电压或功率。这样，二维对称分布的四个测温电阻3上产生温度分布。在每个基本单元中，加热电阻2都有一个与其对应的测温电阻3。当风吹过传感器正上方时，加热电阻2产生的热量直接向空气中散发，并传递到与其对应的测温电阻3上。通过测量两个相对的测温电阻3之间的温度差，就可以得到一组正交的温度分布信息。通过数值计算，利用两组正交的温度分布信息，可以得到风速和风向的信息。也是说，该结构的传感器利用热温差原理测量风速和风向，通过测量两组相对的测温电阻3上的热温差来计算风速和风向。该结构的传感器，加热电阻2和测温电阻3都是处于悬空的状态，即加热电阻2 和测温电阻3均不与硅衬底1直接接触。这减少了热量从硅衬底1的传递，因此传感器的灵敏度有较大提高，也降低了功耗。同时，四个基本单元中的加热电阻2在硅衬底1上呈二维对称分布，四个基本单元中的测温电阻3在硅衬底1上呈二维对称分布。加热电阻2和测温电阻3均呈二维对称分布，使得传感器可以同时得到相互正交的两组温度测量值，经过数值计算可以得到风速和风向的信息。该结构的传感器，测量风速和风向精度高，并且整个传感器结构简单，工作响应时间快。进一步，为了便于压焊和引线，在第一焊接块8、第二焊接块9、第三焊接块
10、第四焊接块11表面淀积一层金。所述的第一外梁4、第二外梁5、第一内梁6、第二内梁 7均由金属制成。采用金属制作第一外梁4、第二外梁5、第一内梁6、第二内梁7的工艺简单、加工方便，并且导电性能好。
权利要求1.一种高灵敏度二维风速风向传感器，其特征在于，包括四个基本单元和一个硅衬底 (1 )，四个基本单元分布在硅衬底(1)上；所述的每个基本单元包括加热电阻(2)、测温电阻(3)、第一外梁(4)、第二外梁(5)、第一内梁(6)、第二内梁(7)、第一焊接块(8)、第二焊接块(9)、第三焊接块(10)和第四焊接块 (11)，第一焊接块(8)、第二焊接块(9)、第三焊接块(10)和第四焊接块(11)依次连接在硅衬底(1)的上表面，加热电阻(2)和测温电阻(3)均由金属制成，加热电阻(2)和测温电阻 (3)位于同一水平面，并且相互平行，加热电阻(2)的长度大于测温电阻(3)的长度，加热电阻(2)和测温电阻(3)具有同一中线；与加热电阻(2)相比，测温电阻(3)靠近硅衬底(1) 的边缘；加热电阻(2)的一端与第一外梁前部(41)的顶端连接，加热电阻(2)的另一端与第二外梁前部(51)的顶端连接；测温电阻(3)的一端与第一内梁前部(61)的顶端连接，测温电阻(3)的另一端与第二内梁前部(71)的顶端连接；第一外梁后部(42)的尾端与第一焊接块(8)连接，第二外梁后部(52)的尾端与第四焊接块(11)连接，第一内梁后部(62)的尾端与第二焊接块(9)连接，第二内梁后部m的尾端与第三焊接块(10)连接；第一外梁后部 (42)、第二外梁后部(52)、第一内梁后部(62)和第二内梁后部(72)均与硅衬底(1)相触，第一外梁前部(41)、第二外梁前部(51)、第一内梁前部(61)和第二内梁前部(71)均悬空；所述的四个基本单元中的加热电阻(2)在硅衬底(1)上呈二维对称分布；所述的四个基本单元中的测温电阻(3)在硅衬底(1)上呈二维对称分布。
2.按照权利要求1所述的高灵敏度二维风速风向传感器，其特征在于，所述的第一外梁(4)、第二外梁(5)、第一内梁(6)、第二内梁(7)均由金属制成。
3.按照权利要求1所述的高灵敏度二维风速风向传感器，其特征在于，所述的第一焊接块(8)、第二焊接块(9)、第三焊接块(10)、第四焊接块(11)表面均淀积一层金。
4.按照权利要求1所述的高灵敏度二维风速风向传感器，其特征在于，所述的加热电阻(2)和测温电阻(3)均由钼或钨制成。
专利摘要本实用新型公开了一种高灵敏度二维风速风向传感器，包括四个基本单元和一个硅衬底，每个基本单元包括加热电阻、测温电阻、第一外梁、第二外梁、第一内梁、第二内梁、第一焊接块、第二焊接块、第三焊接块和第四焊接块，加热电阻和测温电阻位于同一水平面，加热电阻连接在第一外梁前部的顶端和第二外梁前部的顶端之间，测温电阻连接在第一内梁前部的顶端和第二内梁前部的顶端 之间，第一外梁前部、第二外梁前部、第一内梁前部和第二内梁前部均悬空；四个基本单元中的加热电阻在硅衬底上呈二维对称分布；四个基本单元中的测温电阻在硅衬底上呈二维对称分布。该结构的传感器结构简单、体积小，并且在测量风速风向时，具有高灵敏度和低功耗。
文档编号B81B3/00GK202041547SQ201120031469
公开日2011年11月16日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者秦明, 胡尔同, 顾飞 申请人:东南大学