专利名称：基于微机械技术的电容非热式流速传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机械(MEMS)非热式流速传感器，尤其是一种利用MEMS技术加工的叶轮进行检测流速的传感器。
背景技术：
流体测量在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航空等部门都有重要的应用，其中流速流量测量作为流体测量中重要的组成部分，已经发展了很多年。先后出现了风杯测量、皮托管测量、浮子测量、力学测量、声学测量、光学测量、传热学测量、电磁测量等测量方法。基于MEMS加工技术的微型流速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来流体传感器研究的热点。VanPutten(人名)在1974年提出了第一个基于硅微加工技术的流量传感器，这个传感器的工作原理是基于传热学的，即通过测量流体流动引起的热场变化来测量流速信息。经过30余年的发展，现在热式微流体传感器已经成为主流，特别是在风速计领域。但是，热式微流速传感器也有其固有的缺点。例如功耗大、衬底的热传导导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长等。另外，因为要对流体加热，所以就限制了热式微流体传感器在生物方面的应用。非热式微流体传感器则可以克服上述缺点。Kersjes(人名)提出了测量压差的方法、Oosterbroek(人名)提出了测量压降的方法、Svedin(人名)提出过测量升力的方法、Ng(人名)提出过测量粘滞力的方法。目前，基于非热式原理的流速传感器共同的缺点就是量程小以及线性度不好。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于微机械技术的电容非热式流速传感器，该流速传感器采用电容检测方式，具有功耗小、线性范围大、响应快、温漂小和可靠性好等优点。
技术方案本发明是用于测量流体流速信号的叶轮式流速传感器，由叶轮，转轴和玻璃底座构成，叶轮和转轴材料是导电的N型半导体硅，在叶轮底部对应的玻璃上淀积金属电极，金属电极和导电的叶轮本身构成电容。当流体作用于叶轮时，流体带动叶轮转动，叶轮也相对于玻璃上的电极转动，这样，就会使叶轮和玻璃上面的电极之间的电容大小产生规律变化。通过测量变化的频率，就可以得到叶轮转动的速度，从而得到流速信息。即利用电容的频率变化测量流体对叶轮的作用力造成的旋转来得到流速信息，其制造方法是利用键合技术形成可动的转盘和叶轮。
有益效果本发明采用MEMS加工技术制造，制作方法和结构都较为简单，可靠性好。传统的热式流体传感器是通过设置加热部件，再让流体流经加热部件，测量热场的变化或加热部件的温度变化来得到流速信息。由于要对流体加热，所以功耗较大、温度效应明显。本发明采用力学原理测量，通过测量流体带动叶轮旋转的转速来得到流速信息。从而避免了这个缺陷。传统的非热式流速传感器大多利用伯努力原理测量压差或压降，线性范围较小。本发明设置叶轮来解决这个问题，通过检测叶轮转动速度的变化，可以得到流速信息。因为叶轮随流速的变化是线性的，所以本发明可解决了线性范围小的问题。采用电容式结构检测，温度漂移小，灵敏度高，抗干扰能力强。同时，检测的是电容变化的频率大小而不是电容变化的绝对值大小，所以进一步提高了灵敏度和抗干扰能力。利用键合形成的SOI(绝缘体上硅)硅片来作为结构材料，通过ICP(等离子增强刻蚀)和牺牲层释放来形成叶轮和转轴结构，然后再将转轴和玻璃键合完成固定和引线。而传统工艺中一般采用先淀积LTO(低温二氧化硅)或PSG(磷掺杂的二氧化硅)作为牺牲层，然后释放牺牲层形成叶轮之间的间隙，这往往会造成被释放出来的结构粘连或不平整，使得器件失效，本发明采用SOI硅片技术将克服这一缺陷，大大增强了传感器的可靠性。
图1是本发明的结构示意图，图2是本发明沿A-A方向的剖面图，
以上的图中有玻璃底盘1，硅顶盖2，转轴3，转盘4，叶轮5、电容极板6。
具体实施例方式
本发明是一种用叶轮结构测量流体流速的流速的传感器。由玻璃底盘1，硅顶盖2，转轴3，转盘4，叶轮5以及电容极板6和引线组成。转轴3是通过键合工艺和底盘以及顶盖连接在一起。转轴3、叶轮5和转盘4的材料是导电的N型半导体硅，通过双面三次腐蚀得到，在每个叶轮5下方对应的玻璃表面淀积金属极板6，叶轮5本身导电，成为另一块极板。导电的叶轮5和金属极板6之间构成电容。叶轮5依靠转盘4和转轴3的接触从玻璃底盘1上引线。当流体流经叶轮5时，会带动叶轮5旋转。使叶轮5和玻璃底盘1上方金属极板6的交叠面积发生有规律的大小变化。变化的频率和流速成正比。所以，通过测量电容由极大变化到极小的频率，就可以得到流速的信息。
本例传感器的制作过程为准备N型半导体硅片1#和2#；氧化1#和2#并键合形成SOI硅片；刻蚀1#形成转盘4的台阶；刻蚀1#形成叶轮5的台阶；ICP刻蚀1#形成转轴3、转盘4和叶轮5；玻璃1溅射金属形成电容极板6和引线；玻璃和N型半导体硅片1#键合；腐蚀硅片2#形成顶盖；牺牲层释放形成可转动的叶轮5和转盘4。
权利要求
1.一种基于微机械技术的电容非热式流速传感器，其特征在于该传感器由玻璃底盘(1)，硅顶盖(2)，转轴(3)，转盘(4)，叶轮(5)、电容极板(6)所组成；在玻璃底盘(1)上固定有转轴(3)，在转轴(3)的上部设有硅顶盖(2)，在转轴(3)的外侧套有转盘(4)，在转盘(4)的外侧固定有叶轮(5)，在玻璃底盘(1)的上表面设有电容极板(6)。
2.根据权利要求1所述的基于微机械技术的电容非热式流速传感器，其特征在于叶轮(5)和转轴(3)材料是N型半导体硅。即作为可动旋转部件，也作为测量电容的一个电极。
3.根据权利要求1或2所述的基于微机械技术的电容非热式流速传感器，其特征在于采用键合方法形成可动的转盘(4)和叶轮(5)。
全文摘要
基于微机械技术的电容非热式流速传感器是一种利用MEMS技术加工的叶轮进行检测流速的传感器，该传感器由玻璃底盘(1)，硅顶盖(2)，转轴(3)，转盘(4)，叶轮(5)、电容极板(6)所组成；在玻璃底盘(1)上固定有转轴(3)，在转轴(3)的上部设有硅顶盖(2)，在转轴(3)的外侧套有转盘(4)，在转盘(4)的外侧固定有叶轮(5)，在玻璃底盘(1)的上表面设有电容极板(6)。叶轮(5)和转轴(3)材料是N型半导体硅。即作为可动旋转部件，也作为测量电容的一个电极。该流速传感器采用电容检测方式，具有功耗小、线性范围大、响应快、温漂小和可靠性好等优点。
文档编号G01P5/00GK1851471SQ200610040600
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月29日 优先权日2006年5月29日
发明者秦明, 魏泽文, 黄庆安 申请人:东南大学