专利名称：一种基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种风速风向传感器。
背景技术：
基于微电子机械技术(MEMS)工艺的风速风向传感器按工作原 理主要分为热式和机械式两大类。与传统风速计相比，它具有尺寸小、 成本低、易于批量生产等优点，在气象、环境监测等很多领域都有很 重要的作用。
硅热式风速计基于热传导原理，包括热损失型和量热型两种，存 在许多缺点，例如加热器与流体的绝缘问题、加热器的能量消耗、传 感器响应时间较长等等。
机械式风速计是利用流体对传感元件的机械作用力来反映风速的 大小量，没有上述不足。常用的机械式风速计采用硅悬臂结构，在其 根部通过扩散或离子注入制作压敏电阻，只能检测一个方向的风速， 需要两支风速计才能确定风向，增加了封装难度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于微机电 技术的硅压阻式风速风向传感器。
为实现所述目的，本发明提供基于微机电技术(MEMS)的硅压 阻式风速风向传感器的技术解决方案具有
一绝缘衬底，以及
风速测量单元旋转对称分布在绝缘衬底平面内，用于检测风速在 相互正交的两个方向上的分量。
所述风速测量单元是采用两对风速测量单元，其中每对风速测量 单元分别配置在绝缘衬底平面内的相互正交的X和Y两个方向。所述两对风速测量单元的旋转对称分布，每对风速测量单元的两 个压敏电阻感受相反风向的轴向应力，形成差分检测，用于获得风速 在X和Y两个正交方向的分量。
所述四个风速测量单元采用相同结构。每个风速测量单元包括 第一机械锚点、第二机械锚点、第一电极和第二电极、压敏电阻梁、 悬臂梁以及支撑梁；
由第一机械锚点、第二机械锚点、压敏电阻梁、悬臂梁以及支撑 梁组成微型杠杆结构，用于将悬臂梁感受的风力转化成作用于压敏电 阻梁的轴向应力；
悬臂梁通过和压敏电阻梁与第一机械锚点和第二机械锚点连接；
第一机械锚点和第二机械锚点固定于绝缘衬底上，第一电极和第 二电极分别位于第一机械锚点和第二机械锚点之上，通过溅射或蒸发 金属于所述机械锚点上形成。
所述每个风速测量单元使用P或N型体单晶硅或多晶硅作为压敏 电阻，敏感作用于压敏电阻梁的轴向应力。
所述第一机械锚点、第二机械锚点、压敏电阻梁、悬臂梁以及支 撑梁的材料是单晶硅或多晶硅，采用体硅工艺经过硅深刻蚀制作。
所述绝缘衬底是玻璃或带绝缘层的单晶硅。
所述压敏电阻梁的电极引线，是通过溅射或蒸发金属于所述第一 机械锚点、第二机械锚点上形成。
下面描述本发明基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器的测 量原理过程当风从表面吹过时，悬臂梁作为感风元件，受到垂直于 悬臂梁的气流的作用力而产生形变，通过硅压敏电阻梁、硅支撑梁以 及硅悬臂梁组成的微型杠杆结构，以轴向应力的形式作用于硅压敏电 阻梁上，引起硅压敏电阻阻值的变化。检测每个风速测量单元压敏电 阻的变化，不仅可以检测风速的大小，而且可以检测风速的方向。
本发明将风速机械作用力转化成硅压敏电阻梁的轴向内应力的转 换机构，通过检测体硅压阻变化来测量风速风向，本发明使用N或P 型单晶体硅作为压敏电阻，具有工艺制作简单，残余应力低的特点。 与传统的基于扩散工艺制作的压敏电阻相比，制作过程中无需进行掺杂或离子注入工艺，而是通过深刻蚀工艺完成，不仅制作简单，而且 可以减少掺杂工艺中温度差导致的残余应力。
本发明利用微型杠杆结构的力学放大机制，使用单晶硅或多晶硅 作为压敏电阻，采用旋转对称分布的四单元结构，有效抑制环境温度 等外界因素造成的误差，差分检测来实现二维风速和风向测量，大幅 度提高灵敏度，具有制作工艺简单，灵敏度高和较好的抗干扰能力。
图1是本发明微机电技术的硅压阻式风速风向传感器结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的 实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，基于微电子、机械技术(MEMS)的硅压阻式风速 风向传感器的实施例，由绝缘衬底7及其上的采用四个相同的风速测 量单元1组成，其中每个风速测量单元1由第一机械锚点2、第二机 械锚点2a、第一电极3、第二电极3a、压敏电阻梁4、支撑梁5以及 悬臂梁6组成。沿绝缘衬底7的平面内相互正交的X和Y两个方向分 别配置一对风速测量单元1，四个风速测量单元1旋转对称分布，一X 方向压敏电阻梁4在支撑梁5之上，+X方向压敏电阻梁4在支撑梁5 之下，一Y方向压敏电阻梁4在支撑梁5之左，+￥方向压敏电阻梁4 在支撑梁5之右，保证每对风速测量单元1的两个压敏电阻梁4采用 总是感受相反方向的轴向应力，其压敏电阻阻值向相反方向变化，取 两压敏电阻之差作为输出形成差分检测，通过检测压敏电阻梁4压敏 电阻差的变化可以得到风速在X和Y两个正交方向的分量Vx和Vy。
V= (Vx2+Vy2) 1/2, 6 =arctan(Vy/Vx)
式中v是风速的大小，e是风速与x正向的夹角。
通过上面两个公式可计算并输出风速的大小和方向，实现风速的 大小和方向的测量。每个风速测量单元1包括第一机械锚点2、第二机械锚点2a、 第一电极3、第二电极3a、压敏电阻梁4、支撑梁5以及悬臂梁6;由 第一机械锚点2、第二机械锚点2a、压敏电阻梁4、悬臂梁6以及支撑 梁5组成微型杠杆结构，用于将悬臂梁6感受的风力转化成作用于压 敏电阻梁4的轴向应力。悬臂梁6分别通过压敏电阻梁4和支撑梁5 与第一机械锚点2和第二机械锚点2a连接，第一机械锚点2和第二机 械锚点2a固定于绝缘衬底7上。第一电极3、第二电极3a分别位于第 一机械锚点2、第二机械锚点2a之上，通过溅射或蒸发金属于所述的 第一机械锚点2和第二机械锚点2a上表面而形成。
所述每个风速测量单元1使用P或N型体单晶硅或多晶硅作为压 敏电阻，敏感作用于压敏电阻梁4的轴向应力。
所述第一机械锚点2、第二机械锚点2a、压敏电阻梁4、悬臂梁6 以及支撑梁5的材料是单晶硅或多晶硅，采用体硅工艺经过硅深刻蚀 制作。
所述绝缘衬底7是玻璃或带绝缘层(例如二氧化硅、氮化硅、 氮氧硅等)的单晶硅。
所述压敏电阻梁4的电极引线，是通过溅射或蒸发金属于所述第 一机械锚点2和第二机械锚点2a上形成。
本发明的制作基于体硅微机械加工技术。
具体实施方案如下所述
绝缘衬底7采用Pyrex 7740#玻璃，第一机械锚点2、第二机械锚 点2a、压敏电阻梁4、悬臂梁6以及支撑梁5采用单晶硅材料，通过 硅玻璃阳极键合工艺和硅深刻蚀工艺制作，制作过程中需要三次光刻， 最大的特点是工艺制作简单。
制作过程简述如下
1) 将硅片双面氧化，背面使用二氧化硅作掩模，氢氧化钾溶液湿 法腐蚀5lim的浅槽，从而形成第一机械锚点2、第二机械锚点2a;
2) 硅玻璃与硅片的背面进行阳极键合。
3) 硅片正面减薄，蒸发或溅射金属，光刻出第一电极3、第二电 极3a图形。4)使用正胶作为掩模进行深刻蚀以释放压敏电阻梁4和悬臂梁6 以及支撑梁5。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内， 可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1、一种基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于，包括一绝缘衬底(7)，以及风速测量单元(1)旋转对称分布在绝缘衬底(7)平面内，用于检测风速在相互正交的两个方向上的分量。
2、 如权利要求1所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于，所述风速测量单元(1)是采用两对风速测量单元(1)，其中每对风速测量单元(1)分别配置在绝缘衬底(7)平面内的相互正交的X和Y 两个方向。
3、 如权利要求2所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于， 所述两对风速测量单元的旋转对称分布，每对风速测量单元(1)的两 个压敏电阻感受相反风向的轴向应力，形成差分检测，用于获得风速 在X和Y两个正交方向的分量。
4、 如权利要求2所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于， 所述四个风速测量单元(1)采用相同结构。
5、 如权利要求1所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于 风速测量单元(1)包括第一机械锚点(2a)、第二机械锚点(2a)、 第一电极(3)、第二电极(3a)、压敏电阻梁(4)、支撑梁(5)以及 悬臂梁(6);由第一机械锚点(2a)、第二机械锚点(2a)、压敏电阻梁(4)、 悬臂梁(6)以及支撑梁(5)组成微型杠杆结构，用于将悬臂梁(6) 感受的风力转化成作用于压敏电阻梁(4)的轴向应力；悬臂梁(6)和压敏电阻梁(4)与第一机械锚点(2)和第二机械 锚点(2a)连接；第一机械锚点(2)和第二机械锚点(2a)固定于绝缘衬底(7) 上，第一电极(3)和第二电极(3a)分别位于第一机械锚点(2)和 第二机械锚点(2a)之上。
6、 如权利要求1所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于，所述每个风速测量单元(1)使用P或N型体单晶硅或多晶硅作为压 敏电阻。
7、 如权利要求5所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于， 所述第一机械锚点(2)、第二机械锚点(2a)、压敏电阻梁(4)、悬臂 梁(5)以及支撑梁(6)的材料是单晶硅或多晶硅。
8、 如权利要求5所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于， 所述绝缘衬底(7)是玻璃或带绝缘层的单晶硅。
9、 如权利要求5所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于 所述压敏电阻梁(4)的电极引线，是通过溅射或蒸发金属于所述第一 机械锚点(2)和第二机械锚点(2a)上形成。
全文摘要
本发明公开一种基于微电子机械技术的硅压阻式风速风向传感器，由绝缘衬底和四个相同旋转对称分布的风速测量单元组成，分别检测风速在相互正交的两个方向上的分量。每个风速测量单元由电极、机械锚点、硅压敏电阻梁、硅支撑梁以及硅悬臂梁组成。当风从表面吹过时，悬臂梁作为感风元件，受到垂直于悬臂梁的气流的作用力而产生形变，通过硅压敏电阻梁、硅支撑梁以及硅悬臂梁组成的微型杠杆结构，以轴向应力的形式作用于硅压敏电阻梁上，引起硅压敏电阻阻值的变化。检测每个风速测量单元压敏电阻的变化，可以检测风速的大小和风速的方向，差分检测来实现二维风速和风向测量，具有制作简单，灵敏度高和较好的抗干扰能力。
文档编号G01P5/08GK101294977SQ20071009868
公开日2008年10月29日 申请日期2007年4月25日 优先权日2007年4月25日
发明者湛 赵, 陈德勇 申请人:中国科学院电子学研究所