[发明专利]高灵敏硅二维热式风速计及其制备方法

说明书

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。

技术领域

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

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：

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。

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。

优选的，通孔和环境空气是连通的。

优选的，通孔形状是柱形，或下大上小的倒喇叭形。

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：

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。

有益效果：1)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

图1为本发明的结构顶视图。图2为本发明结构的剖视图。

两图中具有统一的标注。其中：衬底材料1，低热导率薄膜层2，加热元件3和温度传感器4。

图3a为硅片背面深腐蚀和氧化形成绝缘层示意图。

图3b为正面加工形成加热和测温元件示意图。

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

下面结合附图对本发明做进一步说明。

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。