[发明专利]一种提高测量范围和全量程精度的风速风向传感器

说明书

本发明提供一种提高测量范围和全量程精度的风速风向传感器，首先通过离子注入制备加热元件、测温元件、硅压阻等敏感元件。然后双面氧化硅片并淀积氮化硅做钝化层保护，硅片背面开窗并腐蚀形成背腔与硅薄膜。最后去除氮化硅保护层后刻蚀引线孔，溅射金属并剥离多余部分实现金属引线和电极。此方法通过在硅薄膜上同时制备加热元件、测温元件以及硅压阻，并在芯片上方加装导风板以实现风压测量，以弥补热分布测量量程低、高风速测量灵敏度低的缺点，有效提升了传感器测量范围及全量程精度。

技术领域

本发明是一种基于微机械加工技术制造的薄膜结构的二维风速方向传感器，尤其是将风压测量和热分布测量结合在一起的高精度宽量程风速风向传感器。

背景技术

随着微电子机械系统(MEMS)技术的飞速发展，风速风向传感器正逐步向小型化、集成化、智能化方向发展。MEMS热式风速风向传感器没有可动部件，具有体积小、功耗低等优点，逐渐成为风传感器研究的主流，具有很高的应用价值。MEMS热式风速风向传感器通常由加热元件与测温元件组成，受限于工作原理，传感器输出灵敏度随风速的增大而逐渐减小。虽然增大加热功率能提升传感器整体灵敏度，但由于加热元件材料的特性，加热温度通常无法无限制增大，在超高风速测量的过程中无法发挥有效作用。因此，如何在保持原来热式风速传感器优点的基础上提升高风速测量精度和拓宽量程是亟待攻克的重点问题。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明提出了一种提高测量范围和全量程精度的风速风向传感器结构。利用热分布测量原理在低风环境下测量灵敏度高以及风压测量原理在高风环境下灵敏度高的特点，将热分布测量和风压测量巧妙结合在同一个结构中。

技术方案：

该传感器结构制作在硅薄膜上，由加热元件、四个中心对称分布的测温元件以及四个中心对称分布的硅压阻组成，传感器在工作中通过测量硅薄膜表面热分布偏差以实现低风速测量，通过硅压阻测量硅薄膜的整体受压情况以实现高风速的检测。芯片封装过程中，在硅薄膜上方加入一块导风板，由于导风板的特有结构，将各个水平方向的来风以一定角度的向下偏转吹向硅薄膜中心表面，偏转角度越大，硅薄膜表面硅压阻受到的纵向、横向应力越大，风压测量的灵敏度越高。但偏转角度增大的同时会降低热分布测量的量程和灵敏度，选取合适的偏转角度对保证两种测量方案的灵敏度至关重要。

低风速范围内，热分布测量主要通过监测芯片表面温度分布情况来间接表征风速风向值。芯片中央的加热元件供电后产生焦耳热，使芯片表面温度高于环境温度，无风状态下由传感器芯片的对称结构，传感器芯片表面的热场均匀分布，四个方向上的测温元件温度相同，温度差为零。芯片薄膜正面有风吹过时，热场分布随风速风向而发生改变，风速越大，热场相对芯片中心的偏移量越大。通过相互正交分布的两对测温元件分别检测水平、垂直方向上的温度差，将两组温差信号进行矢量合成即可用于表征风速风向信息。

高风速范围内，风压测量主要通过监测硅薄膜边缘压力情况来间接表征风速风向值。标准状态下的风压公式为

其中W₀为动压强，V为风速。由上式可知，风压与风速的平方成正比，即风速越大，通过测量硅薄膜两侧压力差表征风速的灵敏度越高。

硅薄膜边缘中点位置的应力最大，在这些位置制备硅压阻可获得最大测量灵敏度。无风状态下，薄膜正面压力为零。有风吹过时，芯片上方导风板使得风向在垂直方向上产生一定角度的偏转，从而引起薄膜形变，两组硅压阻分别受到水平应力和垂直应力的作用而发生阻值变化，两对硅压阻的应力差即可用于表征风速变化情况。

为了实现热分布测量与压差测量结合的风速风向传感器的感风结构设计，需要完成以下步骤。首先将传感器芯片注塑于圆形绝热环中心位置，以保证良好的隔热，并将其粘接于塑料底座上。最后在传感器塑封芯片上方加装包含弧形导风板和整流柱的整流罩，以实现风压测量与热分布测量结合的感风结构设计。