專利名稱：陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到傳感器領(lǐng)域，具體涉及到風參數(shù)的測量傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
風參數(shù)的測量是一種重要參數(shù)的測量，包括風溫、風量、風速、風向等參數(shù)。在凈化環(huán)境、工業(yè)衛(wèi)生、室內(nèi)清潔系統(tǒng)、氣象、生物醫(yī)學、航海、航空、漁業(yè)和農(nóng)業(yè)以及風力發(fā)電站及體育運動場館等方面，以及汽車、抽風機、鼓風機、空調(diào)設備等都需要進行多點空氣流的測量。對于有些領(lǐng)域來說，只需要一種或幾種參數(shù)的測量，多數(shù)情況下還是需要多種風參數(shù)的測量，包括風溫、風量、風速、風向等參數(shù)，但現(xiàn)有的風參數(shù)傳感器還沒有能夠同時測量這幾種參數(shù)的傳感器，在需要測量多種風參數(shù)的場所，目前只是通過同時使用風溫傳感器、風量傳感器、風速傳感器、風向傳感器來采集風的參數(shù)，這給用戶帶來了許多不便。
現(xiàn)有的風速風向傳感器多數(shù)是純機械式的裝置，例如，眾所周知的利用風速杯來測量風速，利用風向標來測量風向等等，其傳感部件大多是以機械類傳感部件為主，此類傳感器的校準非常復雜和頻繁，另外，機械裝置還具有移動部件易磨損、體積較大、測量精度不高、靈敏度較低、響應時間較長、價格昂貴以及日常維護量大等問題。
近期以來，人們也利用更高端的激光及聲學原理研制風速計，但這類傳感器的價格也是非常昂貴，不利于推廣使用。
利用CMOS集成電路制造工藝及其新興的MEMS體加工工藝技術(shù)來研制硅熱流量傳感器，具有體積小、易于集成化、可批量生產(chǎn)、精度高、不易損壞等優(yōu)點，但是CMOS工藝繁瑣，器件結(jié)構(gòu)復雜。
熱線式氣體流量傳感器是利用放置在流場中具有加熱電流的細金屬絲來測量流體的流速、流量。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，這種傳感器的連續(xù)測量的特點顯得具有難以替代的優(yōu)勢，但由于熱線式氣體流量傳感器受多個參量的影響，存在交叉靈敏度，從而，影響它的穩(wěn)定性以及靈敏度，流量與電信號的對應關(guān)系是非線性的，需要進行補償。近幾十年，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種補償技術(shù)不斷提高，使熱線式流量傳感器的精度大大提高，測量范圍擴大，但熱線一致性很差，難以進行批量生產(chǎn)；當測低流速流體時，熱紊亂很大；熱線抗污染腐蝕能力差，價格高，易損壞；測量中有電子噪聲，導致熱線式流量傳感器的響應速度下降等因素限制了它的進一步發(fā)展。
伴隨著微電子加工技術(shù)的發(fā)展以及MEMS技術(shù)的興起，熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器成為新的研究焦點。熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器作為熱線式氣體流量傳感器的改進產(chǎn)品，采用硅微機械加工技術(shù)，具有體積小、成本低、穩(wěn)定性好、兼容性強、精確度高、功耗低、響應時間短等特點，但現(xiàn)有的熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器也只能測量風量一種參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的測量功能單一、熱場影響大、不穩(wěn)定、熱平衡時間長等問題。
本發(fā)明的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板由基板、n個加熱元件、m個熱敏元件以及若干個隔熱溝槽組成，其中所述n是大于或等于2的自然數(shù)，m＝n+1，所述基板是圓形或者正多邊形的非導體平板，在基板的背面固定n個以中心點對稱的加熱元件，在每相鄰的兩個加熱元件中間，刻有隔熱溝槽，在基板的正面，與n個加熱元件的位置對應固定有n個熱敏元件，在基板正面的中心固定有一個熱敏元件，在每相鄰的兩個熱敏元件之間，刻有隔熱溝槽。
本發(fā)明的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板的制作方法為第一步清洗，首先對基板表面進行去油污清洗；將去完油污的基板放入高溫熱水中煮；對基板的表面進行拋光處理；將拋光后的基板使用超聲清洗；將超聲清洗后的基板進行烘干處理；第二步涂膠，用勻膠機在烘干后的基板上涂敷一層光刻膠；第三步烘干，將涂上光刻膠的基板放入干燥箱中，恒溫烘干；第四步曝光，用雙面對準曝光機，將加熱元件陣列圖形和熱敏元件陣列圖形的兩個掩膜版與涂上光刻膠的基板的兩面進行雙面對準，然后上下同時曝光；第五步顯影，將曝光后的基板在配置好的顯影液中顯影，然后放入去離子水中漂洗；第六步堅膜，用甩干機將顯影后的基板甩干，然后將基板放入干燥箱中，恒溫干燥烘烤；第七步反濺，將堅膜完畢的基板，放在超高真空多靶濺射鍍膜機中的進樣室進行反濺，得到的薄模式的加熱元件和熱敏元件；第八步刻槽，在反濺完成的基板的兩面分別在每相鄰的兩個元件之間用激光刻出隔熱溝槽。
本發(fā)明的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板可以同時測量風溫、風量、風速、風向四種參數(shù)，同時還具有制作工藝簡單、工藝兼容強、適宜批量生產(chǎn)、體積小、穩(wěn)定性好、功耗低、響應速度快、測量精確度高的優(yōu)點，可以應用到風傳感器中以及風參數(shù)測量系統(tǒng)中。
使用本發(fā)明陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板的風傳感器能夠廣泛應用于在環(huán)保監(jiān)測、氣象預報、航海航空、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)、風力發(fā)電站以及體育運動場館等需要測量多種風參數(shù)的場所，還可以應用到汽車、抽風機、鼓風機、空調(diào)等需要測量多種風的參數(shù)的設備中。


圖1是本發(fā)明的具體實施方式
中所述的m＝5的傳感器芯片板的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的具體實施方式
中所述的m＝3的傳感器芯片板的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的具體實施方式
中所述的m＝4的傳感器芯片板的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是圖5的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的具體實施方式
中所述的m＝6的傳感器芯片板的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是圖7的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明的具體實施方式
中所述的m＝7傳感器芯片板的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是圖9的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是本發(fā)明的具體實施方式
中所述的m＝8的傳感器芯片板的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是圖11的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是本發(fā)明的具體實施方式
中所述的m＝9的傳感器芯片板的正面結(jié)構(gòu)示意圖；14是圖13的背面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本實施方式的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板由基板1、n個加熱元件2、m個熱敏元件4以及若干個隔熱溝槽3組成，其中所述n是大于或等于2的自然數(shù)，m＝n+1，所述基板1是圓形或者正多邊形的非導體平板，在基板1的背面固定n個以中心點對稱的加熱元件2，在每相鄰的兩個加熱元件2中間，刻有隔熱溝槽3，在基板1的正面，與n個加熱元件2的位置對應固定有n個熱敏元件4，在基板1正面的中心固定有一個熱敏元件4，在每相鄰的兩個熱敏元件4之間，刻有隔熱溝槽3。
在使用的時候，所述傳感器芯片上的n個加熱元件2并聯(lián)連接，然后與加熱電路連接，以保證所有加熱元件2的工作電壓的一致，傳感器芯片上的m個熱敏元件4的一端連接在一起，與m個熱敏元件4的另一端，一共m+1個端子分別與測量電路的溫度測量信號輸入端連接。
基板1背面的n個加熱元件2起到加熱器的作用，基板1正面中心位置的熱敏元件4，是測量環(huán)境溫度，即風溫的，基板1正面與n個加熱元件位置對應的n個熱敏元件4均勻分布在基板1的表面，n個加熱元件2恒功率加熱，使對應的n個熱敏元件4的溫度高于周圍環(huán)境溫度，當風吹過傳感器芯片板表面時，所述n個熱敏元件4的溫度會由于強迫對流冷卻而降低，溫度的降低使熱敏元件的阻值發(fā)生變化，通過測量和對比所述n個熱敏元件4的阻值，可以同時獲得風速和風向的信息，通過對比所述n個熱敏元件4和基板1中心位置的一個熱敏元件4的阻值可以獲得風量信息。繼而通過后續(xù)的變送器、單片機或微機對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合、建模實現(xiàn)風溫、風量、風速、風向多參數(shù)同時測量的目的。
本實施方式的傳感器芯片板采用加熱元件2和熱敏元件4以基板為對稱平面對稱固定的方式，不但可以使加熱元件的熱效率充分有效利用，還避免了加熱元件對熱敏元件測溫的影響；本實施方式中傳感器基板1上的隔熱溝槽3是采用微機械加工技術(shù)制成的，可以減少加熱元件2以及熱敏元件之間的相互影響，能夠大大降低傳感器功耗，提高傳感器測量風速及風向的靈敏度。
本實施方式的加熱元件2和熱敏元件4采用薄模式結(jié)構(gòu)，其中加熱元件選用鎳鉻合金或鉑(Pt)金屬，熱敏元件選用鉑(Pt)金屬，鉑是一種物理化學性能穩(wěn)定的貴金屬，可用作-259.34℃～630℃溫區(qū)范圍的標準溫度傳感器敏感材料，薄膜式鉑溫度傳感器是該類傳感器的研究主流和發(fā)展方向，具有尺寸小、響應快、機械性能好、線性好、精度高、易集成化等特點。
本實施方式的基板1可以采用三氧化二鋁陶瓷、二氧化硅、玻璃、微晶玻璃等材料。
本實施方式的風向測量精度由熱敏元件的個數(shù)決定，當m＝3的時候(參見圖3、圖4)，風向的測量精度≤45°，當m＝4的時候(參見圖5、圖6)，風向測量的精度≤30°，當m＝5的時候(參見圖1、圖2)，風向的測量精度≤25°，當m＝6的時候(參見圖7、圖8)，風向的測量精度≤15°，當m＝7的時候(參見圖9、圖10)，風向的測量精度≤10°，當m＝8的時候(參見圖11、圖12)，風向的測量精度≤7.5°，當m＝9的時候(參見圖13、圖14)，風向的測量精度≤5°。
本實施方式的風速測量范圍在0m/s到20m/s之間，測量的響應時間小于1s，風溫的測量精度能達到0.5℃以內(nèi)，風速的測量精度能達到1％以內(nèi)。
本實施方式的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板的制作方法為第一步清洗，首先對基板表面進行去油污清洗；將去完油污的基板放入高溫熱水中煮；對基板的表面進行拋光處理；將拋光后的基板使用超聲清洗；將超聲清洗后的基板進行烘干處理；第二步涂膠，用勻膠機在烘干后的基板上涂敷一層光刻膠；第三步烘干，將涂上光刻膠的基板放入干燥箱中，恒溫烘干；第四步曝光，用雙面對準曝光機，將加熱元件陣列圖形和熱敏元件陣列圖形的兩個掩膜版與涂上光刻膠的基板的兩面進行雙面對準，然后上下同時曝光；第五步顯影，將曝光后的基板在配置好的顯影液中顯影，然后放入去離子水中漂洗；第六步堅膜用甩干機將顯影后的基板甩干，然后將基板放入干燥箱中，恒溫干燥烘烤；
第七步反濺將堅膜完畢的基板，放在超高真空多靶濺射鍍膜機中的進樣室進行反濺，得到的薄模式的加熱元件和熱敏元件；第八步刻槽，在反濺完成的基板的兩面分別在每相鄰的兩個元件之間用激光刻出隔熱溝槽。
在第一步中，使用40～60℃丙酮或氫氧化鈉去除基板表面的油污；將去完油污的基板放入100℃水中煮30min；然后使用硝酸對基板表面進行拋光。
在第二步中使用的光刻膠為BP212系列光刻膠，在2500rpm的條件下，得到2.5nm左右厚度的膠膜。
在第三步中使用DG/20-002A型臺式干燥箱，在90℃溫度下，恒溫30min，對涂上光刻膠的基板進行烘干。
在第四步中選用SB-401B型雙面對準曝光機對涂上光刻膠的基板進行曝光，曝光時間為30s。
在第五步中的顯影時間為40s，在去離子水中漂洗30s。
在第六步中使用DG/20-002A型臺式干燥箱，在120℃溫度下對基板烘烤40min進行堅膜。
在第七步中使用JGP560C型超高真空多靶濺射鍍膜機對堅膜后的基板進行反濺處理。
本實施方式的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板可以同時測量風溫、風量、風速、風向四種參數(shù)，同時還具有制作工藝簡單、工藝兼容強、適宜批量生產(chǎn)、體積小、穩(wěn)定性好、功耗低、精確度高的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板，其特征是它由基板(1)、n個加熱元件(2)、m個熱敏元件(4)以及若干個隔熱溝槽(3)組成，其中所述n是大于或等于2的自然數(shù)，m＝n+1，所述基板(1)是圓形或者正多邊形的非導體平板，在基板(1)的背面固定n個以中心點對稱的加熱元件(2)，在每相鄰的兩個加熱元件(2)中間，刻有隔熱溝槽(3)，在基板(1)的正面，與n個加熱元件(2)的位置對應固定有n個熱敏元件(4)，在基板(1)正面的中心固定有一個熱敏元件(4)，在每相鄰的兩個熱敏元件(4)之間，刻有隔熱溝槽(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板，其特征在于所述基板(1)是由三氧化二鋁陶瓷或者二氧化硅或者玻璃或者微晶玻璃材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板，其特征在于所述加熱元件(2)和熱敏元件(4)采用薄模式結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板，其特征在于所述加熱元件是由鎳鉻合金或鉑金屬制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板，其特征在于所述熱敏元件選用鉑金屬制成。
6.陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板的制作方法，其特征是具體步驟為第一步清洗，首先對基板表面進行去油污清洗；將去完油污的基板放入高溫熱水中煮；對基板的表面進行拋光處理；將拋光后的基板使用超聲清洗；將超聲清洗后的基板進行烘干處理；第二步涂膠，用勻膠機在烘干后的基板上涂敷一層光刻膠；第三步烘干，將涂上光刻膠的基板放入干燥箱中，恒溫烘干；第四步曝光，用雙面對準曝光機，將加熱元件陣列圖形和熱敏元件陣列圖形的兩個掩膜版與涂上光刻膠的基板的兩面進行雙面對準，然后上下同時曝光；第五步顯影，將曝光后的基板在配置好的顯影液中顯影，然后放入去離子水中漂洗；第六步堅膜用甩干機將顯影后的基板甩干，然后將基板放入干燥箱中，恒溫干燥烘烤，第七步反濺將堅膜完畢的基板，放在超高真空多靶濺射鍍膜機中的進樣室進行反濺，得到的薄模式的加熱元件和熱敏元件，第八步刻槽，在反濺完成的基板的兩面分別在每相鄰的兩個元件之間用激光刻出隔熱溝槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板的制作方法，其特征在于在所述第一步中，采用40～60℃丙酮或氫氧化鈉去除基板表面的油污；所述高溫熱水的溫度為100℃；采用硝酸對基板表面進行拋光。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板的制作方法，其特征在于在所述第三步是在90℃溫度下，恒溫30min，對涂上光刻膠的基板進行烘干。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板的制作方法，其特征在于在所述第六步中在120℃溫度下對基板烘烤40min進行堅膜。
全文摘要
陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板及其制作方法，涉及到風傳感器領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的測量功能單一、熱場影響大、不穩(wěn)定、熱平衡時間長的問題。陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板由基板、n個加熱元件、m個熱敏元件以及若干個隔熱溝槽組成，其中n是大于或等于2的自然數(shù)，m＝n+1，基板是圓形或者正多邊形的非導體平板，在基板的背面固定n個以中心點對稱的加熱元件，在每相鄰的兩個加熱元件中間，刻有隔熱溝槽，在基板的正面，與n個加熱元件的位置對應固定有n個熱敏元件，在基板正面的中心固定有一個熱敏元件，在每相鄰的兩個熱敏元件之間，刻有隔熱溝槽。本發(fā)明的陣列式多參數(shù)風傳感器芯片基板可以應用到風傳感器以及風參數(shù)測量系統(tǒng)中。
文檔編號G01F1/56GK101021571SQ20071007195
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者施云波, 郭建英, 張洪泉, 丁喜波, 馮僑華, 時強 申請人:哈爾濱理工大學