一種鎳鉻合金膜加熱的高精度風速風向集成傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及風速和風向測量及其傳感器的結構領域。
【背景技術】
[0002]風力資源指大氣沿地球表面流動而產生的動能資源，無處不在，可供人們利用。風速風向的測量在氣象預報、環境檢測與控制方面等方面具有重要的研宄意義和應用價值。近年來，由于自然災害的逐漸增多，氣象檢測在人們中的地位也越來越高，環境中溫濕度的測量技術已經相對成熟，因此對風速風向的測量成為人們關注的焦點，因而對風速風向傳感器的要求也就越來越高。傳統的測量方法主要用風杯來測量風速，用風標來測量風向，這些機械裝置不僅體積較大而且需要經常檢查維護，需要耗費大量的人力物力。隨著MEMS技術的發展，現在又研制出硅薄膜式傳感器和硅懸梁式傳感器，這兩種傳感器體積減小，價格降低，但是由于傳感器的工作環境隨外界環境變化而變化，誤差較大、精度較低。
[0003]本發明的一種鎳鉻合金膜加熱的高精度風速風向集成傳感器解決了現有傳感器的問題，采用MEMS技術，整個傳感器結構體積小、重量輕、價格低；本傳感器結構內部具有鎳鉻合金膜加熱線圈，可為各傳感器單元提供最適合的工作溫度；同時本傳感器的懸臂梁式結構可大大減小熱量的散失、降低功耗、提高能量利用率，對于實現風速風向的實時檢測具有重大的研宄意義和應用價值。

【發明內容】

[0004]本發明是為了解決現有的風速風向傳感器受環境溫濕度影響較大、工作溫度隨環境變化、精度低、體積大、成本高等問題，而提出的一種鎳鉻合金膜加熱的高精度風速風向集成傳感器。
[0005]一種鎳鉻合金膜加熱的高精度風速風向集成傳感器，該傳感器由硅基底(I)、二氧化硅絕緣層(2)、鎳鉻合金膜加熱線圈(3)、風速風向傳感器單元焊盤(4)、鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤(5)、氧化鋁絕緣層(6)、風速風向傳感器單元(7)、環境溫濕度傳感器(8)、加熱溫度傳感器單元(9)、連接線(10)和凹槽(11)組成；所述的硅基底(I)與所述的鎳鉻合金膜加熱線圈、風速風向傳感器單元焊盤、環境溫濕度傳感器單元焊盤、加熱溫度傳感器單元焊盤、鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤通過二氧化硅絕緣層(2)連接并實現絕緣，所述的鎳鉻合金膜加熱線圈、連接線(10)與所述的風速風向傳感器單元、環境溫濕度傳感器單元、加熱溫度傳感器單元(9)、連接線(10)通過氧化鋁絕緣層(6)連接并實現絕緣。
[0006]進一步，該傳感器各部分結構間的連接方式:鎳鉻合金膜加熱線圈(3-1)與鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤(5-1)、鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤(5-4)相連，鎳鉻合金膜加熱線圈(3-2)與鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤(5-2)、鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤(5-3)相連；風速風向傳感器單元焊盤(4-1)、風速風向傳感器單元焊盤(4-2)與風速風向傳感器單元的(7-8)的兩端相連并為之提供工作電壓，風速風向傳感器單元焊盤(4-2)、風速風向傳感器單元焊盤(4-3)與風速風向傳感器單元(7-1)的兩端相連并為之提供工作電壓，風速風向傳感器單元焊盤(4-3)、風速風向傳感器單元焊盤(4-6)與風速風向傳感器單元(7-2)的兩端相連并為之提供工作電壓，風速風向傳感器單元焊盤(4-6)、風速風向傳感器單元焊盤(4-7)與風速風向傳感器單元(7-3)的兩端相連并為之提供工作電壓，風速風向傳感器單元焊盤(4-7)、風速風向傳感器單元焊盤(4-8)與風速風向傳感器單元(7-4)的兩端相連并為之提供工作電壓，風速風向傳感器單元焊盤(4-8)、風速風向傳感器單元焊盤(4-9)與風速風向傳感器單元(7-5)的兩端相連并為之提供工作電壓，風速風向傳感器單元焊盤(4-11)、風速風向傳感器單元焊盤(4-14)與風速風向傳感器單元(7-6)的兩端相連并為之提供工作電壓，風速風向傳感器單元焊盤(4-14)、風速風向傳感器單元焊盤(4-15)與風速風向傳感器單元(7-7)的兩端相連并為之提供工作電壓；環境濕度傳感器單元焊盤(4-4)、環境濕度傳感器單元焊盤(4-5)與環境濕度傳感器單元(8-1)的兩端相連并為之提供工作電壓，環境溫度傳感器單元焊盤(4-12)、環境溫度傳感器單元焊盤(4-13)與環境溫度傳感器單元(8-2)的兩端相連并為之提供工作電壓，加熱溫度傳感器單元焊盤(4-10)、加熱溫度傳感器單元焊盤(4-16)與加熱溫度傳感器單元(9)的兩端相連并為之提供工作電壓。
[0007]進一步，該傳感器采用兩組半圓形同心環形鎳鉻合金膜加熱線圈(3)，對各傳感器單元進行對稱、均勻加熱。
[0008]進一步，該傳感器采用懸臂梁式結構。
[0009]進一步，該傳感器采用對稱結構，該對稱結構為:硅基底(I)和二氧化硅絕緣層
(2)的(100)面均為8000MmX8000Mm呈中心對稱的正方形結構；鎳鉻合金膜加熱線圈(3)、風速風向傳感器單元焊盤(4)和鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤(5)關于坐標軸呈中心對稱結構；氧化鋁絕緣層(6)關于坐標軸呈中心對稱結構；風速風向傳感器單元(7)和凹槽(11)關于坐標軸呈中心對稱結構。
[0010]進一步，風速風向傳感器單元(7)、環境溫濕度傳感器(8)和加熱溫度傳感器單元
(9)分布在8000MmX8000Mm的平面上。
[0011 ] 進一步，該傳感器由硅基底、二氧化硅絕緣層、鎳鉻合金膜加熱線圈、16個風速風向傳感器單元焊盤、4個鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤、氧化鋁絕緣層、8個風速風向傳感器單元、I個環境溫濕度傳感器、I個加熱溫度傳感器單元、連接線和凹槽組成。其結構形成過程為:先在硅基底上表面氧化生成一層二氧化硅絕緣層，再在二氧化硅絕緣層上表面通過磁控濺射技術生成一層鎳鉻合金膜加熱線圈、16個風速風向傳感器單元焊盤和4個鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤，依次使用磁控濺射與氧化的方法在二氧化硅絕緣層和鎳鉻合金膜加熱線圈之上生成一層氧化鋁絕緣層，并露出風速風向傳感器單元焊盤和鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤，然后使用磁控濺射技術在對應焊盤上濺射一定厚度的對應大小的焊盤，再在焊盤、氧化鋁絕緣層之上再生長16個一定厚度的風速風向傳感器單元焊盤、4個鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤、8個風速風向傳感器單元、I個環境溫濕度傳感器、I個加熱溫度傳感器單元和連接線，最后進行鏤空處理，先用鹽酸對氧化鋁絕緣層進行鏤空形成4個凹槽，再用氫氟酸對二氧化硅絕緣層進行鏤空形成4個凹槽，然后用EPW腐蝕劑對硅基底進行鏤空形成4個凹槽，最后再用EPW腐蝕劑對硅的下表面進行鏤空，形成I個凹槽，至此，一種鎳鉻合金膜加熱的高精度風速風向集成傳感器就形成了。
[0012]本傳感器的結構具體通過以下幾個步驟實現。
[0013]步驟一:準備晶向為(100)，規格為8000 X 8000 X (200~300) Mm3的硅片作為基底，清潔基底的表面。
[0014]步驟二:用氫氟酸清洗掉硅上表面已被氧化生成的二氧化硅，通過干氧-濕氧-干氧交替氧化的方法，生長一層二氧化硅絕緣層，厚度為2~5Mm。
[0015]步驟三:在二氧化硅絕緣層上通過磁控濺射技術，生長一層鎳鉻合金膜加熱線圈、風速風向傳感器單元焊盤和镲絡合金膜加熱線圈焊盤，厚度均等，為2~4Mm，镲絡合金膜加熱線圈，最大半徑為2000Mm，環形線圈寬度為200Mm，線圈之間間隔為200Mm，最小的環形線圈半徑為400Mm，整個鎳鉻合金膜加熱線圈被分成兩個部分，分別和4個鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤相連，鎳鉻合金膜加熱線圈的兩部分相距50Mm，風速風向傳感器單元焊盤尺寸為700 X 700 X (2~4) Mm3，鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤尺寸為800 X 800 X (2~4) Mm3;兩部分鎳鉻合金膜加熱線圈與鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤通過寬度為50Mm鎳鉻合金膜連接線相連。
[0016]步驟四:在通過上述步驟形成的整個結構中，再通過磁控濺射技術，濺射一層鋁，經氧化后形成一層厚度為5~6Mm氧化鋁絕緣層，并露出風速風向傳感器單元焊盤和鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤。
[0017]步驟五:先在20個焊盤的對應位置上采用磁控濺射技術，生成厚度為5~6Mm的風速風向傳感器單元焊盤和鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤，使各個焊盤上表面的高度和氧化鋁絕緣層上表面的高度平齊，再使用磁控濺射技術，生成厚度為2~4Mm的風速風向傳感器單元焊盤、鎳鉻合金膜加熱線圈焊盤、風速風向傳感器單元、環境溫濕度傳感器、加熱溫度傳感器單元和連接線。
[0018]步驟六:整體結構形成后，采用鏤空技術，形成凹槽，分別用鹽酸、HF酸和EPW腐蝕劑對氧化鋁絕緣層、二氧化硅絕緣層和硅基底從正面對結構進行腐蝕，再用EPW腐蝕劑從背面對硅基底進行腐蝕，就可以得到一種鎳鉻合金膜加熱的高精度風速風向集成傳感器。
[0019]本發明的優點為:這種方式形成的一種鎳鉻合金膜加熱的高精度風速風向集成傳感器，可通過鎳鉻合金膜加熱線圈對傳感器進行加熱，中間加熱線圈溫度傳感器可實時檢測傳感器工作溫度，便于實時控制，為各個傳感器單元提供適宜的工作溫度，提高本傳感器的精度；一種懸臂梁式結構可大大減小熱量的散失，降低功耗、節約能源；傳感器結構的對稱設計，可減小外界環境帶來的誤差，提高測量的準確度；溫濕度傳感器的添加，可為后續數據處理電路提供測量參數，進行溫濕度自補償計算；借助MEMS技術，可使本傳感器體積減小、重量減輕、價格降低、集成度變高。
【附圖說明】
[0020]圖1為一種鎳鉻合金膜加熱的風速風向集成傳感器的拼裝圖。
[0021]圖2為一種鎳鉻合金膜加熱的風速風向集成傳感器的制備流程示意圖。
[0022]圖3為圖2(f)的A-A，剖面圖。
[0023]圖4為圖2 (f)的底面示意圖。
[0024]圖