一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种超小型高灵敏度二维风速计，包括衬底（1）、绝缘介质层（2）、正四棱台（3）、加热元件（4）和四个测温热电偶堆（51），结合本发明专利技术技术方案，构建超小型高灵敏度二维风速计，并设计与之相应的超小型高灵敏度二维风速计制造方法，具有如下优点：1）台面结构的引入，使得测量平面和焊接引线所在平面产生高度差，方便了传感器的封装；2）该传感器的热电偶近似垂直放置，冷端通过封装胶密封并保持和衬底及外壳同温，有效保证了冷端温度的一致性，传感器的温漂抑制能力高；3）台面结构的引入，大大降低了热偶的横向尺寸，使器件的尺寸更小；4）传感器敏感表面和外壳之间贴合度高，无封装胶暴露在空气中，传感器的可靠性高。

A Ultra-small and High Sensitivity Two-Dimensional Anemometer and Its Fabrication Method

The invention relates to a super-miniature and high sensitivity two-dimensional anemometer, which comprises a substrate (1), an insulating dielectric layer (2), a regular quadrilateral platform (3), a heating element (4) and four thermocouple stacks (51). Combining the technical scheme of the invention, a super-miniature and high sensitivity two-dimensional anemometer is constructed, and the corresponding manufacturing method of the super-miniature and high sensitivity two-dimensional anemometer is designed. Advantages: 1) The introduction of the mesa structure makes the height difference between the measurement plane and the plane where the welding lead is located, which facilitates the packaging of the sensor; 2) The thermocouple of the sensor is placed approximately vertically, and the cold end is sealed by the encapsulation glue and kept at the same temperature with the substrate and the shell, which effectively ensures the consistency of the temperature of the cold end, and the temperature drift suppression ability of the sensor is high; 3) The introduction of mesa structure; The transverse dimension of the thermocouple is greatly reduced and the size of the device is smaller. 4) The sensor has a high degree of adhesion between the sensitive surface and the outer shell, and the sensor has a high reliability when the non-encapsulated adhesive is exposed to the air.

【技术实现步骤摘要】
一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法
本专利技术涉及一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法，属于风速检测

技术介绍
风速、风向是反应气象情况非常重要的参数，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响，因此快速准确测量出风速和风向具有重要的实际意义。众所周知，利用机械加工的风杯和风向标虽然也能测量风速和风向，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。典型超声风速传感器发射和探测接收头位置固定，因此相对结构也较大。基于MEMS加工技术的微型风速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来风速传感器研究的热点。但是，由于硅衬底的高热导率，这类传感器的功耗较大，灵敏度较低。采用背面腐蚀或者正面腐蚀的方法形成绝热薄膜，可以提高灵敏度，但是结构易损坏，不利于后道工艺和封装。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种利用了热温差原理，能够准确测量风速和风向的超小型高灵敏度二维风速计。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种超小型高灵敏度二维风速计，包括衬底、绝缘介质层、正四棱台、加热元件和四个测温热电偶堆；其中，绝缘介质层的形状、尺寸与衬底的形状、尺寸相等，绝缘介质层覆盖设置于衬底的上表面，正四棱台的顶面与其底面相平行，正四棱台的底面大于其顶面，正四棱台的底面固定设置于绝缘介质层上表面的中心位置；加热元件固定设置于正四棱台顶面的中心位置；四个测温热电偶堆与正四棱台的四个倾斜面彼此一一对应，四个测温热电偶堆分别固定设置于正四棱台对应倾斜面上，各测温热电偶堆上热端边中点位置与冷端边中点位置连线所在直线、过所设倾斜面的顶边中点位置、底边中点位置，且各测温热电偶堆的热端指向所设倾斜面的顶边一侧，以及各测温热电偶堆的冷端指向所设倾斜面的底边一侧；沿俯视正四棱台顶面方向的投影，正四棱台四个倾斜面上的测温热电偶堆、相对加热元件呈中心对称分布；加热元件和各测温热电偶堆分别所对应的焊盘固定设置于绝缘介质层上非正四棱台设置区，加热元件和各测温热电偶堆分别通过焊锡电路与对应焊盘相连接，且焊锡电路位于绝缘介质层上非正四棱台设置区。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述各测温热电偶堆的热端分别均延伸至所述正四棱台的顶面上，且各测温热电偶堆的热端均不与所述正四棱台顶面中心设置的加热元件相对接，沿俯视正四棱台顶面方向的投影，正四棱台四个倾斜面上的测温热电偶堆、相对加热元件呈中心对称分布。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述各测温热电偶堆的冷端分别延伸对接所设正四棱台倾斜面的底边、或者延伸过所设正四棱台倾斜面底边至所述绝缘介质层上表面上，沿俯视正四棱台顶面方向的投影，正四棱台四个倾斜面上的测温热电偶堆、相对加热元件呈中心对称分布。作为本专利技术的一种优选技术方案：还包括电路板，以及数量与所述焊盘数量相等的绑定引线，电路板表面的形状、尺寸大于所述衬底表面的形状、尺寸，电路板上的焊锡电路设置于电路板的上表面，衬底的下表面固定设置于电路板的上表面，各焊盘分别经绑定引线对接电路板上焊锡电路的对应位置。作为本专利技术的一种优选技术方案：还包括盖板，盖板表面的形状、尺寸大于所述衬底表面的形状、尺寸，盖板中心位置设置贯穿其上下面的通孔，该通孔的形状与所述正四棱台顶面的形状相同，且该通孔的内径与正四棱台顶面的外径相适应，盖板上的通孔套设于正四棱台的顶面的外周，且盖板与所述电路板相平行，以及盖板上表面与正四棱台的顶面相平齐，盖板与电路板之间填充环氧灌封胶，针对盖板与电路板之间所有结构进行包裹。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述正四棱台为低热导绝缘材质制成，或者所述加热元件、测温热电偶堆与正四棱台表面之间设置低热导绝缘材质。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述正四棱台为硅材料制成，所述绝缘介质层为二氧化硅制成。与上述技术方案相对应，本专利技术还要解决的技术问题是提供一种针对所设计超小型高灵敏度二维风速计的制造方法，能够高效便捷实现所设计风速仪的制造。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种针对超小型高灵敏度二维风速计的制造方法，包括如下步骤：步骤A.针对硅片进行氧化操作，生长一层氧化硅作为掩膜，然后再进行光刻并进行各向异性湿法腐蚀形成正四棱台结构，即获得带有正四棱台的衬底；步骤B.针对衬底上表面进行热氧化操作，形成一层二氧化硅，构成绝缘介质层，然后采用低压化学气相淀积工艺，生长一层多晶硅薄膜，再通过扩散或离子注入方法对多晶硅进行掺杂磷，形成N型多晶硅；步骤C.喷胶光刻多晶硅薄膜，并通过反应离子刻蚀工艺,刻蚀多晶硅形成各测温热电偶堆的一个臂和加热元件；步骤D.喷胶光刻形成各测温热电偶堆的另一臂和焊盘结构，然后采用蒸发工艺生长一层金属铝，再采用剥离工艺完成各测温热电偶堆的另一臂，以及绑定引线和焊盘对接结构。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤D之后，还包括如下步骤：步骤E.针对硅片进行氧化操作，生长一层氧化硅作为掩膜，然后再进行光刻，并进行各向异性湿法腐蚀形成正方形通孔，硅片再重新氧化构成盖板；步骤F.将衬底下表面通过贴片胶固定在电路板上，然后采用金丝球焊，将绝缘介质层上的焊盘与电路板的焊盘连接起来；步骤G.将盖板安装在正四棱台的顶面位置，周围用环氧灌封胶填充。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤A中，所获带有正四棱台的衬底中，正四棱台倾斜面与衬底上表面的内侧夹角为54.74°。本专利技术所述一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术所设计超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法，具有如下优点：1）台面结构的引入，使得测量平面和焊接引线所在平面产生高度差，方便了传感器的封装；2）该传感器的热电偶近似垂直放置，冷端通过封装胶密封并保持和衬底及外壳同温，有效保证了冷端温度的一致性，传感器的温漂抑制能力高；3）台面结构的引入，大大降低了热偶的横向尺寸，使器件的尺寸更小；4）传感器敏感表面和外壳之间贴合度高，无封装胶暴露在空气中，传感器的可靠性高。附图说明图1是本专利技术所设计超小型高灵敏度二维风速计的三维示意图；图2是本专利技术所设计超小型高灵敏度二维风速计的俯视示意图；图3是本专利技术所设计超小型高灵敏度二维风速计的侧视示意图。其中，1.衬底，2.绝缘介质层，3.正四棱台，4.加热元件，51.测温热电偶堆，6.电路板，7.环氧灌封胶，8.绑定引线，9.焊盘，10.盖板。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。本专利技术所设计一种超小型高灵敏度二维风速计，如图1、图2和图3所示，实际应用当中，具体包括衬底1、绝缘介质层2、正四棱台3、加热元件4、四个测温热电偶堆51、电路板6、盖板10和各根绑定引线8。其中，实际应用中，绝缘介质层2为二氧化硅制成，绝缘介质层2的形状、尺寸与衬底1的形状、尺寸相等，绝缘介质层2覆盖设置于衬底1的上表面，实际应用中，正四棱台3为低热导绝缘材质制成，或者所述加热元件4、测温热电偶堆51与正四棱台3表面之间设置低热导绝缘材质，实际应用中，正四棱台3为硅材料制成；正四棱台3的顶面与其底面相平行，正四棱台3的底面大于其顶面，正四棱台3的底面固定设置于绝缘介质层2上表面的中心位置。加热元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：包括衬底（1）、绝缘介质层（2）、正四棱台（3）、加热元件（4）和四个测温热电偶堆（51）；其中，绝缘介质层（2）的形状、尺寸与衬底（1）的形状、尺寸相等，绝缘介质层（2）覆盖设置于衬底（1）的上表面，正四棱台（3）的顶面与其底面相平行，正四棱台（3）的底面大于其顶面，正四棱台（3）的底面固定设置于绝缘介质层（2）上表面的中心位置；加热元件（4）固定设置于正四棱台（3）顶面的中心位置；四个测温热电偶堆（51）与正四棱台（3）的四个倾斜面彼此一一对应，四个测温热电偶堆（51）分别固定设置于正四棱台（3）对应倾斜面上，各测温热电偶堆（51）上热端边中点位置与冷端边中点位置连线所在直线、过所设倾斜面的顶边中点位置、底边中点位置，且各测温热电偶堆（51）的热端指向所设倾斜面的顶边一侧，以及各测温热电偶堆（51）的冷端指向所设倾斜面的底边一侧；沿俯视正四棱台（3）顶面方向的投影，正四棱台（3）四个倾斜面上的测温热电偶堆（51）、相对加热元件（4）呈中心对称分布；加热元件（4）和各测温热电偶堆（51）分别所对应的焊盘（9）固定设置于绝缘介质层（2）上非正四棱台（3）设置区，加热元件（4）和各测温热电偶堆（51）分别通过焊锡电路与对应焊盘（9）相连接，且焊锡电路位于绝缘介质层（2）上非正四棱台（3）设置区。...

【技术特征摘要】
1.一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：包括衬底（1）、绝缘介质层（2）、正四棱台（3）、加热元件（4）和四个测温热电偶堆（51）；其中，绝缘介质层（2）的形状、尺寸与衬底（1）的形状、尺寸相等，绝缘介质层（2）覆盖设置于衬底（1）的上表面，正四棱台（3）的顶面与其底面相平行，正四棱台（3）的底面大于其顶面，正四棱台（3）的底面固定设置于绝缘介质层（2）上表面的中心位置；加热元件（4）固定设置于正四棱台（3）顶面的中心位置；四个测温热电偶堆（51）与正四棱台（3）的四个倾斜面彼此一一对应，四个测温热电偶堆（51）分别固定设置于正四棱台（3）对应倾斜面上，各测温热电偶堆（51）上热端边中点位置与冷端边中点位置连线所在直线、过所设倾斜面的顶边中点位置、底边中点位置，且各测温热电偶堆（51）的热端指向所设倾斜面的顶边一侧，以及各测温热电偶堆（51）的冷端指向所设倾斜面的底边一侧；沿俯视正四棱台（3）顶面方向的投影，正四棱台（3）四个倾斜面上的测温热电偶堆（51）、相对加热元件（4）呈中心对称分布；加热元件（4）和各测温热电偶堆（51）分别所对应的焊盘（9）固定设置于绝缘介质层（2）上非正四棱台（3）设置区，加热元件（4）和各测温热电偶堆（51）分别通过焊锡电路与对应焊盘（9）相连接，且焊锡电路位于绝缘介质层（2）上非正四棱台（3）设置区。2.根据权利要求1所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：所述各测温热电偶堆（51）的热端分别均延伸至所述正四棱台（3）的顶面上，且各测温热电偶堆（51）的热端均不与所述正四棱台（3）顶面中心设置的加热元件（4）相对接，沿俯视正四棱台（3）顶面方向的投影，正四棱台（3）四个倾斜面上的测温热电偶堆（51）、相对加热元件（4）呈中心对称分布。3.根据权利要求2所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：所述各测温热电偶堆（51）的冷端分别延伸对接所设正四棱台（3）倾斜面的底边、或者延伸过所设正四棱台（3）倾斜面底边至所述绝缘介质层（2）上表面上，沿俯视正四棱台（3）顶面方向的投影，正四棱台（3）四个倾斜面上的测温热电偶堆（51）、相对加热元件（4）呈中心对称分布。4.根据权利要求2或3所述一种超小型高灵敏度二维风速计，其特征在于：还包括电路板（6），以及数量与所述焊盘（9）数量相等的绑定引线（8），电路板（6）表面的形状、尺寸大于所述衬底（1）表面的形状、尺寸，电路板（6）上的焊锡电路设置于电路板（6）的上表面，衬底（1）的下表面固定设置于电路板（6）的上表面，各焊盘（9）分别经绑定引线（8）对接电路板（6）上焊锡电路的对应位置。5.根据权利要求4所述一种超小型高...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦明，张瑶霖，易真翔，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32