矩形硅膜二維風速風向傳感器制造技術

本發明專利技術提出的矩形硅膜二維風速風向傳感器采用矩形的半導體硅薄膜（１０４）作為傳感面，傳感器的最下層是半導體硅襯底（１０１），在硅襯底（１０１）上設置一排發熱電阻（１０２），在具有發熱電阻（１０２）的硅襯底（１０１）之上設置二氧化硅絕緣層（１０３），在二氧化硅絕緣層（１０３）之上設置半導體硅薄膜（１０４），金屬電極（１０５）有１６個，分別位于矩形的半導體硅薄膜（１０４）的一邊均勻分布；利用熱分布變化引起半導體薄膜電阻率分布變化的原理測量風速和風向。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術提供了一種二維風速風向傳感器，利用電阻抗斷層成像(EIT)測量原理進 行傳感計算，以矩形半導體硅薄膜作為傳感薄膜。基于熱損失方式工作，以熱分布變化所產 生的半導體硅薄膜電阻率分布的變化計算風速大小和風的方向。
技術介紹
風速風向傳感器是重要的傳感器之一，有著非常廣泛的用途。目前的大多數風速 風向傳感器采用集總參數的測量方法，例如，檢測熱敏電阻變化或平板電容變化的方法。無 法直接定量表示傳感結構面上各點的風速和風向。半導體材料具有溫度特性，對于具有原始熱分布的半導體薄膜，在薄膜面上的空 氣流動必然導致熱分布變化，進而引起半導體薄膜電阻率分布的變化，通過檢測薄膜上各 點電阻率變化的大小和位置，可以計算得到風速的大小和風向。電阻抗斷層成像(EIT)技術采用電流激勵/電壓測量，并通過成像算法計算待檢 測材料的電阻率分布。利用EIT技術計算傳感薄膜材料電阻率分布變化，進而進行風速風向傳感計算的 傳感器結構。利用整個傳感薄膜材料電阻率分布的變化對外界物理量進行傳感表征，可以 反映傳感薄膜材料面上任意點的電阻率參數的變化。
技術實現思路
技術問題本專利技術提出了一種矩形硅膜二維風速風向傳感器，該傳感器利用EIT 技術計算傳感薄膜材料電阻率分布變化，進而進行風速風向傳感計算。技術方案本專利技術的矩形硅膜二維風速風向傳感器采用矩形的半導體硅薄膜作為 傳感面，傳感器的最下層是半導體硅襯底，在硅襯底上設置一排發熱電阻，在具有發熱電阻 的硅襯底之上設置二氧化硅絕緣層，在二氧化硅絕緣層之上設置半導體硅薄膜，金屬電極 位于矩形的半導體硅薄膜的一邊均勻分布；利用熱分布變化引起半導體薄膜電阻率分布變 化的原理測量風速和風向。所述的金屬電極有16個。以矩形的半導體硅薄膜為傳感材料。其傳感原理是在具有初始熱分布的矩形半 導體硅薄膜傳感面上的空氣流動導致熱分布變化，進而引起電阻率分布的變化，通過檢測 電阻率變化的大小和位置計算得到氣流的大小和方向。具有傳感器結構簡單、加工工藝簡 單的特點。工作時，首先通過兩個發熱電阻連接電極對襯底上的發熱電阻施加電流產生熱 量，使得半導體硅薄膜形成初始電阻率分布。當有空氣流過半導體硅薄膜表面時，因為熱量 的流失將使熱場分布發生變化，并既而使半導體硅薄膜各點的載流子濃度發生變化，產生 電阻率分布的變化。根據各點電阻率的大小定量計算風速大小和風向。有益效果本專利技術的最大優點在于傳感器結構簡單，對加工工藝的靈敏度低。因為 采用電阻率分布變化來檢測風速和方向，因此，是對于變化的相對值進行檢測。不同于傳統的基于特定點的參數采樣或者對集總參數采樣的傳感方式，它能夠真實地反映傳感面上場 的分布情況。本底電阻率分布可以作為基本參考，將實測分布與其進行相減，可以完全濾除 初始工藝誤差。基于算法的信息處理方法更易實現智能化。附圖說明圖1傳感器結構示意圖，圖2是圖1中A-A斷面圖。其中有半導體硅襯底101，采用摻雜技術制作的發熱電阻102，熱生長制作的二 氧化硅層103，矩形的半導體硅薄膜104，電流激勵和電壓檢測的金屬測試電極105，發熱電 阻的連接電極106，發熱電阻的連接電極引線孔107。具體實施例方式本專利技術提出的二維風速風向傳感器利用硅薄膜各點熱損失不同引起熱分布變化， 進而導致電阻率變化的原理測量風速和風向。其結構特征在于采用矩形的半導體硅薄膜 104作為傳感面。圖1給出了傳感器結構示意圖。傳感器的最下層是半導體硅襯底101，在 硅襯底101上制作發熱電阻102 (圖中虛線繪制的折彎型圖形)，在具有發熱電阻102的硅 襯底101之上是二氧化硅絕緣層103，二氧化硅絕緣層103之上是半導體硅薄膜104。半導 體硅薄膜104形狀為矩形，沿著矩形的一條直邊均勻分布著16個即可用于電流激勵也可用 于電壓測量的用金屬制作的測試電極105。本專利技術的傳感器有多種制作方法，這里以采用常規半導體器件工藝制作本專利技術的 傳感器進行說明。其中的矩形半導體硅薄膜采用P型多晶硅，同理，也可以采用N型多晶硅。首先選擇N型半導體硅片101。熱生長300納米厚度的氧化層后通過光刻工藝形 成發熱電阻102圖形。采用離子注入或熱擴散方法在發熱電阻102圖形區域摻入P型雜 質，濃度控制方塊電阻為200歐姆/ 口。去除所有氧化層以保證表面的平整性。再熱生長 500納米氧化層103。采用低壓化學氣相沉積技術淀積1微米左右的多晶硅，對多晶硅進行 P型摻雜，摻雜濃度控制在5E18/cm3左右。采用光刻工藝形成矩形的P型半導體薄膜104。 采用光刻工藝制作發熱電阻的引線孔107。采用濺射工藝在表面沉積一層金屬鋁，光刻形成 16個金屬電極105和2個發熱電阻的連接電極106。權利要求一種矩形硅膜二維風速風向傳感器，其特征在于采用矩形的半導體硅薄膜(104)作為傳感面，傳感器的最下層是半導體硅襯底(101)，在硅襯底(101)上設置一排發熱電阻(102)，在具有發熱電阻(102)的硅襯底(101)之上設置二氧化硅絕緣層(103)，在二氧化硅絕緣層(103)之上設置半導體硅薄膜(104)，金屬電極(105)位于矩形的半導體硅薄膜(104)的一邊均勻分布；利用熱分布變化引起半導體薄膜電阻率分布變化的原理測量風速和風向。2.如權利要求1所述的矩形硅膜二維風速風向傳感器，其特征在于所述的金屬電極(105)有16 個。全文摘要本專利技術提出的矩形硅膜二維風速風向傳感器采用矩形的半導體硅薄膜(104)作為傳感面，傳感器的最下層是半導體硅襯底(101)，在硅襯底(101)上設置一排發熱電阻(102)，在具有發熱電阻(102)的硅襯底(101)之上設置二氧化硅絕緣層(103)，在二氧化硅絕緣層(103)之上設置半導體硅薄膜(104)，金屬電極(105)有16個，分別位于矩形的半導體硅薄膜(104)的一邊均勻分布；利用熱分布變化引起半導體薄膜電阻率分布變化的原理測量風速和風向。文檔編號G01P5/12GK101975870SQ20101050154公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日專利技術者李偉華 申請人:東南大學本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李偉華，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：84