CN104482964B - 一种渗b半导体加热的高精度风速风向集成传感器 - Google Patents
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Abstract
一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，适用于风速和风向测量领域。本发明的目的是要解决现有的风速风向传感器受环境温湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题。一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器其特征在于：主要由硅基底、二氧化硅绝缘层、渗B半导体加热体、渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、半导体加热电极、氧化铝绝缘层、风速风向传感器单元、环境温湿度传感器单元、加热体温度传感器单元、连接线和凹槽构成。一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，内置渗B半导体加热体，可为传感器提供适应的工作温度，从而提高精度；悬臂梁式结构可大大减小热量的浪费；MEMS技术的应用，可使本传感器体积变小、成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及高精度风速风向传感器及其结构的领域
背景技术
风力资源指大气沿地球表面流动而产生的动能资源，无处不在，可供人们利用。风速风向的测量在气象预报、环境检测与控制方面等方面具有重要的研究意义和应用价值。近年来，由于自然灾害的逐渐增多，气象检测在人们中的地位也越来越高，环境中温、湿度的测量技术已经相对成熟，因此对风速风向的测量成为人们关注的焦点，因而对风速风向传感器的要求也就越来越高。传统的测量方法主要用风杯来测量风速，用风标来测量风向，这些机械装置不仅体积较大而且需要经常检查维护，需要耗费大量的人力物力。随着MEMS技术的发展，现在又研制出硅薄膜式传感器和硅悬梁式传感器，这两种传感器体积减小，价格降低，但是由于传感器的工作环境随外界环境变化而变化，误差较大、精度较低。
本发明的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器解决了上述传感器的问题，采用MEMS技术，整个传感器结构体积小、重量轻、价格低。本传感器结构内部具有渗B半导体加热体，可为各传感器单元提供最适的工作温度，同时本传感器的悬臂梁式结构可大大减小热量的散失、降低功耗、提高能量利用率。对于实现风速风向的实时检测具有重大的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明是为解决现有的风速风向传感器受环境温、湿度影响较大、工作温度随环境变化、精度低、体积大、成本高等问题，而提出的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器。
一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，其特征在于：它是由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、半导体加热电极、氧化铝绝缘层(7)、风速风向传感器单元、环境温湿度传感器、加热体温度传感器单元(10)、连接线(11)和凹槽组成；进一步：先在硅基底(1)上表面氧化生成一层二氧化硅绝缘层(2)，通过光刻、离子注入技术在硅基底(1)内生成一个正八边形的渗B半导体加热体(3)，进一步：在渗B半导体加热体(3)、二氧化硅绝缘层(2)上通过磁控溅射技术生成渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘和半导体加热电极，进一步：再次使用磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)和半导体加热电极上生成氧化铝绝缘层(7)，并露出渗B半导体加热体焊盘和风速风向传感器单元焊盘，进一步：使用磁控溅射技术，在渗B半导体加热体焊盘和风速风向传感器单元焊盘上对应形成一定厚度的焊盘，使焊盘上表面和氧化铝绝缘层(7)上表面平齐，进一步：在渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、氧化铝绝缘层(7)上，使用磁控溅射技术形成渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、风速风向传感器单元、环境温、湿度传感器、加热体温度传感器单元(10)和连接线(11)，最后进行镂空处理，先对氧化铝绝缘层进行镂空形成凹槽一(12-1)、凹槽二(12-2)、凹槽三(12-3)、凹槽四(12-4)，再对二氧化硅绝缘层进行镂空形成凹槽五(12-5)、凹槽六(12-6)、凹槽七(12-7)、凹槽八(12-8)，然后对硅基底进行镂空形成凹槽九(12-9)、凹槽十(12-10)、凹槽十一(12-11)、凹槽十二(12-12)，最后对硅的下表面进行镂空，形成凹槽十三(12-13)，连接线(11)包含11个传感器单元和焊盘之间的连接线，至此，形成一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器。
本传感器结构通过以下步骤实现。
步骤一：准备晶向为(100)，8000×8000×(200～300)μm3的硅片作为基底，清洁基底的表面。
步骤二：在硅的上表面通过干氧-湿氧-干氧交替氧化的方法，生长一层二氧化硅绝缘层，尺寸为8000×8000×(2～5)μm3。
步骤三：在二氧化硅绝缘层上通过光刻技术和等离子体渗B技术，形成边长为2000μm的正八边形渗B半导体加热体，再通过“退火”氧化方式形成一层薄薄的半导体加热体氧化层。
步骤四：通过磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层和渗B半导体加热体上溅射生成渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、半导体加热电极，厚度均等，为2～4μm，并露出渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘。
步骤五：再通过磁控溅射技术，溅射一层铝，经氧化后形成一层厚度为5～6μm氧化铝绝缘层，并露出渗B半导体加热体焊盘和风速风向传感器单元焊盘。
步骤六：氧化铝绝缘层上，再次采用磁控溅射技术，先生成厚度为5～6μm的渗B半导体加热体焊盘和风速风向传感器单元焊盘，再溅射生成厚度为2～4μm的渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、风速风向传感器单元、环境温湿度传感器、加热体温度传感器单元和连接线。
步骤七：整体结构形成后，分别用盐酸、HF酸和EPW腐蚀剂对氧化铝绝缘层、二氧化硅绝缘层和硅基底从正面对结构进行腐蚀，再用EPW腐蚀剂从背面对硅基底进行腐蚀，形成凹槽，得到一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器。
本发明的优点为：一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，可通过渗B半导体加热体对传感器进行加热，这种用半导体元件将电能转换为热能的技术是20世纪80年代发展起来的一项新的加热技术，相比于传统的加热方式具有加热均匀、没有局部过热现象、加热速度快、加热速度容易控制、能量利用率高等优势；中间加热体温度传感器可实时检测传感器工作温度，便于实时控制，为各个传感器单元提供适宜的工作温度，提高本传感器的精度；一种悬臂梁式结构可大大减小热量的散失，降低功耗、节约能源；传感器的对称设计，可减小外界环境带来的误差，提高测量的准确度；温、湿度传感器的添加，可为后续数据处理电路提供测量参数，进行温、湿度自补偿计算；借助MEMS技术，可使本传感器体积减小、重量减轻、价格降低、集成度变高。
附图说明
图1为一种渗B半导体加热的风速风向集成传感器的拼装图。
图2为一种渗B半导体加热的风速风向集成传感器的制备流程示意图。
图3为图2中(f)的A-A’剖面图。
图4为图2中(f)的底面示意图。
图5为11个传感器单元在绝缘层上分布的俯视图。
图6为11个传感器单元、所有连接线、20个焊盘在绝缘层上分布的俯视图。
图7为一种渗B半导体加热的风速风向集成传感器焊盘和加热电极的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：渗B半导体加热体焊盘由渗B半导体加热体焊盘一(4-1)、渗B半导体加热体焊盘二(4-2)、渗B半导体加热体焊盘三(4-3)、渗B半导体加热体焊盘四(4-4)四部分组成，半导体加热电极由半导体加热电极一(6-1)、半导体加热电极二(6-2)、半导体加热电极三(6-3)、半导体加热电极四(6-4)四部分组成，渗B半导体加热体焊盘一(4-1)与半导体加热电极一(6-1)相连，渗B半导体加热体焊盘二(4-2)与半导体加热电极二(6-2)相连，渗B半导体加热体焊盘三(4-3)与半导体加热电极三(6-3)相连，渗B半导体加热体焊盘四(4-4)与半导体加热电极四(6-4)相连，半导体加热电极与渗B半导体加热体(3)相连。风速风向传感器单元焊盘由风速风向传感器单元焊盘一(5-1)、风速风向传感器单元焊盘二(5-2)、风速风向传感器单元焊盘三(5-3)、风速风向传感器单元焊盘四(5-4)、风速风向传感器单元焊盘五(5-5)、风速风向传感器单元焊盘六(5-6)、风速风向传感器单元焊盘七(5-7)、风速风向传感器单元焊盘八(5-8)、风速风向传感器单元焊盘九(5-9)、风速风向传感器单元焊盘十(5-10)、风速风向传感器单元焊盘十一(5-11)、风速风向传感器单元焊盘十二(5-12)、风速风向传感器单元焊盘十三(5-13)、风速风向传感器单元焊盘十四(5-14)、风速风向传感器单元焊盘十五(5-15)和风速风向传感器单元焊盘十六(5-16)十六个传感器单元焊盘组成，风速风向传感器单元由风速风向传感器单元一(8-1)、风速风向传感器单元二(8-2)、风速风向传感器单元三(8-3)、风速风向传感器单元四(8-4)、风速风向传感器单元五(8-5)、风速风向传感器单元六(8-6)、风速风向传感器单元七(8-7)、风速风向传感器单元八(8-8)八个风速风向传感器单元构成，环境温湿度传感器由环境温度传感器单元(9-1)和环境湿度传感器单元(9-2)两部分构成，风速风向传感器单元焊盘二(5-2)和风速风向传感器单元焊盘十五(5-15)与风速风向传感器单元一(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘二(5-2)和风速风向传感器单元焊盘三(5-3)与风速风向传感器单元二(8-2)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘三(5-3)和风速风向传感器单元焊盘四(5-4)与风速风向传感器单元三(8-3)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘六(5-6)和风速风向传感器单元焊盘七(5-7)与风速风向传感器单元四(8-4)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘七(5-7)和风速风向传感器单元焊盘十(5-10)与风速风向传感器单元五(8-5)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘十(5-10)和风速风向传感器单元焊盘十一(5-11)与风速风向传感器单元六(8-6)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘十一(5-11)和风速风向传感器单元焊盘十二(5-12)与风速风向传感器单元七(8-7)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘十四(5-14)和风速风向传感器单元焊盘十五(5-15)与风速风向传感器单元八(8-8)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘一(5-1)和风速风向传感器单元焊盘十六(5-16)与环境湿度传感器单元(9-2)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘八(5-8)和风速风向传感器单元焊盘九(5-9)与环境温度传感器单元(9-1)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘五(5-5)和风速风向传感器单元焊盘十三(5-13)与加热体温度传感器单元(10)的两端相连并为之提供工作电压。凹槽由凹槽一(12-1)、凹槽二(12-2)、凹槽三(12-3)、凹槽四(12-4)、凹槽五(12-5)、凹槽六(12-6)、凹槽七(12-7)、凹槽八(12-8)、凹槽九(12-9)、凹槽十(12-10)、凹槽十一(12-11)、凹槽十二(12-12)、凹槽十三(12-13)这13部分组成。
具体实施方式二：结合图2和图4描述本实施方式，从本传感器的俯视面开始，依次用盐酸、氢氟酸、EPW腐蚀剂，腐蚀掉不需要的氧化铝、二氧化硅和硅，形成悬臂梁式结构。
具体实施方式三：结合图2和图3描述本实施方式，本传感器的渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、半导体加热电极、氧化铝绝缘层(7)、风速风向传感器单元、加热体温度传感器单元(10)和凹槽均呈对称结构。
具体实施方式四：结合图2描述本实施方式，本传感器的渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘和半导体加热电极相连，当在渗B半导体加热体焊盘上施加电压后，渗B半导体加热体就会产生热量，为各传感器单元提供适宜的工作温度。
具体实施方式五：结合图2描述本实施方式，本传感器的温湿度传感器单元，可实时监测环境温湿度参数，为后续电路进行环境温湿度自补偿提供实时数据。
具体实施方式六：结合图2描述本实施方式，本传感器借助MEMS技术，制成的传感器体积小、重量轻。
Claims (5)
1.一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，其特征在于：由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、半导体加热电极、氧化铝绝缘层(7)、风速风向传感器单元、环境温湿度传感器、加热体温度传感器单元(10)、连接线(11)和凹槽组成，通过以下几个步骤制备：
步骤一：准备晶向为(100)，规格为8000×8000×(200～300)μm3的硅片作为硅基底(1)，清洁硅基底(1)的表面；
步骤二：用氢氟酸清洗掉硅上表面已被氧化生成的二氧化硅，然后在硅的上表面通过干氧-湿氧-干氧交替氧化的方法，生长一层致密的二氧化硅绝缘层(2)，尺寸为8000×8000×(2～5)μm3；
步骤三：在二氧化硅绝缘层(2)上通过光刻技术和等离子体渗B技术，形成边长为2000μm的正八边形渗B半导体加热体，再通过“退火”氧化方式形成一层薄薄的半导体加热体氧化层；
步骤四：上述步骤完成后，通过磁控溅射技术，在二氧化硅绝缘层(2)、渗B半导体加热体(3)上溅射生成渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、半导体加热电极，厚度均等，为2～4μm，并露出渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘；
步骤五：再通过磁控溅射技术，溅射一层铝，经氧化形成一层厚度为5～6μm氧化铝绝缘层(7)，并露出渗B半导体加热体焊盘和风速风向传感器单元焊盘；
步骤六：氧化铝绝缘层(7)上，再次采用磁控溅射技术，在渗B半导体加热体焊盘和风速风向传感器单元焊盘上生成对应大小的厚度5～6μm的渗B半导体加热体焊盘和风速风向传感器单元焊盘，再溅射生成厚度为2～4μm的渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、风速风向传感器单元、环境温湿度传感器、加热体温度传感器单元(10)和连接线；
步骤七：整体结构形成后，分别用盐酸、HF酸和EPW腐蚀剂对氧化铝绝缘层(7)、二氧化硅绝缘层(2)和硅基底(1)从正面对结构进行腐蚀，再用EPW腐蚀剂从硅基底(1)背面进行腐蚀，形成凹槽，最终生成具有悬臂梁式结构的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器。
2.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，其特征在于：渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、半导体加热电极、风速风向传感器单元、环境温湿度传感器和加热体温度传感器单元(10)的构成及相互连接；渗B半导体加热体焊盘由渗B半导体加热体焊盘一(4-1)、渗B半导体加热体焊盘二(4-2)、渗B半导体加热体焊盘三(4-3)、渗B半导体加热体焊盘四(4-4)四部分组成，半导体加热电极由半导体加热电极一(6-1)、半导体加热电极二(6-2)、半导体加热电极三(6-3)、半导体加热电极四(6-4)四部分组成，渗B半导体加热体焊盘一(4-1)与半导体加热电极一(6-1)相连，渗B半导体加热体焊盘二(4-2)与半导体加热电极二(6-2)相连，渗B半导体加热体焊盘三(4-3)与半导体加热电极三(6-3)相连，渗B半导体加热体焊盘四(4-4)与半导体加热电极四(6-4)相连，半导体加热电极与渗B半导体加热体(3)相连，风速风向传感器单元焊盘由风速风向传感器单元焊盘一(5-1)、风速风向传感器单元焊盘二(5-2)、风速风向传感器单元焊盘三(5-3)、风速风向传感器单元焊盘四(5-4)、风速风向传感器单元焊盘五(5-5)、风速风向传感器单元焊盘六(5-6)、风速风向传感器单元焊盘七(5-7)、风速风向传感器单元焊盘八(5-8)、风速风向传感器单元焊盘九(5-9)、风速风向传感器单元焊盘十(5-10)、风速风向传感器单元焊盘十一(5-11)、风速风向传感器单元焊盘十二(5-12)、风速风向传感器单元焊盘十三(5-13)、风速风向传感器单元焊盘十四(5-14)、风速风向传感器单元焊盘十五(5-15)和风速风向传感器单元焊盘十六(5-16)十六个传感器单元焊盘组成，风速风向传感器单元由风速风向传感器单元一(8-1)、风速风向传感器单元二(8-2)、风速风向传感器单元三(8-3)、风速风向传感器单元四(8-4)、风速风向传感器单元五(8-5)、风速风向传感器单元六(8-6)、风速风向传感器单元七(8-7)、风速风向传感器单元八(8-8)八个风速风向传感器单元构成，环境温湿度传感器由环境温度传感器单元(9-1)和环境湿度传感器单元(9-2)两部分构成，风速风向传感器单元焊盘二(5-2)和风速风向传感器单元焊盘十五(5-15)与风速风向传感器单元一(8-1)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘二(5-2)和风速风向传感器单元焊盘三(5-3)与风速风向传感器单元二(8-2)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘三(5-3)和风速风向传感器单元焊盘四(5-4)与风速风向传感器单元三(8-3)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘六(5-6)和风速风向传感器单元焊盘七(5-7)与风速风向传感器单元四(8-4)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘七(5-7)和风速风向传感器单元焊盘十(5-10)与风速风向传感器单元五(8-5)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘十(5-10)和风速风向传感器单元焊盘十一(5-11)与风速风向传感器单元六(8-6)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘十一(5-11)和风速风向传感器单元焊盘十二(5-12)与风速风向传感器单元七(8-7)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘十四(5-14)和风速风向传感器单元焊盘十五(5-15)与风速风向传感器单元八(8-8)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘一(5-1)和风速风向传感器单元焊盘十六(5-16)与环境湿度传感器单元(9-2)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘八(5-8)和风速风向传感器单元焊盘九(5-9)与环境温度传感器单元(9-1)的两端相连并为之提供工作电压，风速风向传感器单元焊盘五(5-5)和风速风向传感器单元焊盘十三(5-13)与加热体温度传感器单元(10)的两端相连并为之提供工作电压。
3.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，其特征在于：传感器整体为对称结构，并且各部分也均为对称结构，具体体现在以下几个方面：
一、硅基底(1)和二氧化硅绝缘层(2)均为8000μm×8000μm的中心对称的正方形结构；
二、渗B半导体加热体(3)、渗B半导体加热体焊盘、风速风向传感器单元焊盘、半导体加热电极为中心对称结构；
三、氧化铝绝缘层(7)为中心对称结构；
四、风速风向传感器单元和凹槽为中心对称结构。
4.根据权利要求1所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，其特征在于：其悬臂梁式结构形成方式主要分为以下几个步骤：
步骤一：从本传感器结构的俯视面开始，盐酸腐蚀掉不需要的Al2O3形成凹槽一(12-1)、凹槽二(12-2)、凹槽三(12-3)、凹槽四(12-4)；
步骤二：用HF酸腐蚀掉不需要的SiO2形成凹槽五(12-5)、凹槽六(12-6)、凹槽七(12-7)、凹槽八(12-8)；
步骤三：用EPW腐蚀剂腐蚀掉不需要的Si形成凹槽九(12-9)、凹槽十(12-10)、凹槽十一(12-11)、凹槽十二(12-12)；
步骤四：在硅基底(1)的底部，用EPW腐蚀剂从底部腐蚀掉6000×6000×(180～280)μm3大小的长方体，形成凹槽十三(12-13)。
5.根据权利要求1或2所述的一种渗B半导体加热的高精度风速风向集成传感器，其特征在于：风速风向传感器单元和加热体温度传感器单元(10)，这9个传感器单元分布在2000μm×2000μm的加热体单元上。
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