專(zhuān)利名稱(chēng)：圓形硅膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，利用電阻抗斷層成像(EIT)測(cè)量原理進(jìn) 行傳感計(jì)算，以圓形半導(dǎo)體硅薄膜作為傳感薄膜?；跓釗p失方式工作，以熱分布變化所產(chǎn) 生的半導(dǎo)體硅薄膜電阻率分布的變化計(jì)算風(fēng)速大小和風(fēng)的方向。
背景技術(shù)：
風(fēng)速風(fēng)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(shù)風(fēng)速 風(fēng)向傳感器采用集總參數(shù)的測(cè)量方法，例如，檢測(cè)熱敏電阻變化或平板電容變化的方法。無(wú) 法直接定量表示傳感結(jié)構(gòu)面上各點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向。半導(dǎo)體材料具有溫度特性，對(duì)于具有原始熱分布的半導(dǎo)體薄膜，在薄膜面上的空 氣流動(dòng)必然導(dǎo)致熱分布變化，進(jìn)而引起半導(dǎo)體薄膜電阻率分布的變化，通過(guò)檢測(cè)薄膜上各 點(diǎn)電阻率變化的大小和位置，可以計(jì)算得到風(fēng)速的大小和風(fēng)向。電阻抗斷層成像(EIT)技術(shù)采用電流激勵(lì)/電壓測(cè)量，并通過(guò)成像算法計(jì)算待檢 測(cè)材料的電阻率分布。利用EIT技術(shù)計(jì)算傳感薄膜材料電阻率分布變化，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向傳感計(jì)算的 傳感器結(jié)構(gòu)。利用整個(gè)傳感薄膜材料電阻率分布的變化對(duì)外界物理量進(jìn)行傳感表征，可以 反映傳感薄膜材料面上任意點(diǎn)的電阻率參數(shù)的變化。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明提出了一種二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)，該傳感器以圓形的半導(dǎo) 體硅薄膜為傳感材料，利用EIT技術(shù)計(jì)算傳感薄膜材料電阻率分布變化，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)速風(fēng) 向傳感計(jì)算。技術(shù)方案本發(fā)明提出的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器利用硅薄膜各點(diǎn)熱損失不同引起熱 分布變化，進(jìn)而導(dǎo)致電阻率變化的原理測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。其結(jié)構(gòu)特征在于采用圓形的半導(dǎo) 體硅薄膜作為傳感面，傳感器的最下層是半導(dǎo)體硅襯底，在硅襯底上設(shè)置一排發(fā)熱電阻，在 具有發(fā)熱電阻的硅襯底之上設(shè)置二氧化硅絕緣層，在二氧化硅絕緣層之上設(shè)置半導(dǎo)體硅薄 膜，金屬電極沿著圓形的半導(dǎo)體硅薄膜邊界一周均勻分布；由發(fā)熱電阻產(chǎn)生的熱量形成圓 形的半導(dǎo)體硅薄膜電阻率的初始分布，流動(dòng)的空氣移動(dòng)了熱量并導(dǎo)致矩形的半導(dǎo)體硅薄膜 電阻率分布發(fā)生變化，利用熱分布變化引起半導(dǎo)體薄膜電阻率分布變化的原理測(cè)量風(fēng)速和 風(fēng)向。其傳感原理是在具有初始熱分布的圓形半導(dǎo)體硅薄膜傳感面上的空氣流動(dòng)導(dǎo)致 熱分布變化，進(jìn)而引起電阻率分布的變化，通過(guò)檢測(cè)電阻率變化大小和位置計(jì)算得到氣流 的大小和方向。具有傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。工作時(shí)，首先通過(guò)兩個(gè)發(fā)熱電阻連接電極對(duì)襯底上的發(fā)熱電阻施加電流產(chǎn)生熱 量，使得半導(dǎo)體硅薄膜形成初始電阻率分布。當(dāng)有空氣流過(guò)半導(dǎo)體硅薄膜表面時(shí)，因?yàn)闊崃?的流失將使熱場(chǎng)分布發(fā)生變化，并既而使半導(dǎo)體硅薄膜各點(diǎn)的載流子濃度發(fā)生變化，產(chǎn)生
3電阻率分布的變化。根據(jù)各點(diǎn)電阻率的大小定量計(jì)算風(fēng)速大小和風(fēng)向。有益效果本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)在于傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)加工工藝的靈敏度低。因?yàn)?采用電阻率分布變化來(lái)檢測(cè)風(fēng)速和方向，因此，是對(duì)于變化的相對(duì)值進(jìn)行檢測(cè)。不同于傳統(tǒng) 的基于特定點(diǎn)的參數(shù)采樣或者對(duì)集總參數(shù)采樣的傳感方式，它能夠真實(shí)地反映傳感面上場(chǎng) 的分布情況，因?yàn)槭菍?duì)整個(gè)傳感區(qū)(面)進(jìn)行計(jì)算，因此，制作誤差被平均化，減小了系統(tǒng)誤 差。同時(shí)，本底電阻率分布可以作為基本參考，將實(shí)測(cè)分布與其進(jìn)行相減，可以完全濾出初 始工藝誤差?；谒惴ǖ男畔⑻幚矸椒ǜ讓?shí)現(xiàn)智能化。


圖1是傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1中A-A斷面圖，圖3是圖1中B-B斷面圖。其中有半導(dǎo)體硅襯底101，發(fā)熱電阻102，二氧化硅絕緣層103 ；圓形的半導(dǎo)體硅 薄膜104 ;16個(gè)電流激勵(lì)和電壓檢測(cè)的金屬電極105，發(fā)熱電阻的連接電極106，發(fā)熱電阻的 連接電極引線(xiàn)孔107。
具體實(shí)施例方式采用圓形的半導(dǎo)體硅薄膜104作為傳感面。圖1給出了傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。傳感 器的最下層是半導(dǎo)體硅襯底101，在硅襯底101上制作發(fā)熱電阻102(圖中虛線(xiàn)繪制的折彎 型圖形)，在具有發(fā)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(dǎo)體硅薄膜104。半導(dǎo)體硅薄膜104形狀為圓形，沿著圓形邊界一周均勻分布 著16個(gè)即可用于電流激勵(lì)也可用于電壓測(cè)量的由金屬制作的測(cè)試電極。本發(fā)明的傳感器有多種制作方法，這里以采用常規(guī)半導(dǎo)體器件工藝制作本發(fā)明的 傳感器進(jìn)行說(shuō)明。其中的圓形半導(dǎo)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(dǎo)體硅片101。熱生長(zhǎng)300納米厚度的氧化層后通過(guò)光刻工藝形 成發(fā)熱電阻102圖形。采用離子注入或熱擴(kuò)散方法在發(fā)熱電阻102圖形區(qū)域摻入P型雜質(zhì)， 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(zhǎng)500 納米氧化層103。采用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)淀積1微米左右的多晶硅，對(duì)多晶硅進(jìn)行P型 摻雜，摻雜濃度控制在5E18/cm3左右。采用光刻工藝形成圓形P型半導(dǎo)體薄膜104。采用 光刻工藝制作發(fā)熱電阻的引線(xiàn)孔107。采用濺射工藝在表面沉積一層金屬鋁，光刻形成16 個(gè)金屬電極105和2個(gè)發(fā)熱電阻的連接電極106。
權(quán)利要求
一種圓形硅膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于采用圓形的半導(dǎo)體硅薄膜(104)作為傳感面，傳感器的最下層是半導(dǎo)體硅襯底(101)，在硅襯底(101)上設(shè)置一排發(fā)熱電阻(102)，在具有發(fā)熱電阻(102)的硅襯底(101)之上設(shè)置二氧化硅絕緣層(103)，在二氧化硅絕緣層(103)之上設(shè)置半導(dǎo)體硅薄膜(104)，金屬電極(105)沿著圓形的半導(dǎo)體硅薄膜(104)邊界一周均勻分布；利用熱分布變化引起半導(dǎo)體薄膜電阻率分布變化的原理測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。
2.如權(quán)利要求1所述的圓形硅膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于所述的金屬電極(105)有16 個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明提出的圓形硅膜二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用圓形的半導(dǎo)體硅薄膜作為傳感面，采用圓形的半導(dǎo)體硅薄膜(104)作為傳感面，傳感器的最下層是半導(dǎo)體硅襯底(101)，在硅襯底(101)上設(shè)置一排發(fā)熱電阻(102)，在具有發(fā)熱電阻(102)的硅襯底(101)之上設(shè)置二氧化硅絕緣層(103)，在二氧化硅絕緣層(103)之上設(shè)置半導(dǎo)體硅薄膜(104)，金屬電極(105)沿著圓形的半導(dǎo)體硅薄膜(104)邊界一周均勻分布；利用熱分布變化引起半導(dǎo)體薄膜電阻率分布變化的原理測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。
文檔編號(hào)G01P13/02GK101980026SQ20101050159
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者李偉華 申請(qǐng)人:東南大學(xué)