[发明专利]一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制作方法

说明书

本发明涉及一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制作方法，传感器芯片采用球形外壳封装结构，利用管道将环境风速分解为三个正交方向风速分量，并引导至传感器表面，对于水平方向的风速分量，利用中心加热元件形成温度场，热传感测温元件进行上下游温度测量，所测对应的温度差可以得到对应的风速分量信息；对于竖直方向的风速分量，采用机械原理进行测量，利用吹过方形薄板的风速使得方形薄板发生弯曲造成压敏电阻阻值变化，从而得到竖直方向风速信息，水平方向和竖直方向风速信息结合分析，可以获知外部环境三维风速风向信息。本发明可有效检测三维风速风向，并且解决了三维风速风向传感器的封装问题。

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制作方法。

背景技术

风速风向传感器广泛应用于气象预警、工程机械、智慧农业、机场高速公路风速监测、风力发电场等领域。目前，二维风速风向传感器发展比较成熟，但是对于三维风速风向的测量除超声风速传感器外，很难实现，但是超声风速风向传感器价格昂贵，体积较大。三维风速风向传感器的主要技术瓶颈在于目前提出的三维风速风向传感器结构，都难以进行封装，圆片裸露外界环境，很容易受到污染和破坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器及其制作方法，其通过将外界环境的风速分解为三个正交方向分量引导至传感器测量元件表面分别测量，以获得外部环境三维风速风向信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于MEMS技术的三维风速风向传感器，包括方形的传感器芯片，位于传感器芯片正面设置有两组相互垂直的一维风速风向传感器，所述的一维风速风向传感器具有中心加热元件、以中心加热元件为对称轴对称分布的热传感测温元件，传感器芯片正面还设有方形薄板，方形薄板根部通过悬臂梁支撑，在悬臂梁根部设置有压敏电阻；传感器芯片的背面具有长方形空腔，长方形空腔的面积覆盖两组一维风速风向传感器和方形薄板所在区域，方形薄板四周开设有U型镂空。

所述的传感器芯片外围包覆有球形外壳，球形外壳中分布有三条互不交叠、可将三维方向的风引导至对应的传感器测量元件表面的中空管道。

上述三维风速风向传感器中，一维风速风向传感器的中心加热元件用于加热传感器芯片，使传感器芯片温度高于环境温度，热传感测温元件用于测量传感器芯片的上下游温度。在无风情况下，传感器芯片表面形成对称分布温度场，热传感器测温元件测量的温度相等；在有风情况下，传感器芯片表面温度平衡被打破，热传感测温元件测量的温度不等，得到上下游温度差，对温度差值进行信号处理，可以得到对应的风速大小。

上述三维风速风向传感器中，方形薄板在无风情况下发生微小弯曲，压敏电阻获得初始值；在有风情况下，方形薄板在风压作用下向着风速方向发生弯曲，通过测量压敏电阻的阻值可以得到对应的风速信息。

上述三维风速风向传感器采用球形外壳封装，利用正交方向的中空管道将环境风速引导至传感器测量元件表面，通过测量水平方向风速分量和竖直方向风速分量，可以得到外部环境风速信息。

一种上述基于MEMS技术的三维风速风向传感器的制作方法，具有如下步骤：

a、在SOI圆片的上表面生长一层二氧化硅层，对二氧化硅层进行光刻、刻蚀，形成压敏电阻扩散区，使用扩散或离子注入法，形成压敏电阻，去除光刻胶和二氧化硅层；

b、在SOI圆片的上表面生长一层栅氧化层，在栅氧化层上表面淀积多晶硅，并注入硼离子，刻蚀多晶硅，形成中心加热元件和热传感测温元件的一端；

c、在栅氧化层上表面淀积氧化层，该氧化层覆盖住中心加热元件和热传感测温元件的一端，利用深反应离子刻蚀氧化层形成通孔；

d、利用蒸发或溅射工艺制备热传感测温元件的另一端以及电引出焊盘；