[发明专利]一种基于键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法，具有传感器芯片，所述的传感器芯片包括二氧化硅绝热层，二氧化硅绝热层内部分布有硅柱，二氧化硅绝热层背面对应所述硅柱位置设有分别中心测温元件、加热元件和上下游测温元件，其中中心测温元件位于二氧化硅绝热层中心位置，加热元件以中心测温元件为中心四周分布形成中心对称结构，上下游测温元件以中心测温元件为中心四周分布形成中心对称结构，且上下游测温元件位于加热元件的外围。本发明利用键合工艺在二氧化硅绝热层中形成硅柱结构，可有效隔绝热量的横向传输损耗，降低传感器功耗，在环境温度变化时，芯片的材料特性变化降低，从而有效抑制了传感器输出结果的温度漂移。

技术领域

本发明涉及一种基于键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法。

背景技术

风速风向传感器在工程机械、气象预警、智慧农业、风力发电等领域有广泛应用。热式风速风向传感器具有响应时间快、可批量化制造、尺寸小等优点，广泛应用于日常生产生活中。但是由于利用热学原理进行检测，传感器中各材料参数随环境温度变化显著，传感器的温漂特性明显，严重影响传感器的测量精度。

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，本发明提供一种可有效抑制温度漂移、提高测量精度的基于键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于键合工艺的热式风速风向传感器，具有传感器芯片，所述的传感器芯片包括二氧化硅绝热层，二氧化硅绝热层内部分布有硅柱，二氧化硅绝热层背面对应所述硅柱位置设有分别中心测温元件、加热元件和上下游测温元件，其中中心测温元件位于二氧化硅绝热层中心位置，加热元件以中心测温元件为中心四周分布形成中心对称结构，上下游测温元件以中心测温元件为中心四周分布形成中心对称结构，且上下游测温元件位于加热元件的外围。

所述的二氧化硅绝热层正面具有覆盖于硅柱上端面的二氧化硅薄层，这样既不影响传感器芯片表面热量分布，又可以实现传感器芯片的自封装。

所述的二氧化硅绝热层四周边排列设有分别线路连接中心测温元件、加热元件和上下游测温元件的焊盘。

上述热式风速风向传感器芯片中，四个中心对称分布的加热元件用于加热风速风向传感器芯片，使风速风向传感器芯片温度高于环境温度。中心测温元件用于测量风速风向传感器芯片的中心温度。四个位于二氧化硅绝热层边缘分布的上下游测温元件用于测量由于风速引起的风速风向传感器芯片上下游温度差。无风状态下，四个加热元件加热形成的热场，在二氧化硅绝热层表面对称分布，上下游测温元件电阻阻值相等；有风状态下，对称分布的热场会被打破，二氧化硅绝热层上游温度低于下游温度，上下游测温元件存在阻值差异，对测温电阻输出信号进行处理，可以得到与外界环境对应的风速风向信息。

上述热式风速风向传感器芯片中，由于二氧化硅的热导率比硅的热导率低两个量级以上，因此加热元件产生的热量几乎全部由硅柱传至二氧化硅绝热层表面，避免了热量的横向传递损耗，降低了传感器功耗。

上述热式风速风向传感器中，由加热元件产生的热量在二氧化硅绝热层表面形成温度分布，二氧化硅绝热层边缘位置的温度，通过硅柱进行热量传递，由四个上下游测温元件获得对应的温度信息。

上述热式风速风向传感器中，二氧化硅绝热层绝大部分为二氧化硅，且二氧化硅的热导率随环境温度变化率远低于硅热导率的温度变化率，因此该传感器结构具有更好的温漂抑制性。

一种上述热式风速风向传感器的制备方法，具有如下步骤：

a、清洗硅圆片，在硅圆片表面旋涂光刻胶层，并曝光进行图形化，露出需要刻蚀的硅衬底；

b、刻蚀掉硅圆片的硅衬底部分，形成硅柱；

c、利用键合工艺，将二氧化硅绝热层与带有硅柱的硅圆片进行键合；