基于差分热敏电容的风速风向传感器及检测装置的制作方法

1.本技术涉及测量测试技术领域，特别是涉及一种基于差分热敏电容的风速风向传感器、风速风向检测装置、电子设备及风速风向传感器的制备方法。


背景技术：

2.随着物联网信息和集成电路的快速发展，风速风向监测的需求正逐渐增加，从传统的气象预报、交通旅游、航空航天等领域逐渐扩大到城市建设、农业生产等领域。应用领域的扩大导致了对低成本、低功耗、小型化风速风向传感器的需求进一步扩大，而mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)风速风向传感器正满足了相应的需求。
3.目前，mems风向传感器分为热式和非热式。其中，非热式风速风向传感器一般具有可动的机械结构，可靠性较低；热式的风速风向传感器可靠性相对更高。但是，热式的风速风向传感器多采用测温电阻作为测温元件，使得传感器的功耗较大。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种低功耗的基于差分热敏电容的风速风向传感器、风速风向检测装置、电子设备及风速风向传感器的制备方法。
5.一种基于差分热敏电容的风速风向传感器，包括：
6.衬底；
7.设置于所述衬底的绝缘层；
8.设置于所述绝缘层的加热元件和多个感应元件；
9.所述感应元件对称分布于所述加热元件周围，所述感应元件包括热敏电容和用于连接外部电路的引线电极，所述引线电极与所述热敏电容连接。
10.在其中一个实施例中，所述热敏电容的数量为四个，四个所述热敏电容以所述加热元件为中心，均等围绕分布在所述加热元件四周，且相邻两所述热敏电容正交。
11.在其中一个实施例中，所述热敏电容为叉指电容。
12.在其中一个实施例中，基于差分热敏电容的风速风向传感器还包括用于连接外部电路的两个引脚电极，两个所述引脚电极沿所述热敏电容的对角线方向排布且与所述加热元件连接。
13.在其中一个实施例中，所述加热元件为加热电阻丝，所述加热电阻丝呈盘旋状排布于所述绝缘层上，所述加热电阻丝两端留有接头，两所述接头分别连接对应的所述引脚电极。
14.在其中一个实施例中，所述衬底为硅衬底。
15.一种风速风向检测装置，包括：处理电路以及如上述的风速风向传感器；所述风速风向传感器用于感应风的应力，并输出对应的应力信号；所述处理电路与所述风速风向传感器连接，根据所述应力信号确定对应的风速和风向信息。
16.一种电子设备，包括如上述的风速风向检测装置。
17.一种风速风向传感器的制备方法，所述方法包括：
18.提供衬底；
19.在所述衬底上制备初始绝缘层；
20.在所述初始绝缘层上形成加热元件和热敏电容；所述热敏电容对称分布于所述加热元件周围；
21.淀积所述初始绝缘层，并进行平坦化处理得到绝缘层；
22.在所述绝缘层旋涂光刻胶，以光刻胶为掩膜刻蚀引线孔；
23.对刻蚀引线孔后的绝缘层溅射金属，并剥离多余金属，得到引线电极。
24.在其中一个实施例中，所述在所述初始绝缘层上形成加热元件和热敏电容，包括：
25.在所述初始绝缘层淀积热敏电容电介质材料，旋涂光刻胶，光刻并刻蚀形成热敏电容金属电极和加热元件的绝缘衬底；
26.对所述热敏电容金属电极和加热元件的绝缘衬底溅射淀积金属，得到所述热敏电容金属电极和所述加热元件；
27.对所述热敏电容金属电极采用化学机械抛光去除多余的金属，旋涂光刻胶，光刻并刻蚀掉多余的电介质材料，得到热敏电容。
28.上述基于差分热敏电容的风速风向传感器、风速风向检测装置、电子设备及风速风向传感器的制备方法，该风速风向传感器包括衬底；设置于所述衬底的绝缘层；设置于绝缘层的加热元件和多个感应元件；感应元件对称分布于加热元件周围，感应元件包括热敏电容和用于连接外部电路的引线电极，引线电极与热敏电容连接。通过将多个热敏电容对称设置于加热元件周围，形成差分热敏电容结构，风吹过时，加热元件产生的热场分布随风发生偏移，形成温度梯度，各热敏电容灵敏地测量该温度梯度即可得到相应的风速分量。充分利用了热敏电容测量灵敏度高和测量温度范围广等本征属性，提高风速风向传感器的测量精度，降低了传感器的能耗。并且通过采用热敏电容来测量风速，摒除了复杂的机械式电容结构，使该传感器结构简单，可靠性提高。
附图说明
29.图1为一个实施例中基于差分热敏电容的风速风向传感器的结构俯视示意图；
30.图2为一个实施例中基于差分热敏电容的风速风向传感器的结构剖视示意图；
31.图3为一个实施例中风速风向检测装置的结构框图；
32.图4为一个实施例中风速风向传感器的制备方法的流程示意图；
33.图5为一个实施例中在初始绝缘层上形成加热元件和热敏电容的流程示意图。
具体实施方式
34.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
35.风能作为清洁无污染和可持续发展的能源一直是资源开放利用的重点。风速、风向是反应风影响的气象情况的重要参数，在航空航天、工农业生产、气象预报、气候分析等领域应用广泛，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响。只有快准确测量出风速
和风向，才能更好的利用风能，因此风速风向测定具有重要的现实意义。
36.传统的，用于测量风速和风向的传感器感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。而风向传感器的变换器为码盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动，产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。传感器的变换器可采用精密导电塑料电位器，从而在电位器活动端产生变化的电压信号输出。这种风速风向传感器的价格相对昂贵，几千到几万不等，有的结合风速风向传感器的一体化气象站的价格可高达几百万。在实际应用中，研发体积小、重量轻、价格低廉、适合公众应用的风速风向传感器迫在眉睫。
37.近年来，微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)作为一种先进的制造技术平台，将微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常控制在毫米或微米级，已经涉及应用在微电子、材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域中的微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。微电子技术的主要内容有：氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术适合于制作某些压力传感器、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等。
38.基于mems加工技术的热式风速风向传感器是测试处于通电状态下传感器因风而冷却产生的电阻变化，由此测试风速。除携带容易方便外，其成本性能比高，作为风速计的标准产品广泛地被采用。但是，热式的风速风向传感器多采用测温电阻作为测温元件，使得传感器的功耗较大。
39.基于上述问题，在一个实施例中，提供了一种基于差分热敏电容的风速风向传感器，如图1所示，该风速风向传感器包括：衬底、设置于衬底的绝缘层2、设置于绝缘层2的加热元件3和设置于绝缘层2的多个感应元件。感应元件对称分布于加热元件3周围，感应元件包括热敏电容4和用于连接外部电路的引线电极5，引线电极5与热敏电容4连接。
40.本实施例中，热敏电容4的两端分别具有一引线电极5，每一热敏电容4的两个引线电极5分别连接外部电路，各热敏电容4的容值随着温度的变化而变化，外部连路通过采样各热敏电容4的容值确定风速和风向。外部电路的结构不需要限定，本领域技术人员参照现有技术能够实现即可。
41.具体的，该风速风向传感器工作时，加热元件3通电产生焦耳热，使传感器温度高于环境温度。无风状态下，由于多个热敏电容4对称分布于加热元件3周围，传感器表面形成均匀对称分布的热场，各热敏电容4所处位置的温度值相同，因此，各热敏电容4的感应值相等。当风吹过时，加热元件3周围的中心对称的温度场随风向及风速发生偏移，形成温度梯度，处于上风向的热敏电容4和处于下风向的热敏电容4的容值将发生不同的变化，从而通过各热敏电容4测量该温度梯度即可得到相应的风速分量，之后，外部电路可以利用矢量合成的方法计算出风速和方向，从而通过差分热敏电容结构实现对风速和风向灵敏地检测。
42.上述基于差分热敏电容的风速风向传感器，包括衬底；设置于衬底的绝缘层2；设置于绝缘层2的加热元件3和多个感应元件；感应元件对称分布于加热元件3周围，感应元件包括热敏电容4和用于连接外部电路的引线电极5，引线电极5与热敏电容4连接。通过将多个热敏电容4对称设置于加热元件3周围，风吹过时，加热元件3产生的热场分布随风发生偏
移，形成温度梯度，各热敏电容4灵敏地测量该温度梯度即可得到相应的风速分量。充分利用热敏电容测量灵敏度高和测量温度范围广等本征属性，从而提高了风速风向传感器的灵敏度、测量精度和可靠性，降低了传感器的能耗。并且通过采用热敏电容来测量风速，摒除了复杂的机械式电容结构，使该传感器结构简单，体积小，成本较低，易于批量加工生产。
43.上述衬底的材料可以根据实际需要选择，如陶瓷、玻璃、碳化硅、氮化镓等。在一个实施例中，衬底为硅衬底。硅衬底具有晶体质量高,尺寸大,成本低,易加工,导电性、导热性和热稳定性良好，使基于硅衬底的风速风向传感器性能优良，成本低。
44.进一步地，绝缘层2的材料可以根据需求选取，如在硅衬底上采用热氧化工艺制备二氧化硅绝缘层或采用淀积工艺制备如氮化硅等其他材料的绝缘层，不需要限定。
45.可以理解的，热敏电容4的数量可以根据实际需要选择，根据热敏电容4数量的不同，多个热敏电容4组成的形状也会不同。多个热敏电容4以加热元件3为中心，对称分布于加热元件3周围，形成差分热敏电容结构。
46.在一个实施例中，热敏电容4的数量为四个，四个热敏电容4以加热元件3为中心，均等围绕分布在加热元件3四周，且相邻两热敏电容4正交。
47.本实施例中，加热元件3可以位于芯片衬底的中心，四个热敏电容4与加热元件3位于同一平面，被绝缘层2包裹，且以加热元件3为中心旋转对称分布，旋转角度为90度，两两平行的热敏电容4构成一组，两组热敏电容4相互正交。从而构成差分热敏电容结构的风速风向传感器。有风吹过时，热场分布随风向以及风速发生偏移，在两组热敏电容4所处的相互正交的方向上形成温度梯度，测量该温度梯度即可得到相应的风速分量。因此，通过测量两对热敏电容4因温度梯度产生的电容差值就可以得到相应的风场信息，测量值准确可靠。
48.在一个实施例中，基于差分热敏电容的风速风向传感器还包括用于连接外部电路的两个引脚电极6，两个引脚电极6沿热敏电容4的对角线方向排布且与加热元件3连接。
49.两组热敏电容4相互正交后构成方形，两个引脚电极6沿着该方形的对角线方向排布，分别位于两个相邻的热敏电容4之间。在实际应用时，外部电路通过两个引脚电极6控制加热元件3发热或停止发热。
50.两个引脚电极6具体可以延伸至衬底1的边沿，便于芯片封装。进一步地，该风速风向传感器芯片为方形，加热元件3位于芯片的中心，每一热敏电容4平行于芯片的一个边沿；每一热敏电容4的两个引线电极5延伸到芯片的边沿，且两个引线电极5所在的直线与该边沿平行。两个引脚电极6可以延伸至与对角线两侧的两个引线电极5处于同一直线。
51.在一个实施例中，加热元件3为加热电阻丝，加热电阻丝呈盘旋状排布于绝缘层2上，加热电阻丝两端留有接头，两接头分别连接对应的引脚电极6。
52.外部电路通过两个引脚电极6控制加热电阻丝，加热电阻丝在电流经过时产生热量，以形成热场。其结构简单，不易氧化，使用寿命长，从而使用该加热电阻丝的风速风向传感器不易发生故障，可靠性较高。
53.在一个实施例中，热敏电容为叉指电容。
54.需要说明的，热敏电容也可以为平板电容，但是平板电容的实现工艺难度较大。本实施例中选用叉指电容，使该其可以在二维平面实现，实现工艺更简单，体积更小。
55.参照图2，热敏电容4包括电极41、热敏电容电介质42，引线电极5与热敏电容电介质42连接。热敏电容电介质42可以选用温度敏感的电介质材料，其介电常数随温度单调变
化的材料，其电容值决定式为：
[0056][0057]
其中c为电容值，ε为电介质的介电常数，d为叉指电容间距，s为叉指电容面积，ε随温度发生单调变化。
[0058]
当无风时，加热元件3周围分布形成中心对称的温度场，四个热敏电容4所在位置具有相同的温度，四个热敏电容4的电介质42的介电常数相等，电容值也相等，两组热敏电容4的电容值差值为零。当有风吹过，由于不同的换热系数，导致下游温度高于上游温度，每组中的两个热敏电容4存在差值，通过两组热敏电容4可分别测量两个正交方向上的风速分量，之后利用矢量合成原理即可得到风速、风向信息，完成对风速和风向的检测。
[0059]
本技术提供的基于差分热敏电容的风速风向传感器，采用热敏电容测量温度梯度，可有效提高测量灵敏度和可靠性，降低传感器的功耗。该风速风向传感器结构简单、体积小、成本较低、易于批量加工生产。
[0060]
在一个实施例中，如图3所示，提供一种风速风向检测装置，包括基于差分热敏电容的风速风向传感器100和处理电路200，风速风向传感器100用于感应风的应力，并输出对应的应力信号；处理电路200与风速风向传感器100连接，根据应力信号确定对应的风速和风向信息。该风速风向检测装置的灵敏度、测量精度和可靠性高，能耗更低，且结构简单，体积小，成本较低，易于批量加工生产。
[0061]
在一个实施例中，风速风向传感器100包括：衬底；设置于衬底的绝缘层；设置于绝缘层的加热元件和多个感应元件；感应元件对称分布于加热元件周围，感应元件包括热敏电容和用于连接外部电路的引线电极，引线电极与热敏电容连接。
[0062]
在一个实施例中，热敏电容的数量为四个，四个热敏电容以加热元件为中心，均等围绕分布在加热元件四周，且相邻两热敏电容正交。
[0063]
在一个实施例中，热敏电容为叉指电容。
[0064]
在一个实施例中，风速风向传感器100还包括用于连接外部电路的两个引脚电极，两个引脚电极沿热敏电容的对角线方向排布且与加热元件连接。
[0065]
在一个实施例中，加热元件为加热电阻丝，加热电阻丝呈盘旋状排布于绝缘层上，加热电阻丝两端留有接头，两接头分别连接对应的引脚电极。
[0066]
在一个实施例中，衬底为硅衬底。
[0067]
在一个实施例中，风速风向检测装置还可以包括显示电路，显示电路与处理电路200连接，处理电路200用于控制显示电路根据风速和风向信息进行显示。从而使用户及时了解到当前风速和风向，以便采取对应的措施。
[0068]
在一个实施例中，提供一种电子设备，包括风速风向检测装置，以实现精确、灵敏地对风速和风向的检测。风速风向检测装置可以参数上述各实施例进行设置，不再赘述。
[0069]
在一个实施例中，如图4所示，提供一种风速风向传感器的制备方法，用于制备如上述的基于差分热敏电容的风速风向传感器，该方法包括：
[0070]
步骤100，提供衬底。
[0071]
本实施例中，衬底可以选用硅衬底，硅衬底具有晶体质量高,尺寸大,成本低,易加工,导电性、导热性和热稳定性良好，使基于硅衬底的风速风向传感器性能优良，成本低。
[0072]
步骤200，在衬底上制备初始绝缘层。
[0073]
本实施例中，在硅衬底上制备的初始绝缘层，满足根据实际需要设定的初始条件，初始条件可以包括预设材料、预设形状、预设尺寸等。制备方式可以结合实际情况选择，如在硅衬底上采用热氧化工艺制备二氧化硅绝缘层或采用淀积工艺制备如氮化硅等其他材料的绝缘层。
[0074]
步骤300，在初始绝缘层上形成加热元件和热敏电容，热敏电容对称分布于加热元件周围。
[0075]
在一个实施例中，如图5所示，步骤300包括步骤301、步骤302和步骤303。
[0076]
步骤301，在初始绝缘层淀积热敏电容电介质材料，旋涂光刻胶，光刻并刻蚀形成热敏电容金属电极和加热元件的绝缘衬底。
[0077]
步骤302，对热敏电容金属电极和加热元件的绝缘衬底溅射淀积金属，得到热敏电容金属电极和加热元件。
[0078]
步骤303，对热敏电容金属电极采用化学机械抛光去除多余的金属，旋涂光刻胶，光刻并刻蚀掉多余的电介质材料，得到热敏电容。
[0079]
其中，热敏电容对称分布于加热元件周围。具体的，加热元件可以在初始绝缘层的中心，热敏电容的数量为多个，分别以加热元件为中心，均等围绕分布在加热元件四周。在步骤300之前，加热元件和各热敏的位置均已确定，分别在对应的位置处进行淀积电解质材料、旋涂光刻胶、溅射淀积金属等操作，得到热敏电容和加热元件。
[0080]
在一个实施例中，热敏电容的数量为四个，四个热敏电容以加热元件为中心，均等围绕分布在加热元件四周，且相邻两热敏电容正交。从而构成的差分热敏电容结构的风速风向传感器，使得风速风向的测量值更准确可靠。
[0081]
步骤400，淀积初始绝缘层，并进行平坦化处理得到绝缘层。
[0082]
参照初始绝缘层，淀积二氧化硅或氮化硅等材料的绝缘层，平坦化，得到绝缘层。绝缘层可以符合预设目标条件，预设目标条件可以包括预设材料、预设形状、预设尺寸等。
[0083]
步骤500，在绝缘层旋涂光刻胶，以光刻胶为掩膜刻蚀引线孔。
[0084]
步骤600，对刻蚀引线孔后的绝缘层溅射金属，并剥离多余金属，得到引线电极。
[0085]
引线电极的数量也为多个，每个热敏电容的两端连接一引线电极，引线电极用于连接外部电路。感应元件包括热敏电容和对应的引线电极，多个感应元件对称分布于加热元件周围，形成差分热敏电容结构。
[0086]
可以理解的，引线孔还可以包括引脚电极以及连通引脚电极和加热元件的导线孔，溅射金属，并剥离多余金属后，还可以得到与加热元件连接的引脚电极。
[0087]
通过该风速风向传感器的制备方法得到的风速风向传感器的灵敏度、测量精度和可靠性更高，能耗更低，且结构简单，体积小，成本较低，易于批量加工生产。
[0088]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0089]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护
范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。