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專(zhuān)利名稱(chēng)：基于微機(jī)械技術(shù)的電容非熱式流速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械(MEMS)非熱式流速傳感器，尤其是一種利用MEMS技術(shù)加工的葉輪進(jìn)行檢測(cè)流速的傳感器。
背景技術(shù)：
流體測(cè)量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研、航空等部門(mén)都有重要的應(yīng)用，其中流速流量測(cè)量作為流體測(cè)量中重要的組成部分，已經(jīng)發(fā)展了很多年。先后出現(xiàn)了風(fēng)杯測(cè)量、皮托管測(cè)量、浮子測(cè)量、力學(xué)測(cè)量、聲學(xué)測(cè)量、光學(xué)測(cè)量、傳熱學(xué)測(cè)量、電磁測(cè)量等測(cè)量方法。基于MEMS加工技術(shù)的微型流速傳感器具有體積小，價(jià)格低，產(chǎn)品一致性好的特點(diǎn)，是近幾年來(lái)流體傳感器研究的熱點(diǎn)。VanPutten(人名)在1974年提出了第一個(gè)基于硅微加工技術(shù)的流量傳感器，這個(gè)傳感器的工作原理是基于傳熱學(xué)的，即通過(guò)測(cè)量流體流動(dòng)引起的熱場(chǎng)變化來(lái)測(cè)量流速信息。經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，現(xiàn)在熱式微流體傳感器已經(jīng)成為主流，特別是在風(fēng)速計(jì)領(lǐng)域。但是，熱式微流速傳感器也有其固有的缺點(diǎn)。例如功耗大、襯底的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致測(cè)量誤差、零點(diǎn)隨環(huán)境溫度漂移、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等。另外，因?yàn)橐獙?duì)流體加熱，所以就限制了熱式微流體傳感器在生物方面的應(yīng)用。非熱式微流體傳感器則可以克服上述缺點(diǎn)。Kersjes(人名)提出了測(cè)量壓差的方法、Oosterbroek(人名)提出了測(cè)量壓降的方法、Svedin(人名)提出過(guò)測(cè)量升力的方法、Ng(人名)提出過(guò)測(cè)量粘滯力的方法。目前，基于非熱式原理的流速傳感器共同的缺點(diǎn)就是量程小以及線(xiàn)性度不好。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種基于微機(jī)械技術(shù)的電容非熱式流速傳感器，該流速傳感器采用電容檢測(cè)方式，具有功耗小、線(xiàn)性范圍大、響應(yīng)快、溫漂小和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)方案本發(fā)明是用于測(cè)量流體流速信號(hào)的葉輪式流速傳感器，由葉輪，轉(zhuǎn)軸和玻璃底座構(gòu)成，葉輪和轉(zhuǎn)軸材料是導(dǎo)電的N型半導(dǎo)體硅，在葉輪底部對(duì)應(yīng)的玻璃上淀積金屬電極，金屬電極和導(dǎo)電的葉輪本身構(gòu)成電容。當(dāng)流體作用于葉輪時(shí)，流體帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪也相對(duì)于玻璃上的電極轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，就會(huì)使葉輪和玻璃上面的電極之間的電容大小產(chǎn)生規(guī)律變化。通過(guò)測(cè)量變化的頻率，就可以得到葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而得到流速信息。即利用電容的頻率變化測(cè)量流體對(duì)葉輪的作用力造成的旋轉(zhuǎn)來(lái)得到流速信息，其制造方法是利用鍵合技術(shù)形成可動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)和葉輪。
有益效果本發(fā)明采用MEMS加工技術(shù)制造，制作方法和結(jié)構(gòu)都較為簡(jiǎn)單，可靠性好。傳統(tǒng)的熱式流體傳感器是通過(guò)設(shè)置加熱部件，再讓流體流經(jīng)加熱部件，測(cè)量熱場(chǎng)的變化或加熱部件的溫度變化來(lái)得到流速信息。由于要對(duì)流體加熱，所以功耗較大、溫度效應(yīng)明顯。本發(fā)明采用力學(xué)原理測(cè)量，通過(guò)測(cè)量流體帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速來(lái)得到流速信息。從而避免了這個(gè)缺陷。傳統(tǒng)的非熱式流速傳感器大多利用伯努力原理測(cè)量壓差或壓降，線(xiàn)性范圍較小。本發(fā)明設(shè)置葉輪來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)檢測(cè)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化，可以得到流速信息。因?yàn)槿~輪隨流速的變化是線(xiàn)性的，所以本發(fā)明可解決了線(xiàn)性范圍小的問(wèn)題。采用電容式結(jié)構(gòu)檢測(cè)，溫度漂移小，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)，檢測(cè)的是電容變化的頻率大小而不是電容變化的絕對(duì)值大小，所以進(jìn)一步提高了靈敏度和抗干擾能力。利用鍵合形成的SOI(絕緣體上硅)硅片來(lái)作為結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)ICP(等離子增強(qiáng)刻蝕)和犧牲層釋放來(lái)形成葉輪和轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，然后再將轉(zhuǎn)軸和玻璃鍵合完成固定和引線(xiàn)。而傳統(tǒng)工藝中一般采用先淀積LTO(低溫二氧化硅)或PSG(磷摻雜的二氧化硅)作為犧牲層，然后釋放犧牲層形成葉輪之間的間隙，這往往會(huì)造成被釋放出來(lái)的結(jié)構(gòu)粘連或不平整，使得器件失效，本發(fā)明采用SOI硅片技術(shù)將克服這一缺陷，大大增強(qiáng)了傳感器的可靠性。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明沿A-A方向的剖面圖，
以上的圖中有玻璃底盤(pán)1，硅頂蓋2，轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)盤(pán)4，葉輪5、電容極板6。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種用葉輪結(jié)構(gòu)測(cè)量流體流速的流速的傳感器。由玻璃底盤(pán)1，硅頂蓋2，轉(zhuǎn)軸3，轉(zhuǎn)盤(pán)4，葉輪5以及電容極板6和引線(xiàn)組成。轉(zhuǎn)軸3是通過(guò)鍵合工藝和底盤(pán)以及頂蓋連接在一起。轉(zhuǎn)軸3、葉輪5和轉(zhuǎn)盤(pán)4的材料是導(dǎo)電的N型半導(dǎo)體硅，通過(guò)雙面三次腐蝕得到，在每個(gè)葉輪5下方對(duì)應(yīng)的玻璃表面淀積金屬極板6，葉輪5本身導(dǎo)電，成為另一塊極板。導(dǎo)電的葉輪5和金屬極板6之間構(gòu)成電容。葉輪5依靠轉(zhuǎn)盤(pán)4和轉(zhuǎn)軸3的接觸從玻璃底盤(pán)1上引線(xiàn)。當(dāng)流體流經(jīng)葉輪5時(shí)，會(huì)帶動(dòng)葉輪5旋轉(zhuǎn)。使葉輪5和玻璃底盤(pán)1上方金屬極板6的交疊面積發(fā)生有規(guī)律的大小變化。變化的頻率和流速成正比。所以，通過(guò)測(cè)量電容由極大變化到極小的頻率，就可以得到流速的信息。
本例傳感器的制作過(guò)程為準(zhǔn)備N(xiāo)型半導(dǎo)體硅片1#和2#；氧化1#和2#并鍵合形成SOI硅片；刻蝕1#形成轉(zhuǎn)盤(pán)4的臺(tái)階；刻蝕1#形成葉輪5的臺(tái)階；ICP刻蝕1#形成轉(zhuǎn)軸3、轉(zhuǎn)盤(pán)4和葉輪5；玻璃1濺射金屬形成電容極板6和引線(xiàn)；玻璃和N型半導(dǎo)體硅片1#鍵合；腐蝕硅片2#形成頂蓋；犧牲層釋放形成可轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪5和轉(zhuǎn)盤(pán)4。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)械技術(shù)的電容非熱式流速傳感器，其特征在于該傳感器由玻璃底盤(pán)(1)，硅頂蓋(2)，轉(zhuǎn)軸(3)，轉(zhuǎn)盤(pán)(4)，葉輪(5)、電容極板(6)所組成；在玻璃底盤(pán)(1)上固定有轉(zhuǎn)軸(3)，在轉(zhuǎn)軸(3)的上部設(shè)有硅頂蓋(2)，在轉(zhuǎn)軸(3)的外側(cè)套有轉(zhuǎn)盤(pán)(4)，在轉(zhuǎn)盤(pán)(4)的外側(cè)固定有葉輪(5)，在玻璃底盤(pán)(1)的上表面設(shè)有電容極板(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)械技術(shù)的電容非熱式流速傳感器，其特征在于葉輪(5)和轉(zhuǎn)軸(3)材料是N型半導(dǎo)體硅。即作為可動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件，也作為測(cè)量電容的一個(gè)電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于微機(jī)械技術(shù)的電容非熱式流速傳感器，其特征在于采用鍵合方法形成可動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)(4)和葉輪(5)。
全文摘要
基于微機(jī)械技術(shù)的電容非熱式流速傳感器是一種利用MEMS技術(shù)加工的葉輪進(jìn)行檢測(cè)流速的傳感器，該傳感器由玻璃底盤(pán)(1)，硅頂蓋(2)，轉(zhuǎn)軸(3)，轉(zhuǎn)盤(pán)(4)，葉輪(5)、電容極板(6)所組成；在玻璃底盤(pán)(1)上固定有轉(zhuǎn)軸(3)，在轉(zhuǎn)軸(3)的上部設(shè)有硅頂蓋(2)，在轉(zhuǎn)軸(3)的外側(cè)套有轉(zhuǎn)盤(pán)(4)，在轉(zhuǎn)盤(pán)(4)的外側(cè)固定有葉輪(5)，在玻璃底盤(pán)(1)的上表面設(shè)有電容極板(6)。葉輪(5)和轉(zhuǎn)軸(3)材料是N型半導(dǎo)體硅。即作為可動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件，也作為測(cè)量電容的一個(gè)電極。該流速傳感器采用電容檢測(cè)方式，具有功耗小、線(xiàn)性范圍大、響應(yīng)快、溫漂小和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P5/00GK1851471SQ200610040600
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者秦明, 魏澤文, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)