专利摘要

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。

权利要求

1.一种基于键合工艺的热式风速风向传感器的制备方法，其特征是：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；

d、采用腐蚀与研磨方法双面减薄上述键合后的结构，其中硅圆片减薄至硅柱的下端面露出二氧化硅绝热层，二氧化硅绝热层减薄至硅柱上端面保留一层薄的二氧化硅；

e、利用溅射工艺，在二氧化硅绝热层背面对应硅柱所在位置，分别制备中心测温元件、加热元件和上下游测温元件。

2.根据权利要求1所述热式风速风向传感器的制备方法，其特征是：步骤c中的键合工艺在真空环境下进行，二氧化硅绝热层在重力作用下流入硅圆片表面的空隙中，键合结束后，进熔炉中进行回流处理。

3.根据权利要求1所述热式风速风向传感器的制备方法，其特征是：步骤d中，减薄二氧化硅绝热层时硅柱上端面所保留的二氧化硅的厚度为10微米。

4.根据权利要求1所述热式风速风向传感器的制备方法，其特征是：步骤e中，溅射工艺所采用的金属为铂。

说明书

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；

d、采用腐蚀与研磨方法双面减薄上述键合后的结构，其中硅圆片减薄至硅柱的下端面露出二氧化硅绝热层，二氧化硅绝热层减薄至硅柱上端面保留一层薄的二氧化硅；

e、利用溅射工艺，在二氧化硅绝热层背面对应硅柱所在位置，分别制备中心测温元件、加热元件和上下游测温元件。

为确保键合效果，步骤c中的键合工艺在真空环境下进行，二氧化硅绝热层在重力作用下流入硅圆片表面的空隙中，键合结束后，进熔炉中进行回流处理。

优选地，步骤d中，减薄二氧化硅绝热层时硅柱上端面所保留的二氧化硅的厚度为10微米。

优选地，步骤e中，溅射工艺所采用的金属为铂。

本发明的有益效果是：本发明利用键合工艺在二氧化硅绝热层中形成硅柱结构，实现芯片上下表面的纵向热量传递，避免了横向热损耗，极大地降低了传感器功耗；传统的热式风速风向传感器一般采用陶瓷衬底或者硅衬底，这两种衬底材料的热导率随环境温度变化率较高，而本发明中二氧化硅绝热层采用的二氧化硅衬底材料的热导率随环境温度变化率低，可以有效降低环境温度变化对传感器芯片材料热物理参数的改变带来的输出结果的温度漂移，提高传感器的环境温度适应性，减小温漂。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明所述传感器芯片的制备流程图。

图中：1.硅圆片 2.光刻胶层 3.硅柱 4.二氧化硅绝热层 6.二氧化硅薄层 7.中心测温元件 8.加热元件 9.上下游测温元件 10.焊盘

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的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4，二氧化硅绝热层4背面设置有一个中心测温元件7、四个加热元件8和四个上下游测温元件9，其中中心测温元件7位于二氧化硅绝热层4中心位置，四个加热元件8以二氧化硅绝热层4的中心为中心周向均布在中心测温元件7的外侧四周，四个上下游测温元件9以二氧化硅绝热层4的中心为中心周向均布在四个加热元件8的外侧四周，且四个上下游测温元件9尽量靠近二氧化硅绝热层4边缘布置。

位于二氧化硅绝热层4内部分布有九个硅柱3，九个硅柱3分别对应所述的中心测温元件7、四个加热元件8和四个上下游测温元件9位置布置，二氧化硅绝热层4正面具有覆盖于硅柱3上端面的二氧化硅薄层6；该二氧化硅薄层6厚度远低于硅柱3高度，位于二氧化硅绝热层4四周边排列设有分别线路连接中心测温元件7、加热元件8和上下游测温元件9的焊盘10。

如图2所示，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1，在硅圆片1表面旋涂光刻胶层2，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1的硅衬底部分，形成硅柱3；

c、利用键合工艺，在真空环境下将二氧化硅绝热层4与带有硅柱3的硅圆片1进行键合，键合时通过重力作用使二氧化硅绝热层4流入硅圆片1表面的空隙中，键合结束后，进熔炉中进行回流处理；

d、采用腐蚀与研磨方法双面减薄上述键合后的结构，其中硅圆片1减薄至硅柱3的下端面露出二氧化硅绝热层4，二氧化硅绝热层4减薄至硅柱3上端面保留一层厚度为10微米的二氧化硅薄层6；

e、采用金属铂进行溅射工艺处理，在二氧化硅绝热层4背面对应硅柱3所在位置，分别制备中心测温元件7、加热元件8和上下游测温元件9，并在二氧化硅绝热层4四周边制备通过引线连接中心测温元件7、加热元件8和上下游测温元件9的焊盘10。

传统的风速风向传感器一般具有较厚的硅衬底，加热元件8产生的热量绝大部分从硅衬底以热传导的方式耗散掉，仅有少量热量与空气进行热对流换热。本发明利用键合工艺，在二氧化硅绝热层4中形成具有高热导率的硅柱3，这样加热元件8产生的热量几乎全部由硅柱3传至二氧化硅绝热层4表面，避免了热量的横向传递损耗，降低了传感器功耗。

本发明中，由加热元件8产生的热量在芯片表面形成温度分布，芯片边缘位置的温度，通过硅柱3进行热量传递，由四个上下游测温元件9获得对应的温度信息。由于传感器衬底为二氧化硅绝热层4，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。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

一种基于键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。