阅读说明：本技术 二维温度平衡模式mems风速风向传感器及其制备方法 (Two-dimensional temperature balance mode MEMS wind speed and direction sensor and preparation method thereof ) 是由 易真翔 谢雨珏 秦明 黄庆安 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种二维温度平衡模式MEMS风速风向传感器及其制备方法,传感器包括传感器芯片部分和测控电路,传感器芯片部分基于热电偶结构,测控电路系统采用温度平衡模式。芯片中的测温元件热电偶由两层热偶臂组成。基于分时复用的思想,持续采样x和y方向上的输出电压,利用控制电路调整4个加热元件上的功耗,使得x和y方向上、下游温差为零。最终,根据4个加热元件的功耗值即可获取风速和风向信息。相较于现有技术,该传感器结构提出了新的基于热电偶的二维风速风向传感结构与检测过程,此外,解决了垂直方向热偶臂交叉互连问题,在实现多层热电堆测温时有减少材料层数与优化制备工艺的优势。(The invention discloses a two-dimensional temperature balance mode MEMS wind speed and direction sensor and a preparation method thereof. The temperature measuring element thermocouple in the chip consists of two layers of thermocouple arms. Based on the idea of time division multiplexing, output voltages in the x and y directions are continuously sampled, and power consumption of 4 heating elements is adjusted by a control circuit, so that the temperature difference between the upstream and the downstream in the x and y directions is zero. Finally, the wind speed and direction information can be obtained according to the power consumption values of the 4 heating elements. Compared with the prior art, the sensor structure provides a novel two-dimensional wind speed and direction sensing structure and a detection process based on the thermocouple, in addition, the problem of cross interconnection of thermocouple arms in the vertical direction is solved, and the advantages of reducing the number of material layers and optimizing the preparation process are achieved when the temperature of the multilayer thermopile is measured.)

二维温度平衡模式MEMS风速风向传感器及其制备方法

技术领域

本发明公开了基于热电偶结构的二维温度平衡模式MEMS风速风向传感器，属于测量测试的

技术领域

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背景技术

有效及时地获取风速风向信息在交通输运、气象监测、风力发电、农业生产等生活生产领域中十分重要。基于不同的测量原理，风速风向传感器大致可分为机械式、超声式和热式。其中，机械式由于机械磨损导致维护成本高、超声式由于测量原理的限制很难实现小型化，而热式传感器利用流体流过器件表面发生热对流，引起器件表面温度分布变化来测量风速信息，结合MEMS技术能规避上述问题，具有巨大的应用前景。

1823年，德国物理学家Seebeck发现“Seebeck效应”，它是指用两种不同的导体构成回路，当两结点温度不同时会在回路中产生电压。回路的电压差与两结点温差的关系可表示为其中α_A、α_B分别为材料A、B的Seebeck系数，T、T₀为两结点温度，可知测得回路的电压差即可完成对两结点处温差的测量。与热阻相比，热电偶输出没有失调和漂移，也不需要加电压，在测量温差领域具有独特的优势。

中国专利2017114707670公开了一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器及检测方法，传感器包括加热电阻、上层热电堆组、下层热电堆组，加热电阻位于衬底中央，下层热电堆组包括沿加热电阻四周排列的第一至第四下层热电堆，上层热电堆组包括第一至第四上层热电堆，上、下层热电堆组中各热电堆均连接两个接触块，其优点是，基于热温差原理，通过测量垂直方向上的8个电压计算风速和风向信息，即采用上、下层热电堆同时测量由风导致的上下游温差，使得热电堆的输出电压变化量增加一倍，增大输出信号，从而提高风速风向测量的灵敏度。但是，其双层热电堆的制备需要生长、刻蚀四层双层热电堆的制备需要生长、刻蚀四层材料层，制备工艺复杂；并且为实现二维风速风向的测量，该结构采用8个热电堆，16个接触块与之相连，输出8组电压信号，测算过程复杂。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种二维温度平衡模式MEMS风速风向传感器及其制备方法，解决基于热电偶结构温度平衡模式的风速风向传感器工艺复杂问题。

技术方案：一种二维温度平衡模式MEMS风速风向传感器，包括传感器芯片部分和测控电路，所述传感器芯片部分包括衬底、加热元件、测温元件和金属接触电极，四个加热元件围绕芯片中心对称分布，用以在芯片表面形成对称的温度分布场；所述测温元件由沿N-S方向分布的第一热电堆和沿W-E方向分布的第二热电堆相互正交构成，所述第一热电堆和第二热电堆分别由下层的材料A热电偶臂与上层的材料B热电偶臂组成；所述第一热电堆和第二热电堆以及四个加热元件分别连接有两个金属接触电极；所述测控电路包括信号放大电路和加热功率控制电路，所述信号放大电路用于对第一热电堆和第二热电堆的输出信号进行放大后输入加热功率控制电路，所述加热功率控制电路用于对加热元件进行功率控制，以实现两个热电堆的输出为零，达到温度平衡状态。

进一步的，所述加热功率控制电路通过分时复用电路控制沿N-S方向分布的一组加热元件以及沿W-E方向分布另一组加热元件的导通和关断。

一种二维温度平衡模式MEMS风速风向传感器的制备方法，制备方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底上制备氧化层；然后淀积、光刻并刻蚀多晶硅形成加热元件和材料A热电偶臂及接触块；

步骤2：在步骤1基础上淀积绝缘层；然后淀积、光刻并刻蚀金属，形成材料B热电偶臂及接触块；

步骤3：在步骤2基础上沉积金属；然后剥离形成金属接触电极。

有益效果：(1)本发明基于热电偶结构实现了风速风向传感器，并采用热电偶结构实现二维风场检测。无风时，加热元件在传感器表面产生一个对称分布的温度场，热电堆两测量端之间不存在温度梯度，输出电压为零，加热功率控制电路不工作；有风时，由于存在不对称换热效应，上下游出现温度梯度，热电堆产生输出电压，加热功率控制电路对上游加热元件增加功耗，下游加热元件降低功耗，以达到上下游温差为零。通过上、下游加热功率差可求得风速，利用两个正交方向上的功率差可得到风向信息。与热阻和其他温度传感方式相比，热电偶输出没有失调和漂移，也不需要加电压，具有独特的优势。

(2)本发明通过对二维热电偶中同种材料的整合，基于分时复用思想，通过开关控制电路在足够小的周期内获得沿x和沿y方向的两组热电堆的压差，相较于已公开的器件结构和检测方法，在器件结构方面，通过将测量x、y两个方向的热电堆的同一种材料整合为一层，使得二维风速测量的热电堆可以位于芯片中心，四周分列加热电阻，减少热电堆数目，简化了制备工艺；在检测原理方面，本发明通过输出补偿x、y方向的加热电阻功率来测量风速风向信息，替代了原有分别输出四组热电堆信号的测量方式，优化风速风向传感器器件结构，优化了检测过程。

(3)本发明提出的二维温度平衡模式风速传感器只需测量x、y方向上的两个电压，优于比较文件中需要测量的8个电压。

(4)本发明提出的二维温度平衡模式风速风向传感器的量程优于比较文件。

附图说明

图1是本发明MEMS风速风向传感器芯片部分结构示意图；

图2是图1沿x方向的剖面图；

图3是图1沿y方向的剖面图；

图4是本发明MEMS风速风向传感器芯片部分下层的材料A热电偶臂结构示意图；

图5是图3沿aa’的剖面图；

图6是图3沿bb’的剖面图；

图7是本发明MEMS风速风向传感器芯片部分上层的材料B热电偶臂结构示意图；

图8是图5沿cc’的剖面图；

图9是图5沿dd’的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种二维温度平衡模式MEMS风速风向传感器，包括传感器芯片部分和测控电路。传感器芯片部分包括衬底1、加热元件2、测温元件和金属接触电极6。四个加热元件2围绕芯片中心对称分布于衬底1上，用以在芯片表面形成对称的温度分布场。测温元件由沿N-S方向分布的第一热电堆和沿W-E方向分布的第二热电堆相互正交构成，第一热电堆和第二热电堆分别由下层的材料A热电偶臂3与上层的材料B热电偶臂5组成，两层材料层之间用绝缘层4进行绝缘。其中，下层的材料A热电偶臂3位于衬底1上表面；绝缘层4上有通孔，用于连通上下层材料形成二维的热电堆结构，通过重掺杂在接触位置处形成层间互连，接触位置处如图2、图3、图9所示。第一热电堆和第二热电堆以及四个加热元件2分别连接有两个金属接触电极6。

测控电路包括信号放大电路和加热功率控制电路，信号放大电路用于对第一热电堆和第二热电堆的输出信号进行放大后输入加热功率控制电路，加热功率控制电路用于对加热元件进行功率控制，以实现两个热电堆的输出为零，达到温度平衡状态。具体的，加热功率控制电路通过分时复用电路控制沿N-S方向分布的一组加热元件2以及沿W-E方向分布另一组加热元件2的导通和关断。

本发明的风速风向传感器工作时，x方向和y方向原理一致，以沿x方向为例，加热元件2消耗一定的功率维持芯片温度，由沿x方向的材料A热电偶臂3与材料B热电偶臂5构成的测温热电堆传感x方向的温度差，产生的电压经信号放大电路处理后输入到加热功率控制电路中进行反馈调节。在无风情况下，x方向无温度梯度，热电堆的输出电压为零，加热功率控制电路中的加减法器不工作，加热元件消耗的功率不受反馈调节，以初始相同的功率加热；在有风情况下，假定风向沿x正方向，由于热对流将带走上游更多的热量，使得上游温度略低于下游，产生温度梯度，热电堆上产生电压，放大后的电压输入到加热功率控制电路进行反馈运算后控制加热元件，上游加热元件的功率P₁升高，下游加热元件的功率P₂降低，上下游加热元件上的总加热功率之和维持不变，使得上游温度升高，下游温度降低，直至动态平衡，使得x方向热电堆的输出为零，且已有公式表明此时上下游加热元件上的功耗与风速的平方根成正比，从而计算获得风速信息。基于分时复用调节开关控制电路的通断，在足够小的周期内切换到测量y方向的风速分量，进而得到风速和风向信息。

一种二维温度平衡模式MEMS风速风向传感器的制备方法，制备方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底1上制备氧化层；淀积、光刻并刻蚀多晶硅形成加热元件2和材料A热电偶臂3及接触块；

步骤2：在步骤1基础上淀积绝缘层4；淀积、光刻并刻蚀金属，形成材料B热电偶臂5及接触块；

步骤3：在步骤2基础上沉积金属；剥离形成金属接触电极6。

本发明基于温度平衡模式，通过调节东南西北4个方向上的加热功耗，实现两个垂直方向上的温差为零，最终依据4个加热功耗判定风速和风向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。