一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法

摘要

一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法，涉及传感器技术领域。本发明是现有结冰传感器尺寸大，难于安装，并且检测灵敏度差、准确性差的问题。本发明由控制器接收数据，判断参考电容的数据是否等于结冰测量电容的数据，如果是，飞机表面没有结冰，如果否，判断结冰测量电容是否等于参考电容的2～78倍，如果是，飞机表面结冰，如果否，将该结冰数据与温度数据和湿度数据进行比较，判断该结冰数据是否满足湿度数据为70％的湿度以上或者满足温度在0℃以下，如果是飞机表面结冰，如果否，飞机表面没有结冰。它用于安装在飞机表面测量结冰。

权利要求

1.一种采用叉指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法，它包括以下步骤：步骤一、将参考电容(2)、结冰测量电容(1)、温度测量单元(3)和湿度测量单元(4)设在在一个N型硅片上，采用参考电容(2)测量空气环境的电容；采用结冰测量电容(1)测量飞机表面上的电容；采用温度测量单元(3)测量空气的温度；采用湿度测量单元(4)测量空气的湿度；

步骤二、由控制器(6)接收参考电容(2)的数据、结冰测量电容(1)的数据、温度测量单元(3)的数据和湿度测量单元(4)的数据，判断结冰测量电容(1)的数据是否等于参考电容的数据的2～78倍，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三；

步骤三、飞机表面没有结冰；

步骤四、利用采集到的温度数据和湿度数据进一步判断飞机表面是否结冰，判断是否同时满足湿度数据为70％以上、温度数据为0℃以下；如果是，则判断飞机表面结冰；如果否，则判断飞机表面未结冰；

其特征在于，

步骤一中，将参考电容(2)、结冰测量电容(1)、温度测量单元(3)和湿度测量单元(4)设在在一个N型硅片上的步骤：步骤一一、采用硼离子注入方法在N型硅片正面设置两个加热器(5)；

步骤一二、对N型硅片进行退火处理，使N型硅片表面生长一层二氧化硅绝缘层；

步骤一三、采用磁控溅射方法在N型硅片正面放置一个温度测量单元(3)；

步骤一四、采用蒸发或磁控溅射方法制作两个加热器引出电极和温度测量单元引出电极，同时在一个加热器(5)上放置结冰测量电容叉指电极，在另一个加热器(5)上放置参考电容叉指电极；

步骤一五、采用深反应离子刻蚀工艺分别对结冰测量电容叉指电极的间隙区域和参考电容叉指电极的间隙区域进行刻蚀，刻蚀深度决定结冰厚度测量范围；

步骤一六、采用化学沉积方法在结冰测量电容叉指电极和参考电容叉指电极表面覆盖钝化保护层；

步骤一七、在结冰测量电容叉指电极和参考电容叉指电极之间刻蚀出一深孔，起到两者之间的温度隔离作用。

2.根据权利要求1所述的的一种采用叉指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法，其特征在于，加热器(5)采用加热电阻实现，温度测量单元(3)采用铂薄膜热敏电阻实现，湿度测量单元(4)采用湿敏电容实现。

3.根据权利要求1所述的一种叉指微结构电容式薄冰传感器的制作方法，其特征在于，它还包括以下步骤：在N型硅片表面的二氧化硅绝缘层上放置湿敏电容下电极，然后在湿敏电容下电极区域涂覆高分子感湿敏感膜，采用蒸发或磁控溅射方法制作湿敏电容上电极。

说明书

一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及传感器技术和MEMS技术。特别涉及一种插指结构电容式冰传感器原理、结构及其制作技术，属于传感器技术领域。

背景技术

[0002] 航空飞行器飞到一定高度，周围空气湿度足够大，温度足够低，机体表面就可能结冰。即使薄薄的一层冰也会显著影响飞机飞行的气动特性。可使飞行中的升力下降，阻力增加，续航性能变差，并可引起机体抖动，使操作变得困难。结冰对起飞性能的影响也是非常严重的，它可使飞行器的起飞过程变得艰难，可导致飞行器离地后坠毁等现象。因此，必需对飞行器表面结冰现象进行监测预警。常规的结冰传感器分为：光学式、电学式、机械式等。不同原理的传感器有各自的优点，同时也有各自的不足。华中科技大学[李薇，叶林，张杰，张洪]对光纤式结冰传感器的试验研究；华中科技大学学报自然科学版2009年08期]研制的光学式传感器根据冰、水与空气的光学性质的不同检测结冰。其优点是测量精度高，但测量结果容易受到周围环境杂光的影响。并且该种传感器在飞机上使用时必须提高抗振动能力，对安装条件要求很高。哈尔滨工程大学[王华，王以伦，张滨华]基于磁致伸缩原理的结冰传感器设计理论；电工技术学报[2003年06期]等研制了谐振式结冰传感器，其工作原理是基于磁致伸缩材料的振动特性。当传感器结冰时，振动部件表面的冰层会使轴向振动固有频率产生偏移，通过偏移量测量，即可确定结冰状态。该种方法具有可靠性高，性能稳定的优点。但此种结冰传感器只能非扁平的安装在飞机表面，传感器检测面和飞机表面不平齐，传感器和飞机表面环境因素不同，会造成结冰情况的不同，结冰传感器检测到的结冰就有可能和飞机表面结冰状况不一致。太原理工大学研制了一种电容比值式结冰传感器[电容比值式覆冰厚度传感器及其检测方法.200810055051.9]。基于冰、空气和水介电常数的不同来判断电极之间的介质是冰、空气还是水。将多组电极对等距排列，每个电极对最为一个结冰检测刻度，总的结冰厚度就等于相邻电极对的距离和介质是冰的电极对的个数的乘积。这种传感器缺点是只能以非扁平方式安装在飞机表面，并且此传感器采用传统方法制作，体积较大，不适用于飞机表面测量。

[0003] 综上，现有结冰传感器尺寸大，难于安装，并且检测灵敏度低、准确性差。

发明内容

[0004] 本发明是为了解决现有结冰传感器尺寸大，难于安装，并且检测灵敏度低、准确性差的问题。现提供一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法。

[0005] 一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法，它包括以下步骤：

[0006] 步骤一、将参考电容、结冰测量电容、温度测量单元和湿度测量单元设在在一个N型硅片上，采用参考电容测量空气环境的电容；采用结冰测量电容测量飞机表面上的电容；采用温度测量单元测量空气的温度；采用湿度测量单元测量空气的湿度；

[0007] 步骤二、由控制器接收参考电容的数据、结冰测量电容的数据、温度测量单元的数据和湿度测量单元的数据，判断结冰测量电容的数据是否等于参考电容的数据的2～78倍，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三；

[0008] 步骤三、飞机表面没有结冰；

[0009] 步骤四、利用采集到的温度数据和湿度数据进一步判断飞机表面是否结冰，判断是否同时满足湿度数据为70％以上、温度数据为0℃以下；如果是，则判断飞机表面结冰；如果否，则判断飞机表面未结冰。

[0010] 本发明的有益效果为：采用该薄冰测量传感器利用冰、水和空气的介电常数明显的差异，通过结冰后极板间介质变化而导致介电常数变化，进而引起输出电容值变化的机理，进行被测物体表面结冰厚度的测量。由于冰的介电常数处于水与空气之间，所以通过测量电容与参考电容的差分输出来消除水膜或高湿气体对测量结果有影响。为保证参考电容不结冰，在传感器工作时开起参考电容下方的加热器，确保参考电容处于0℃以上。为了增加测量准确性，消除温度对电容值的影响，根据温度单元提供的温度信息对输出结果进行补偿。空气的相对介电常数接近于1，冰相对介电常数大于2，水介电常数约78。在结冰测量时，如果测量电容是参考电容的2～78倍时，表明飞机表面有结冰的可能。此时向测量电容下方的加热器施加适当的脉冲信号，使加热器瞬间小幅升温，使冰融化成水。如果电容值突然成数量级增加，则可判断被测物表面已经结冰。如果电容值只是略微增大，则可判断被测物表面仍是高湿环境，并没有结冰。一般情况下，影响结冰状况的是可见湿度云、雾、雨和雪和温度。在潮湿环境中，即使在0℃以上，飞机也可能结冰。考虑到结冰条件的复杂性，为减小结冰误判，通过湿度单元监测环境相对湿度，温度单元监测环境温度。满足相对湿度在70％RH以上或温度0℃以下时，可认为传感器结出的结冰判断是可信的。在一次测量结束后，可同时开起传感器上的2个加热器，对测量电容和参考电容进行加热除冰除水，为下一次测量做准备。通过结冰测量电容的变化可以测出极板间隙生成的薄冰的厚度，结合参考电容判断是否结冰，在通过温湿度测量单元，实现判断判断结果更加准确，所有器件排布于一个N型硅片易于在飞机表面扁平安装。通过微加工技术制作的结冰传感器尺寸小、功耗低，容易实现阵列式分布安装。

附图说明

[0011] 图1为具体实施方式一所述的一种采用插指微结构电容式薄冰传感器的原理示意图；

[0012] 图2为具体实施方式一所述的一种采用插指微结构电容式薄冰传感器的结构示意图；

[0013] 图3为N型硅片的结构示意图；

[0014] 图4为在N型硅片上制作浓硼区的结构示意图；

[0015] 图5为制作热敏电阻的结构示意图；

[0016] 图6为制作湿敏电容的结构示意图；

[0017] 图7为制作金薄膜，形成带孔的湿敏电容上电极的结构示意图；

[0018] 图8为对湿敏电容上电极制作光刻、刻蚀的结构示意图；

[0019] 图9为在参考电容和结冰测量电容之间制作隔离槽的结构示意图。

具体实施方式

[0020] 具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种采用

[0021] 插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法，它包括以下步骤：

[0022] 步骤一、将参考电容2、结冰测量电容1、温度测量单元3和湿度测量单元4设在在一个N型硅片上，采用参考电容2测量空气环境的电容；采用结冰测量电容1测量飞机表面上的电容；采用温度测量单元3测量空气的温度；采用湿度测量单元4测量空气的湿度；

[0023] 步骤二、由控制器6接收参考电容2的数据、结冰测量电容1的数据、温度测量单元3的数据和湿度测量单元4的数据，判断结冰测量电容1的数据是否等于参考电容的数据的2～78倍，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三；

[0024] 步骤三、飞机表面没有结冰；

[0025] 步骤四、利用采集到的温度数据和湿度数据进一步判断飞机表面是否结冰，判断是否同时满足湿度数据为70％以上、温度数据为0℃以下；如果是，则判断飞机表面结冰；如果否，则判断飞机表面未结冰。

[0026] 具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法作进一步说明，本实施方式中，它还包括两个加热器5，两个加热器5分别设置在参考电容2和结冰测量电容1的底部，用于分别对测量电容1和参考电容2进行加热除冰除水，为下一次测量做准备。

[0027] 具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法作进一步说明，本实施方式中，加热器5采用加热电阻实现，温度测量单元3采用铂薄膜热敏电阻实现，湿度测量单元4采用湿敏电容实现。

[0028] 具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一、具体实施方式二或具体实施方式三所述的一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，将参考电容2、结冰测量电容1、温度测量单元3和湿度测量单元4设在在一个N型硅片上的步骤：

[0029] 步骤一一、采用硼离子注入方法在N型硅片正面设置两个加热器5；

[0030] 步骤一二、对N型硅片进行退火处理，使N型硅片表面生长一层二氧化硅绝缘层；

[0031] 步骤一三、采用磁控溅射方法在N型硅片正面放置一个温度测量单元3；

[0032] 步骤一四、采用蒸发或磁控溅射方法制作两个加热器引出电极和温度测量单元引出电极，同时在一个加热器5上放置结冰测量电容插指电极，在另一个加热器5上放置参考电容插指电极；

[0033] 步骤一五、采用深反应离子刻蚀工艺分别对结冰测量电容插指电极的间隙区域和参考电容插指电极的间隙区域进行刻蚀，刻蚀深度决定结冰厚度测量范围；

[0034] 步骤一六、采用化学沉积方法在结冰测量电容插指电极和参考电容插指电极表面覆盖钝化保护层；

[0035] 步骤一七、在结冰测量电容插指电极和参考电容插指电极之间刻蚀出一深孔，起到两者之间的温度隔离作用。

[0036] 一种实施例为：

[0037] 步骤1、选用N型(100)硅片，如图3所示，电阻率为3～10Ω·cm。对硅片进行热氧化；

[0038] 步骤2、采用硼离子注入方法在硅片正面制作浓硼区，如图4所示，作为加热器的加热电阻。注入能量80kev，剂量2e16/cm2；

[0039] 步骤3、对硅片在1100℃、干氧条件下退火10min，使离子注入后，硅片表面缺陷得以恢复，并在表面生成 氧化层；

[0040] 步骤4、采用磁控溅射方法，溅射1～2μm厚薄膜，经光刻、刻蚀、退火后制成热敏电阻，如图5所示；

[0041] 步骤5、正面光刻、腐蚀二氧化硅，形成电容极板的电连接引线孔；

[0042] 步骤6、采用蒸发方法制作铬、金复合薄膜，其中铬层厚 金层厚 光刻、腐蚀后形成加热电阻、铂薄膜热敏电阻引出电极、结冰测量电容和参考电容插指电极、湿敏电容下电极，如图6所示；

[0043] 步骤7、涂覆1～2μm厚的高分子感湿敏感膜，使用光刻、刻蚀工艺去除湿敏电容区域以外的感湿敏感膜；

[0044] 步骤8、采用蒸发方法制作 厚的金薄膜，采用光刻、刻蚀工艺在形成带孔的湿敏电容上电极，如图7所示；

[0045] 步骤9、采用深反应离子刻蚀工艺对插指电极间隙区域进行刻蚀，刻蚀深度决定结冰厚度测量范围，如图8所示；

[0046] 步骤10、采用等离子增强化学气相沉积方法在器件表面沉积1μm厚的二氧化硅层，保护器件金属电极；

[0047] 步骤11、采用深反应离子刻蚀工艺，在冰测量电容和参考电容之间刻蚀出一深孔，起到两者之间的温度隔离作用，如图9所示。

[0048] 具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法作进一步说明，它还包括以下步骤：

[0049] 在N型硅片表面的二氧化硅绝缘层上放置湿敏电容下电极，然后在湿敏电容下电极区域涂覆高分子感湿敏感膜，采用蒸发或磁控溅射方法制作湿敏电容上电极。