CN101271164B - 一种导引式风向风速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种导引式风向风速传感器，包括：上盖板、下档体、侧挡板、通孔、悬臂梁阵列、应变传感器；利用微电子机械系统(MEMS)技术中的光刻、腐蚀技术制作出上盖板；侧挡板；键合上盖板和侧挡板；在硅片上制作出下档体、通孔、悬臂梁阵列和应变传感器的图案；溅射制作出应变传感器；腐蚀技术制作出通孔和悬臂梁阵列；键合制作的风向导引组件与风敏感组件两部分。这种传感器的特点是风向风速可以同时测量，并可利用微电子机械系统(MEMS)技术将器件制作得很小，可以小于10毫米×10毫米×10毫米。该传感器可以广泛应用于气象探测、环境监测、国防、交通运输等方面。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术，涉及微电子机械系统(MEMS)，特别涉及微型风传感器技术。
背景技术
风向与风速是自然环境、生产环境、居住环境、国防、交通运输等方面重要的信息参数。当前，在社会日益注重全球环境保护、生存环境安全、工业信息化的背景下，风向与风速越来越需要在大范围内被实时、精确地测量出来。风向风速传感器是指能够测量0—360°的风向和一定范围内的风速的传感器。
传统的风向风速传感器主要包括力学式风传感器、微波成像风传感器、激光多普勒风速计(LDA)、超声式风传感器。虽然在这些传感器中，如微波成像风传感器具有测量区域范围非常大、激光多普勒风速计具有非接触测量，精度非常高等特点，但是都具有体积大、不具有可集成性的等缺点。随着电子技术、微电子技术、MEMS技术的发展，社会越来越需要能够满足国防信息化、环境监测网络化，具有体积微小，可集成，成本低的微型风向风速传感器。
目前，国内外微型风传感器主要以热式风传感器为主，主要包括：热线型风传感器、热流型风传感器、热像型风传感器。
热线型风传感器(hot-wire)是依据热损失设计，通过测量芯片表面向流体传递的热量多少来测量风速，芯片上的加热器常常采用热敏电阻即热线(hot-wire)结构。随着风速的增加，向风中传递的热量增加，引起加热器温度下降，热敏电阻阻值的变化，通过电路的处理能够得到风速的信息。该型传感器的优点是体积最小，结构简单，可集成，成本低，应用最广泛，缺点是精度低，高风速测量不稳定，功耗大，但不能实现风向、风速同时测量。
热流型风传感器是利用加热芯片表面的风的上游和下游会对传感器表面不均匀的冷却，从而在芯片表面产生能够同时反映风向风速信息的温度梯度。由测温组件组成的结构测量该温度梯度得到风向风速信息。该型传感器的优点是风向、风速同时测量，体积小可集成；缺点是高风速测量不稳定。
热像型风传感器是通过测量一组二维排列的温度传感器在有风吹过时中心对称温度场的变化情况，得到相应的风向风速信息。该型传感器的优点是风向、风速同时测量，体积较小；缺点是算法复杂、测量范围小(0-0.4m/s)。
除了热式风传感器，近年来也出现了悬臂梁式风传感器，其工作原理是：风吹过一定的微结构会导致微结构的几何形变，微结构上的应变传感器可以将这种几何形变转变为某一种电学参量(例如：电阻)的变化，测量该参量的变化量可以得到风速的信息。但是已有的悬臂梁式风传感器只能测量风速，不能实现风向、风速同时测量。
发明内容
目前微型风传感器中应用最多的是热线型风传感器，但它的缺点是精度低，高风速测量不稳定，功耗大，不能实现风向、风速同时测量；诸如热像型风传感器等其它类型的风传感器又存在算法复杂、测量范围小等缺点，为了解决现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种风向风速可以同时测量的导引式风向风速传感器。
为了实现所述的目的，本发明提出的导引式风向风速传感器，它采用的结构包括上盖板(1)、下档体(2)、侧挡板(3)、通孔(4)、悬臂梁阵列(5)、应变传感器(6)；
侧挡板(3)位于上盖板(1)和下档体(2)之间；
上盖板(1)与侧挡板(3)的一面紧密结合；
下档体(2)与侧挡板(3)的另一面紧密结合；
在下档体(2)本体上分布通孔(4)；
侧挡板(3)位于两个通孔(4)之间；
悬臂梁阵列(5)位于通孔(4)内；
悬臂梁阵列(5)一端与应变传感器(6)一端相连，应变传感器(6)的另一端位于通孔(4)的侧壁内。
根据本发明的实施例，所述通孔(4)的数量N根据具体使用要求选择。
根据本发明的实施例，所述通孔(4)，采用N个通孔(4)，N个通孔(4)的位置以传感器中心对称排列。
根据本发明的实施例，在一个通孔(4)内的悬臂梁阵列(5)，根据需要选择一个或一个以上的数量。
根据本发明的实施例，所述侧挡板(3)的两个平面与上盖板(1)和下档体(2)的平面连接。
根据本发明的实施例，所述侧挡板(3)是以传感器中心位置计算数量n等于通孔(4)的数量N。
根据本发明的实施例，所述悬臂梁阵列(5)的每个悬臂梁阵列中悬臂梁的数量是任意一个正整数。
根据本发明的实施例，所述悬臂梁阵列包括：在一个通孔(4)内有多个悬臂梁(5)，根据需要顺序排列或相对着交叉排列。
本发明的技术方案：风吹过一定的微结构会导致微结构的几何形变，微结构上的应变传感器可以将这种几何形变转变为某一种电学参量(例如：电阻)的变化，特殊的风向导引结构又使得通过测量该参量的变化量可以得到风向风速的信息。本发明克服了现有技术精度低，高风速测量不稳定，功耗大，不能实现风向、风速同时测量，算法复杂、测量范围小等缺点。
本发明所指的导引式风向风速传感器，特点是风向风速可以同时测量，并可利用微电子机械系统(MEMS)技术可集成化，量程宽，器件能制作得很小，可以小于10毫米×10毫米×10毫米，可批量生产等特性，器件的功耗也较低。本发明的传感器可以广泛应用于气象探测、环境监测、国防、交通运输等方面。
附图说明
图1是本发明导引式风向风速传感器的风向导引组件与风敏感组件连接示意图。
图2是本发明导引式风向风速传感器的俯视图。
图3是本发明导引式风向风速传感器抛面图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1本发明导引式风向风速传感器的风向导引组件与风敏感组件连接示意图，图2是本发明导引式风向风速传感器的俯视图，图3是本发明导引式风向风速传感器抛面图，图3中箭头所指为风的走向。
它的结构由风向导引组件与风敏感组件两部分组成，其中：
风向导引组件包括：上盖板1、下档体2、侧挡板3、通孔4；
风敏感组件包括：悬臂梁阵列5、应变传感器6。
所述通孔4的数量根据具体使用要求选择N＝4。
所述通孔4，采用四个通孔4，四个通孔4的位置以传感器中心对称排列。
所述在一个通孔4内的悬臂梁阵列5，根据需要选择一个或一个以上数量的悬臂梁阵列5。
所述侧挡板3的两个平面与上盖板1和下档体2的平面连接。
所述侧挡板3是以传感器中心位置计算数量n等于通孔4的数量N。侧挡板3是以传感器中心位置分成四块，侧挡板3的数量n为四块等于四个通孔4的数量。
所述悬臂梁阵列5的每个悬臂梁阵列中悬臂梁的数量是任意一个正整数。
所述在一个通孔4内有多个悬臂梁5，根据需要顺序排列或相对着交叉排列。
本发明的这种导引式风向风速传感器的工作原理是：
被测风吹进传感器后，被风向导引组件导引，并与风敏感组件接触。实例中：风敏感组件中的四个悬臂梁阵列5上的应变传感器6可以将不同风向上的风速所导致悬臂梁阵列5的悬臂梁的几何形变量转换成相应的应变传感器6的某种电学参量的变化量，从而可以同时测量风向和风速。另外，利用微电子机械系统(MEMS)技术，这种导引式风向风速传感器可以制作得很小，可以小于10毫米×10毫米×10毫米。
具体实施方案：
本发明导引式风向风速传感器的制作工艺为：
步骤1：选用硅片或玻璃基片，利用微电子机械系统(MEMS)技术中的光刻、腐蚀技术制作出上盖板1；
步骤2：选用硅片利用微电子机械系统(MEMS)技术中的光刻、腐蚀技术制作出侧挡板3；侧挡板3选用硅片。
步骤3：利用微电子机械系统(MEMS)技术中的键合技术键合上盖板1和侧挡板3；实现风向导引组件；
步骤4：利用微电子机械系统(MEMS)技术中的光刻技术在硅片上制作出下档体2、通孔4、悬臂梁阵列5和应变传感器6的图案；
步骤5：利用微电子机械系统(MEMS)技术中的溅射技术制作出铂金薄膜应变传感器6；
步骤6：利用微电子机械系统(MEMS)技术中的腐蚀技术制作出通孔4和悬臂梁阵列5；
步骤7：利用微电子机械系统(MEMS)技术中的键合技术键合已经制作出来的风向导引组件与风敏感组件两部分，如附图1所示。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种导引式风向风速传感器，其特征在于，包括：上盖板(1)、下档体(2)、侧挡板(3)、通孔(4)、悬臂梁阵列(5)、应变传感器(6)；
侧挡板(3)位于上盖板(1)和下档体(2)之间；
上盖板(1)与侧挡板(3)的一面紧密结合；
下档体(2)与侧挡板(3)的另一面紧密结合；
在下档体(2)本体上分布通孔(4)；
侧挡板(3)位于两个通孔(4)之间；
悬臂梁阵列(5)位于通孔(4)内；
悬臂梁阵列(5)一端与应变传感器(6)一端相连，应变传感器(6)的另一端位于通孔(4)的侧壁内。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述通孔(4)的数量N根据具体使用要求选择。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述通孔(4)，采用N个通孔(4)，N个通孔(4)的位置以传感器中心对称排列。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，在一个通孔(4)内的悬臂梁阵列(5)，根据需要选择一个或一个以上的数量。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述侧挡板(3)的两个平面与上盖板(1)和下档体(2)的平面连接。
6.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述悬臂梁阵列(5)的每个悬臂梁阵列中悬臂梁的数量是任意一个正整数。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述悬臂梁阵列包括：在一个通孔(4)内有多个悬臂梁(5)，根据需要顺序排列或相对着交叉排列。
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