CN101614752B - 一种微型电容式风速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种微型电容式风速传感器，包括：薄板、电极、支撑柱、引出电极和衬底。薄板是被风吹动的敏感结构；两个电极分别和薄板构成电容器，两个电容器串联，其等效电容由引出电极引出，用作测量结构；风力作用使薄板发生弯曲形变，引起电容器极距的变化，电容传感器将极距变化信号转变为可以测量的电信号；支撑柱提供薄板和衬底的固定连接并为薄板提供支撑，衬底作为整个传感器的支撑结构。本发明传感器的特点是采用电容信号测量风速信息，具有结构简单、功耗小、响应快、温漂小等优点。该传感器可广泛应用于航空航天、工农业生产和气象应用等领域。

Description

一种微型电容式风速传感器

技术领域

本发明属于传感技术领域，特别涉及微型风速传感技术。

背景技术

风速参数是气象观测的基本要素之一，在航空航天、工农业生产和气象应用等领域应用广泛。在气象上，风分为地面风和高空风。高空风的测量方法有光学经纬仪结合探空气球测风、测风雷达测风、无人机测风和风廓线仪测风。地面风的测量方法和原理较多，常规的风速传感器有风杯风速表、固体正交测风仪、压力板测风仪、螺旋推进测风仪、热线测风仪、管测风仪、超声波测风仪、激光测风仪、离子测风仪和涡街式测风仪等。由于机械惯性的影响或者测量原理的限制，部分常规的风速传感器测量准确度低、实时性差，但都有体积较大的缺点，已不能完全满足测量准确度和特定环境风速测量的要求。

随着检测技术的发展和人们对环境要求的提高，在航空航天、气象预报、环境监测、交通运输、工业制造、农业生产领域中迫切需要具有体积小，重量轻，成本低的微型风速传感器。

目前，微型风速传感器的研制主要有热式微型风速传感器和非热式微型风速传感器。

热式微型风速传感器基于热源在风流流过后产生的热梯度的原理来测量风速。具有两种工作方式：通过测量热线的热电阻变化来测量风速的恒流工作方式和通过测量加热电流来测量风速的恒温工作方式。热式微型测风传感器具有测量简单、工艺易控制、应用广泛等优点，缺点是功耗大、衬底的热传导会导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长、高风速测量不稳定。

非热式微型风速传感器是将风速的信息转变为力或者压强的信息，再检测力或者压强所引起的敏感结构的形变信息来测量风速，其信号检测多采用电容、压阻、压电等方法。电容检测具有结构简单、功耗小、响应快、温漂小等优点，缺点是线性不好；压阻检测技术成熟，但是灵敏度低、具有明显的温度效应；压电检测灵敏度高，但是电路和压电薄膜的制作较为复杂；非热式微型风速传感器具有功耗低，温漂小、响应快等优点，缺点是结构相对复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术所存在的问题，提供一种结构简单的微型电容式风速传感器。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种微型电容式风速传感器，其包括薄板、电极、支撑柱、引出电极、衬底；其中，

衬底为板状，两电极、两引出电极固置于衬底上表面，两电极相互平行，且之间有一间隙，两电极的一侧分别通过引线各与一引出电极电连接；

薄板一侧沿与支撑柱上端固接，支撑柱下端固接于衬底的上表面；薄板悬空设置在衬底上方，其投影覆盖两电极；

薄板下表面和两电极上表面平行，之间有一间隙，使薄板与两电极构成两个串联的电容器。

所述的传感器，其所述衬底为正方形或者长方形或者圆形板。

所述的传感器，其所述薄板为正方形或者长方形或者圆形薄板。

所述的传感器，其所述电极的形状为长方形或者半圆形。

所述的传感器，其所述支撑柱为绝缘体，其形状为“一”字或者“工”字或者“T”字形，其大小与衬底相适配。

本发明的优点：采用MEMS技术，降低器件的成本，减小器件的功耗；电气连接采用电容方式，结构简单，功耗小、响应快、温漂小。

附图说明

图1示出本发明微型电容式风速传感器结构示意图；

图2示出本发明微型电容式风速传感器衬底结构示意图；

图3示出本发明微型电容式风速传感器剖面示意图。

具体实施方式

本发明的技术方案：风吹过传感器导致微型薄板结构的弯曲形变，衬底上的电极将这种弯曲形变信号转变为电容值的变化，通过测量传感器的输出电容可以获得风速信息。具体原理如下：

风作用于薄板的力F(x)是薄板长度的函数，薄板所受到的力F(x)如下式所示。

$\mathrm{dF}\left(x\right)=\frac{1}{2}{C}_D{\mathrm{\ρu}}^2\mathrm{bdx}$

其中C_D是绕流阻力因素，ρ是空气密度，u为风速，b为薄板宽度。薄板的挠度w(x)是薄板长度的函数，如下式所示。

$\mathrm{dw}\left(x\right)=\frac{x^2}{6\mathrm{EJ}}(x-3L)\mathrm{dF}\left(x\right)$

其中L为薄板长度，E为薄板材料的杨氏弹性模量，J为薄板的截面惯性矩。

故薄板的挠度w(x)如下式所示。

$w\left(x\right)=\frac{C_D\mathrm{\ρ}{\mathrm{bu}}^2}{12\mathrm{EJ}}{\∫}_0^x{x}^2(x-3L)\mathrm{dx}$

两个电极分别和薄板构成电容器，两个电容器串联，单个电容器电容的变化量dC(x)如下式所示。

$\mathrm{dC}\left(x\right)=\frac{\mathrm{\ϵb}}{2}\frac{\mathrm{dx}}{d_0-w\left(x\right)}$

其中ε为极板间介质的介电常数，d₀是风速为零时两极板的间距。

故风速为u时，传感器输出的电容为两个电容器串联后的等效电容，如下式所示。

$C=\frac{\mathrm{\ϵb}}{4}{\∫}_0^L\frac{\mathrm{dx}}{d_0-\frac{C_D\mathrm{\ρ}{\mathrm{bu}}^2}{12\mathrm{EJ}}{\∫}_0^x{x}^2(x-3L)\mathrm{dx}}$

本发明所指的微型电容式风速传感器，特点是结构简单，功耗小、响应快、温漂小，可批量生产等特性。本发明的传感器可以广泛应用于航空航天、工农业生产和气象应用等领域。

下面将结合附图对本发明加以详细说明。

如图1本发明微型电容式风速传感器结构示意图，图2是本发明微型电容式风速传感器衬底结构示意图，图3是本发明微型电容式风速传感器剖面图。

本发明微型电容式风速传感器结构包括：薄板1、电极2、支撑柱3、引出电极4、衬底5。其中，衬底5为板状，两电极2、两引出电极4固置于衬底5上表面，两电极2之间相互平行、且有一间隙，两引出电极4之间也相互平行。两电极2一侧分别通过引线各与一引出电极4电连接。

薄板1一侧沿与支撑柱3上端固接，支撑柱3下端固接于衬底5的上表面；薄板1悬空设置在衬底5上方，其投影覆盖两电极2。薄板1下表面和两电极2上表面平行，之间有一间隙，使薄板1与两电极2构成两个串联的电容器。

两引出电极4与电容测量传感器输入端电连接(图中没有示出)。

薄板1的形状为长方形。

电极2的形状为长方形。

支撑柱3的形状可为“一”字形长方体。

衬底5的形状为长方形。

本发明的这种微型电容式风速传感器的工作原理是：

被测风吹到传感器后，薄板1因受到风力的作用发生弯曲形变，衬底5上的两电极2因薄板1的弯曲形变而使两者之间的电容值发生变化，电容测量传感器依据输出的电容值可以测量风速。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用，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，都应涵盖在本发明所包含的范围之内，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种微型电容式风速传感器，其特征在于：包括薄板(1)、电极(2)、支撑柱(3)、引出电极(4)、衬底(5)；其中，

衬底(5)为板状，两电极(2)、两引出电极(4)固置于衬底(5)上表面，两电极(2)相互平行，且之间有一间隙，两电极(2)的一侧分别通过引线各与一引出电极(4)电连接；

薄板(1)一侧沿与支撑柱(3)上端固接，支撑柱(3)下端固接于衬底(5)的上表面；薄板(1)悬空设置在衬底(5)上方，其投影覆盖两电极(2)；

薄板(1)下表面和两电极(2)上表面平行，之间有一间隙，使薄板(1)与两电极(2)构成两个串联的电容器。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述衬底(5)为正方形或者长方形或者圆形板。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述薄板(1)为正方形或者长方形或者圆形板。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述两电极(2)的形状为长方形或者半圆形。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述支撑柱(3)为绝缘体，其形状为“一”字或者“工”字或者“T”字形，其大小与衬底(5)相适配。

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