CN101655569B - 一种微机械电容式风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

一种微机械电容式风速风向传感器，涉及传感技术，包括衬底、阻流体、敏感梁、固定叉指、可动叉指、支撑体和引出电极。阻流体是被风吹动的敏感结构；固定叉指和可动叉指构成四组相互正交的电容器，用作测量结构；固定叉指支撑体提供固定叉指和引出电极的电连接并为固定叉指提供支撑，可动叉指支撑体提供可动叉指和引出电极的电连接，并为阻流体、敏感梁和可动叉指提供支撑，衬底为整个传感器的支撑结构。风力作用阻流体使敏感梁弯曲形变，使固定叉指和可动叉指相对面积变化，引起电容器电容改变，测量四组电容器输出电容的变化值可检测风速和风向。本发明用电容作为测量信号，可同时测量风速和风向，具有结构简单、功耗小、响应快、温漂小等优点。

Description

一种微机械电容式风速风向传感器

技术领域

本发明属于传感技术领域，特别涉及基于微电子机械系统技术的风速风向传感器。

背景技术

风速和风向参数是气象观测的基本要素之一，在航空航天、工农业生产、气象预报，气候分析等领域应用广泛。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，常规的测风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，部分常规的测风传感器测量准确度低、实时性差、不能同时测量风速和风向，且都具有体积较大的缺点，已不能完全满足测量准确度和特定环境风速和风向测量的要求。

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，成本低的微型测风传感器。

目前，微型测风传感器的研制主要有热式微型测风传感器和非热式微型测风传感器。

热式微型测风传感器基于热源在风流流过后产生热梯度的原理来测量风速风向。具有两种工作方式：通过测量热线热电阻变化的恒流工作方式和通过测量加热电流的恒温工作方式。热式微型测风传感器具有测量简单、工艺易控制、应用广泛、可同时测量风速风向等优点，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。

非热式微型测风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，通过传感器的二次封装来实现风向测量。其信号检测多采用电容、压阻、压电等方法。其中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。非热式微型测风传感器具有功耗低，温漂小、响应快等优点，缺点是结构相对复杂、难以实现风速风向的单片测量。

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、可同时测量风速和风向的非热式微机械电容式风速风向传感器。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种微机械电容式风速风向传感器，包括衬底、阻流体、敏感梁、支撑体和引出电极；其还包括固定叉指、可动叉指、固定叉指支撑体、可动叉指支撑体；其中，

衬底为板状绝缘体，引出电极固置于衬底的上表面，引出电极的一侧通过引线分别与固定叉指支撑体、可动叉指支撑体电连接；

阻流体、敏感梁、固定叉指、可动叉指、固定叉指支撑体、可动叉指支撑体为导电体；阻流体的一侧与多数个片状可动叉指固连，两端分别与两敏感梁的一端固连，两敏感梁的另一端与可动叉指支撑体固连，阻流体、敏感梁、多数个可动叉指悬空设置在衬底上表面上方，可动叉指支撑体固置于衬底的上表面；多数个片状可动叉指相互平行设置，其平行方向与阻流体轴向正交；

固定叉指支撑体的四个侧面顶端分别和多数个片状固定叉指固连，多数个固定叉指和固定叉指支撑体分别固置于衬底的上表面，位于衬底中心部分；多数个片状固定叉指相互平行设置，其平行方向与固定叉指支撑体的四个侧面正交；

阻流体、敏感梁、可动叉指和可动叉指支撑体围于固定叉指和固定叉指支撑体四周；多数个片状固定叉指和多数个片状可动叉指交叉配置，相互之间有一间隙，使两者构成一电容器。

所述的传感器，其所述衬底的形状为正方形或者圆形。

所述的传感器，其所述阻流体的形状为长方形。

所述的传感器，其所述敏感梁形状为长方形。

所述的传感器，其所述多数个片状固定叉指、可动叉指的形状为正方形或者长方形，固定叉指和可动叉指的数目相同。

所述的传感器，其所述固定叉指支撑体为十字形，十字形的四个侧面顶端分别和多数个片状固定叉指固连；可动叉指支撑体为长方形，其一侧面与敏感梁的另一端固连。

所述的传感器，其所述引出电极的形状为片状正方形或者长方形。

本发明的优点：采用微电子机械系统(MEMS)技术制作，结构简单、降低器件的成本，减小器件的功耗；电气连接采用电容方式，功耗小、响应快、温漂小，可实现风速和风向信息的单片测量。

本发明的传感器可以广泛应用于航空航天、工农业生产、气象预报和气候分析等领域。

附图说明

图1示出本发明微机械电容式风速风向传感器结构示意图；

图2示出本发明微机械电容式风速风向传感器俯视图；

图3示出本发明微机械电容式风速风向传感器正面视图；

图4示出本发明微机械电容式风速风向传感器侧面视图。

具体实施方式

本发明的技术方案：风吹过传感器作用于阻流体使敏感梁弯曲和形变，引起固定叉指和可动叉指相对面积的变化，从而引起四组正交电容器输出电容值的变化，测量传感器输出电容值的变化可以获得风速信息，根据获得的两个方向的风速信息可以解算出风速和风向。具体原理如下：

风吹过传感器作用于阻流体，阻流体所受到的力F_D如下式所示。

$F_D=C_D\frac{{\mathrm{\ρu}}^2}{2}A$

其中C_D是绕流阻力因数，ρ是空气密度，u为风速，A为阻流体迎流面的面积。

敏感梁与阻流体相连的一端受到集中力载荷F_D作用，敏感梁沿其长度方向的挠度分布函数w(x)如下式所示。

$w\left(x\right)=\frac{F_{D}L}{2\mathrm{EJ}}{x}^2(1-\frac{x}{3L})$

其中L为敏感梁的长度，E为敏感梁材料的杨氏弹性模量，J为敏感梁的截面惯性矩。

敏感梁与阻流体相连的一端端点处的挠度w_max如下式所示。

$w_{\max }=C_D\frac{{\mathrm{\ρu}}^2{L}^3}{6\mathrm{EJ}}A$

此时固定叉指和可动叉指构成电容器的电容变化值如下式所示。

$\mathrm{\ΔC}=\frac{{\mathrm{\ϵw}}_{\max }h}{d_0}$

其中ε为极板间介质的介电常数，d₀是固定叉指和可动叉指之间的间距，h为可动叉指的高度。

故风速为u时，传感器输出电容的变化值如下式所示。

$N_0*\mathrm{\ΔC}=N_0\frac{{\mathrm{\ϵC}}_D\mathrm{\ρA}{L}^{3}h}{6\mathrm{EJ}{d}_0}{u}^2$

其中N₀为M个固定叉指和N个可动叉指所构成的电容器的个数。

令所获得的南北方向的风速值为u_ns，东西方向的风速值为u_ew，则实际风速如下式所示。

$u=\sqrt{{u_{\mathrm{ns}}}^2+{u_{\mathrm{ew}}}^2}$

风向角度值θ如下式所示。

θ＝arctan(u_ns/u_ew)

本发明所指的微机械电容式风速风向传感器，特点是可同时测量风速和风向、结构简单、功耗小、响应快、温漂小，可批量生产等。

下面将结合附图对本发明加以详细说明。

如图1为本发明微机械电容式风速风向传感器结构示意图，图2示出本发明微机械电容式风速风向传感器俯视图，图3示出本发明微机械电容式风速风向传感器正面视图，图4示出本发明微机械电容式风速风向传感器侧面视图；

本发明微机械电容式风速风向传感器结构包括：衬底1、阻流体2、敏感梁3、固定叉指4、可动叉指5、固定叉指支撑体6、可动叉指支撑体7、引出电极8；其中，

衬底1为绝缘体，阻流体2、敏感梁3、固定叉指4、可动叉指5、固定叉指支撑体6、可动叉指支撑体7为导电体；

衬底1为板状，引出电极8固置于衬底1的上表面，引出电极8的一侧通过引线分别与固定叉指支撑体6、可动叉指支撑体7电连接；

阻流体2的一侧与可动叉指5相连，两端分别与敏感梁3的一端相连，敏感梁3的另一端与可动叉指支撑体7相连，阻流体2、敏感梁3、可动叉指5悬空设置在衬底1上方，可动叉指支撑体7固置于衬底1的上表面；

固定叉指支撑体6的四个侧面分别和固定叉指4相连，固定叉指4和固定叉指支撑体6分别固置于衬底1的上表面；

固定叉指4和可动叉指5之间有一间隙，使两者构成一电容器。

衬底1的形状为正方形。

阻流体2的形状为长方形。

敏感梁3形状为长方形。

固定叉指4、可动叉指5的形状为长方形。

每组电容器所包含固定叉指4的个数M为5、可动叉指5的个数N为5。

固定叉指支撑体6的形状为“十”字形，可动叉指支撑体7的形状为长方形。

引出电极8的形状为长方形。

本发明的这种微机械电容式风速风向传感器的工作原理是：

被测风吹到传感器后，风力作用于阻流体2使敏感梁3弯曲和形变，引起固定叉指4和可动叉指5相对面积的变化，从而引起四组正交电容器    输出电容值的变化，测量传感器的输出电容值的变化可以获得风速信息，根据获得的两个方向的风速信息可以解算出风速和风向。

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 (7)

1.一种微机械电容式风速风向传感器，包括衬底(1)、阻流体(2)、敏感梁(3)、固定叉指(4)、可动叉指(5)、固定叉指支撑体(6)、可动叉指支撑体(7)；引出电极(8)；其特征在于：其中，

衬底(1)为板状绝缘体，引出电极(8)固置于衬底(1)的上表面，引出电极(8)的一侧通过引线分别与固定叉指支撑体(6)、可动叉指支撑体(7)电连接；

阻流体(2)、敏感梁(3)、固定叉指(4)、可动叉指(5)、固定叉指支撑体(6)、可动叉指支撑体(7)为导电体；阻流体(2)的一侧与多数个片状可动叉指(5)固连，两端分别与两敏感梁(3)的一端固连，两敏感梁(3)的另一端与可动叉指支撑体(7)固连，阻流体(2)、敏感梁(3)、多数个可动叉指(5)悬空设置在衬底(1)上表面上方，可动叉指支撑体(7)固置于衬底(1)的上表面；多数个片状可动叉指(5)相互平行设置，其平行方向与阻流体(2)轴向正交；

固定叉指支撑体(6)的四个侧面顶端分别和多数个片状固定叉指(4)固连，多数个固定叉指(4)和固定叉指支撑体(6)分别固置于衬底(1)的上表面，位于衬底(1)中心部分；多数个片状固定叉指(4)相互平行设置，其平行方向与固定叉指支撑体(6)的四个侧面正交；

阻流体(2)、敏感梁(3)、可动叉指(5)和可动叉指支撑体(7)围于固定叉指(4)和固定叉指支撑体(6)四周；多数个片状固定叉指(4)和多数个片状可动叉指(5)交叉配置，相互之间有一间隙，使两者构成一电容器。

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

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述阻流体(2)的形状为长方形。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述敏感梁(3)形状为长方形。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述多数个片状固定叉指(4)、可动叉指(5)的形状为正方形或者长方形，固定叉指(4)和可动叉指(5)的数目相同。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述固定叉指支撑体(6)为十字形，十字形的四个侧面顶端分别和多数个片状固定叉指(4)固连；可动叉指支撑体(7)为长方形，其一侧面与敏感梁(3)的另一端固连。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述引出电极(8)的形状为片状正方形或者长方形。

Images