CN103048487B - 一种高灵敏度风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度风速风向传感器，其包括衬底（1）、绝缘体（2）、分别设在绝缘体（2）表面且相距一定距离的第一底部阳极（3）和第二底部阳极（4）、与绝缘体（2）相连的支撑锚区（5）、与支撑锚区（5）相连的弹性膜（8）、与弹性膜（8）相连的刚性薄板（9），设置在刚性薄板（9）上的风杆（10）；风杆（10）位于刚性薄板（9）中心，第一底部阳极（3）和第二底部阳极（4）相对刚性薄板（7）中心对称放置，该风向传感器还包括设置在刚性薄板（9）下端且分别与第一底部阳极（3）和第二底部阳极（4）相对设置的第一尖端发射极（6）和第二尖端发射极（7）。本发明具有检测灵敏度高、功耗低、体积小和温漂小等特点。

Description

一种高灵敏度风速风向传感器

技术领域

本发明涉及一种高灵敏风速传感器的结构，尤其是采用检测尖端发射电流实现风速测量的小型风速传感器结构。

背景技术

风速风向传感器在环境监测、野外作业等方面有广泛的应用。该类传感器一般由传统的风杯和风向标结构、纯固态的热丝或热膜结构、以及超声风速测量系统等。传统风杯和风向标结构体积较大、一般在数十厘米或以上，且存在转动部件，容易磨损；热式风速传感器虽然可以做的很小，但温漂和功耗是其固有的问题，需要改进；超声风速传感器近年来得到很大的发展，该传感器具有精度高，测量范围大，且使用寿命长等诸多突出优点。其不利因素是体积较大（10厘米以上），价格偏高。在野外作业等测量方面，需要小型测试系统。同时由于结构微小，传感器需要高灵敏才能实现较好的低风敏感。因此超小型便携风速风向测量系统仍得到人们的关注并试图研发出新型产品。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种高灵敏的风速测量结构。该测量结构由一中间固定垂直风杆的可变形的导电薄板和其下两个或四个对称放置的微尖端发射阴极组成。垂直风杆受风压带动导电薄板产生变形，导致薄板边缘的两个或四个发射尖端与衬底上的阳极间距发生变化。由于发射电流强烈依赖于该间距，因此通过测量这两个或四个尖端阴极中流过的电流大小并计算相对边的电流差，根据一定的算法并校准就可反映风速和风向的信息。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明公开了一种高灵敏度风速风向传感器，其包括衬底、设置在衬底表面的绝缘体、分别设在绝缘体表面且相距一定距离的第一底部阳极和第二底部阳极、与绝缘体相连的支撑锚区、与支撑锚区相连的弹性膜、与弹性膜相连的刚性薄板，设置在刚性薄板上的风杆；

风杆位于刚性薄板中心，第一底部阳极和第二底部阳极相对刚性薄板中心对称放置，

该风向传感器还包括设置在刚性薄板下端且分别与第一底部阳极和第二底部阳极4相对设置的第一尖端发射极和第二尖端发射极。

优选的，刚性薄板为导体，它通过弹性膜与锚区相连。

优选的，第一底部阳极和第二底部阳极之间的距离为0.1至2微米，第一尖端发射极和第二尖端发射极之间的距离为0.1至2微米。

有益效果：基于尖端发射电流检测原理的风速传感器，可采用微机械加工工艺批量制造，成本低廉。同时结构可以做的很小，比如在5厘米以内。可满足便携需要；采用尖端发射电流检测原理实现风速和风向敏感，由于电流大小和间距成指数关系，因此灵敏度比压阻和电容检测原理更高。查分电流检测原理避免了温度等其他效应的影响，因此传感器的温漂小；通过控制工作电压可使电流在较小的数值，比如1mA以下工作，因此功耗相比热风速传感器要低。

附图说明

图1为本发明的剖面示意图。

其中：衬底材料1，绝缘材料2，第一底部阳极3，第二底部阳极4，支撑锚区5，第一尖端发射极6，第二尖端发射极7，弹性膜8，刚性薄板9和风杆10。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明提供的高灵敏度风速风向传感器，其包括衬底1、设置在衬底1表面的绝缘体2、分别设在绝缘体2表面且相距一定距离的第一底部阳极3和第二底部阳极4、与绝缘体2相连的支撑锚区5、与支撑锚区5相连的弹性膜8、与弹性膜8相连的刚性薄板9，设置在刚性薄板9上的风杆10；风杆10位于刚性薄板9中心，第一底部阳极3和第二底部阳极4相对刚性薄板7中心对称放置，该风向传感器还包括设置在刚性薄板9下端且分别与第一底部阳极3和第二底部阳极4相对设置的第一尖端发射极6和第二尖端发射极7。

刚性薄板9为导体，它通过弹性膜8与锚区5相连。

第一底部阳极3和第二底部阳极4之间的距离为0.1至2微米，第一尖端发射极6和第二尖端发射极之间的距离为0.1至2微米。

具体而言，本发明提出的高灵敏风速风向传感器利用检测尖端发射电流的原理测量风速和风向。传感器的剖面示意图如附图1所示，图中整个结构由衬底材料1、绝缘材料2、底部阳极3、4和支撑锚区5、尖端发射阴极6和7、弹性膜8、刚性薄板9和风杆10组成。衬底材料1上放置一层绝缘介质材料2，其上两边设置支撑锚区5，刚性薄板9在器件的中心，通过弹性膜8与锚区5相连。风杆10在刚性薄板9的中心上方垂直放置，刚性薄板9的下边缘附近设置向下的尖端发射阴极6和7，他们相对于刚性薄板9中心对称，且与底部阳极3和4一一对准并保留一微小间隙。无风时风杆10垂直于衬底1，尖端发射阴极6和7相对于风杆中心对称，并与其下对应阳极3和4的间距相等。当有风水平吹过传感器表面，导致风杆倾斜，带动刚性薄板9在弹性膜8的拉伸和挤压下产生倾斜，导致刚性薄板9的两边上的尖端发射阴极6和7尖部与阳极3和4的间距发生相反的变化。风下游的间距变小，发射电流增大，上游的间距变大，发射电流减小，电流大小符合公式（1）。两个电流的差与风速之间存在单调的关系，差的符号与风向有关。因此，通过后续标定就可获得风速信息。如果刚性薄膜9设置成正方形结构，并增加到4个发射尖端，就可获得x和y方向的电流差值，从而可获得二维风速和风向信息。

$J=\frac{1.56\×{10}^{-6}{E}_{\mathrm{loc}}^2}{\mathrm{\φ}}\exp (-\frac{6.83\×{10}^7{\mathrm{\φ}}^{\frac{3}{2}}}{E_{\mathrm{loc}}})---\left(1\right)$

式中，φ为溢出功，E_1oc为尖端处场强，该值与尖端到阳极间距成正比。

本发明是一种检测尖端发射电流实现风速测量的高灵敏风速传感器。由衬底材料1、绝缘材料2、底部阳极3、4和支撑锚区5、尖端发射阴极6和7、弹性膜8、刚性薄板9和风杆10组成。其中尖端发射阴极6、7相对刚性薄板9中心对称放置，风杆8也需安装在刚性薄板9的中心上方位置。弹性膜8的设置用于方便刚性薄板9在风杆10带动下变形，弹性膜8、支撑锚区5和刚性薄板9可以由同种材料构成。如果将刚性薄板9、弹性膜8和锚区5设计成完整封闭结构，可以避免环境灰尘和湿度对传感器的影响。

本传感器结构的制作过程为：首先玻璃基板作为衬底1，由于玻璃材料为绝缘材料，因此其本身也可作为绝缘材料2，然后采用磁控溅射的原理在衬底1的上表面生长一层金属薄膜，例如铝等。对该层金属进行光刻和腐蚀形成底部阳极电极3和4；再选用另一普通型硅片100，先通过热氧化原理在表面生长一层氧化层，然后进行光刻，将锚区5和尖端6和7之外的硅采用各向异性硅腐蚀溶液（比如氢氧化钾溶液）腐蚀加工，形成硅微尖端。接下来将弹性膜8位置的硅采用反应离子技术刻蚀掉3-5微米。这样使弹性膜8的硅层比刚性薄膜9的硅层薄3-5微米，然后采用氢氟酸溶液腐蚀去除表面的氧化层，将该加工过的硅表面和上一片已经制作了电极的玻璃片进行阳极键合，再采用化学机械抛光的方法将硅片减薄到一定厚度，使弹性膜8的厚度约5-20微米左右。最后对减薄后的硅表面进行光刻和感应耦合等离子干法刻蚀，形成图1所示硅膜结构并露出底部电极区。最终加工的圆片经划片后再在刚性膜9的中心用环氧胶安装风杆10就完成了整个器件的制作。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高灵敏度风速风向传感器，其特征在于，其包括衬底（1）、设置在衬底（1）表面的绝缘体（2）、分别设在绝缘体（2）表面且相距一定距离的第一底部阳极（3）和第二底部阳极（4）、与绝缘体（2）相连的支撑锚区（5）、与支撑锚区（5）相连的弹性膜（8）、与弹性膜（8）相连的刚性薄板（9），设置在刚性薄板（9）上的风杆（10）；

风杆（10）位于刚性薄板（9）中心，第一底部阳极（3）和第二底部阳极（4）相对刚性薄板（7）中心对称放置，

该高灵敏度风速风向传感器还包括设置在刚性薄板（9）下端且分别与第一底部阳极（3）和第二底部阳极（4）相对设置的第一尖端发射极（6）和第二尖端发射极（7）。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度风速风向传感器，其特征在于，刚性薄板（9）为导体，它通过弹性膜（8）与锚区（5）相连。

3.根据权利要求1或2所述的高灵敏度风速风向传感器，其特征在于，第一底部阳极（3）和第二底部阳极（4）之间的距离为0.1至2微米，第一尖端发射极（6）和第二尖端发射极（7）之间的距离为0.1至2微米。