CN103439527B - 电容式微机械风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式微机械风速风向传感器，包括衬底、锚区、四个弹簧结构，以及四个测风电容。锚区和四个测风电容分别设置在衬底的表面，四个测风电容分别为结构相同的上测风电容、下测风电容、左测风电容，以及右测风电容，并且四个测风电容分别分布在锚区的上下左右四个方向。其中，四个测风电容分别由一组弧形可动电极和弧形固定电极组成，上测风电容的弧形可动电极内凹面朝右，右测风电容的弧形可动电极内凹面朝下，下测风电容的弧形可动电极内凹面朝左，左测风电容的弧形可动电极内凹面朝上；四个测风电容分别通过一个弹簧结构连接到所述锚区。本发明能够降低微机械风速风向传感器的功耗的同时提高微机械风速风向传感器的响应速度。

Description

电容式微机械风速风向传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种微机械风速风向传感器。

背景技术

传统的风速风向传感器采用包括风杯和风向标的转动结构，由于体积较大不易携带且转动结构易磨损需要经常维护，因此传统的风速风向传感器正逐渐被微机械固态风速风向传感器所取代。

根据工作原理不同，微机械固态风速风向传感器主要划分为两大类：热式和非热式。其中热式微机械风速风向传感器又有热线式、热膜式、热球式等多种结构，这类传感器一般可以实现与CMOS工艺兼容，测量较为简单，工艺易控制。但热式传感器也存在着功耗大，衬底热传导导致测量误差，零点漂移、响应时间长等缺点。非热式微机械风速风向传感器主要利用物理方法实现对风速、风向的测量，例如采用力学、光学、电磁学等基本原理。一种典型结构是，基于光电导原理的非热式风速风向传感器系统，该系统利用带有光源发射的传感头将风速风向的信号转变成电信号检出。该传感器能同时检测风向和风速，不受环境温度影响，稳定性好。不过其光源发射传感头的制作较为复杂且难与微加工工艺集成。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，本发明所要解决的技术问题是提供一种电容式微机械风速风向传感器，能够降低微机械风速风向传感器的功耗的同时提高微机械风速风向传感器的响应速度。

技术方案：电容式微机械风速风向传感器，包括衬底、锚区、四个弹簧结构，以及四个测风电容；所述锚区和四个测风电容分别设置在所述衬底的表面；所述四个测风电容分别为结构相同的上测风电容、下测风电容、左测风电容，以及右测风电容，并且所述四个测风电容分别分布在所述锚区的上下左右四个方向；其中，所述四个测风电容分别由一组弧形可动电极和弧形固定电极组成，所述上测风电容的弧形可动电极内凹面朝右，所述右测风电容的弧形可动电极内凹面朝下，所述下测风电容的弧形可动电极内凹面朝左，所述左测风电容的弧形可动电极内凹面朝上；所述四个测风电容分别通过一个弹簧结构连接到所述锚区。

作为本发明的优选方案，所述衬底采用玻璃片衬底。

电容式微机械风速风向传感器的制备方法，所述锚区、四个弹簧结构，以及四个测风电容均基于硅片制备而成，包括如下步骤：

步骤1)，在硅片背面刻蚀出所述锚区；

步骤2)，将硅片背面与所述玻璃片衬底进行阳极键合；

步骤3)，在所述键合的硅片正面刻蚀出所述四个测风电容和四个弹簧结构，并且所述四个测风电容分别通过一个弹簧结构连接到所述锚区。

有益效果：与现有技术相比，本发明的电容式微机械风速风向传感器具有以下有益效果：

1.本发明的电容式微机械风速风向传感器采用电容作为敏感元件进行风速和风向测量，由于电容不存在直流功耗，且电容测量时只需要使用交流小信号，因此传感器功耗极低。

2.本发明的电容式微机械风速风向传感器采用由电容的可动电极对风速进行响应，由于该机测风电容的机械响应时间较短一般在微秒量级，而热式风速计的响应时间一般在几百毫秒甚至几秒，因此本发明的传感器响应速度得到了提高。

3.本发明的电容式微机械风速风向传感器结构简单易加工，可采用微加工方法进行批量制造，因此传感器成本较低。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的沿AA’的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1、图2所示的电容式微机械风速风向传感器，包括衬底1、锚区2、四个弹簧结构3，以及四个测风电容4。锚区2和四个测风电容4分别设置在衬底1的表面；该四个测风电容4分别为结构相同的上测风电容、下测风电容、左测风电容，以及右测风电容，并且该四个测风电容4分别分布在锚区2的上下左右四个方向。其中，四个测风电容4分别由一组弧形可动电极和弧形固定电极组成，其中上测风电容由弧形可动电极44和弧形固定电极54组成，下测风电容由弧形可动电极42和弧形固定电极52组成，左测风电容由弧形可动电极43和弧形固定电极53组成，右测风电容由弧形可动电极41和弧形固定电极51组成。上测风电容的弧形可动电极44内凹面朝右，右测风电容的弧形可动电极41内凹面朝下，下测风电容的弧形可动电极42内凹面朝左，左测风电容的弧形可动电极43内凹面朝上。四个测风电容4分别通过一个弹簧结构3连接到锚区2。其中，衬底采用玻璃片衬底。每个测风电容的弧形可动电极和弧形固定电极的内凹面朝向一致，测风电容的可动电极与弹簧结构连接。

该电容式微机械风速风向传感器的锚区2、四个弹簧结构3，以及四个测风电容4均基于硅片制备而成，制备方法包括如下步骤：

步骤1)，在硅片背面刻蚀出所述锚区2；

步骤2)，将硅片背面与所述玻璃片1衬底进行阳极键合；

步骤3)，在所述键合的硅片正面刻蚀出所述四个测风电容4和四个弹簧结构3，并且所述四个测风电容4分别通过一个弹簧结构3连接到所述锚区2。

本发明的一种电容式微机械风速风向传感器工作原理如下：由于测风电容4的可动极板和固定极板采用了弧形结构，且可动弧形电极除了内凹面方向的其它三个方向都有固定弧形电极作阻挡，因此某个测风电容只对朝其内凹面方向吹的风有响应。吹到测风电容上的风越大，则由于风力导致的可动弧形电极的形变就越大，且由于某个测风电容只对朝其内凹面方向吹的风有响应，因此可动弧形电极和固定弧形电极的间隙就越小，最终测得的电容值就越大。当风从上下左右正面吹过时，只会导致一个测风电容有响应，根据测风电容的位置可以得到风向，而根据测风电容的变化量则可以计算出风速大小；当风从上下左右斜角吹过时，会导致两个测风电容有响应，根据这两个测风电容的位置及其变化量的比值关系可以计算出风向，而根据这两个测风电容的变化量则可以计算出风速大小。

工作过程如下：当有自下测风电容往上测风电容吹的风时，由于固定电极的阻挡，只有内凹面朝下的可动电极41会发生形变，其对应的右测风电容值将会增大，电容值越大表明风速越大；当有自上测风电容往下测风电容吹的风时，由于固定电极的阻挡，只有内凹面朝下的可动电极43会发生形变，其对应的左测风电容值将会增大，电容值越大表明风速越大；当有自右测风电容往左测风电容吹的风时，由于固定电极的阻挡，只有内凹面朝下的可动电极44会发生形变，其对应的上测风电容值将会增大，电容值越大表明风速越大；当有自左测风电容往右测风电容吹的风时，由于固定电极的阻挡，只有内凹面朝下的可动电极42会发生形变，其对应的下测风电容值将会增大，电容值越大表明风速越大。

当有右下角往左上角吹的风时，会导致可动电极41和可动电极44发生形变，其对应的右测风电容和上测风电容将会增大，测风电容值越大表明风速越大。且右测风电容与上测风电容变化量的比值越大，表明该斜吹入的风与自下往上的风之间的夹角越小，反之则与自右往左的风之间的夹角越小；当有左上角往右下角吹的风时，会导致可动电极42和可动电极43发生形变，其对应的下测风电容和左测风电容将会增大，测风电容值越大表明风速越大。且下测风电容与左测风电容变化量的比值越大，表明该斜吹入的风与自左往右的风之间的夹角越小，反之则与自上往下的风之间的夹角越小；当有右上角往左下角吹的风时，会导致可动电极43和可动电极44发生形变，其对应的左测风电容和上测风电容将会增大，测风电容值越大表明风速越大。且左测风电容与上测风电容变化量的比值越大，表明该斜吹入的风与自上往下的风之间的夹角越小，反之则与自右往左的风之间的夹角越小；当有左下角往右上角吹的风时，会导致可动电极41和可动电极42发生形变，其对应的右测风电容和下测风电容将会增大，测风电容值越大表明风速越大。且右测风电容与下测风电容变化量的比值越大，表明该斜吹入的风与自下往上的风之间的夹角越小，反之则与自左往右的风之间的夹角越小。

本发明的电容式微机械风速风向传感器具体使用时，首先使用风洞设备对该风速风向传感器进行标定，建立风速风向与四个测风电容值之间的对应关系。测量时，同时对四个测风电容值进行监测，对照标定值，即可得到待测量的风速和风向值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.电容式微机械风速风向传感器，其特征在于：包括衬底(1)、锚区(2)、四个弹簧结构(3)，以及四个测风电容(4)；所述锚区(2)和四个测风电容(4)分别设置在所述衬底(1)的表面；所述四个测风电容(4)分别为结构相同的上测风电容、下测风电容、左测风电容，以及右测风电容，并且所述四个测风电容(4)分别分布在所述锚区(2)的上下左右四个方向；其中，所述四个测风电容(4)分别由一组弧形可动电极和弧形固定电极组成，所述上测风电容的弧形可动电极内凹面朝右，所述右测风电容的弧形可动电极内凹面朝下，所述下测风电容的弧形可动电极内凹面朝左，所述左测风电容的弧形可动电极内凹面朝上；所述四个测风电容(4)分别通过一个弹簧结构(3)连接到所述锚区(2)。

2.根据权利要求1所述的电容式微机械风速风向传感器，其特征在于：所述衬底(1)采用玻璃片衬底。

3.如权利要求2所述的电容式微机械风速风向传感器的制备方法，其特征在于：所述锚区(2)、四个弹簧结构(3)，以及四个测风电容(4)均基于硅片制备而成，包括如下步骤：

步骤1)，在硅片背面刻蚀出所述锚区(2)；

步骤2)，将硅片背面与所述玻璃片衬底(1)进行阳极键合；

步骤3)，在所述键合的硅片正面刻蚀出所述四个测风电容(4)和四个弹簧结构(3)，并且所述四个测风电容(4)分别通过一个弹簧结构(3)连接到所述锚区(2)。