CN104536063A - 一种压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，包括中空结构的衬底，衬底中部设置有电容下极板，下极板左右两端分别通过弹性梁与衬底连接；两个结构层的根部通过绝缘层固定在衬底上形成弹性悬臂梁，结构层的自由端悬于相应侧的弹性梁和电容下极板上方；在结构层的上表面，根部位置区域设置有压阻，自由端的末端设置有电容上电极；在下极板上表面中心设置有凸杆结构，凸杆结构穿过两个结构层之间的间隙，并高出两个结构层；结构层和凸杆结构通过弹性胶与上方的保护层粘接；电容上电极和电容下电极构成电容敏感机构，压阻构成压阻敏感结构。这种器件结构具有体积小、功耗低、受环境因素影响小和低雨量灵敏度高等特点。

Description

一种压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构
技术领域
本发明涉及一种双敏感雨量传感器的结构，尤其是采用MEMS技术并结合压阻与电容两种敏感测量方式实现的雨量传感器结构。
背景技术
雨量传感器在气象监测、降水灾害预警等方面有着重要的应用。传统的雨量传感器常用翻斗式雨量计，其原理主要依赖机械结构，虽然成本低、功耗小，但机械结构易磨损且维护麻烦。随着科技的进步，一些新型的雨量计如雨滴谱仪与光、声等物理量敏感的雨量计得到了发展。雨滴谱仪可以较准确地测量雨滴大小、速度和分布，但存在雨滴重叠带来的测量误差及易受环境噪声影响的问题；而声、光雨量计虽没有可动部件，但容易受到风及空气中灰尘粒子的影响。而采用MEMS技术设计并制造的雨量计在智能化、低成本、抗环境干扰等方面有着突出的优势，但在雨量由小增大的过程中很难保持测量精度。因此如何设计一种在小雨滴时测量灵敏度高，且兼顾暴雨情形下测量精度的MEMS雨量传感器是目前研究的关键。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，具有体积小、功耗低、受环境因素影响小和低雨量灵敏度高等特点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，包括左右对称的雨量传感单元，所述雨量传感单元包括中空结构的衬底，在衬底的中部设置有电容下极板，下极板的左右两端分别通过弹性梁与衬底内沿的左右两侧连接；在衬底的上方设置有绝缘层，两个结构层的根部通过绝缘层固定在衬底上形成弹性悬臂梁，结构层的自由端悬于相应侧的弹性梁和电容下极板上方，两个结构层之间存在间隙；在结构层的上表面，根部位置区域设置有压阻，自由端的末端设置有电容上电极；在下极板上表面中心设置有凸杆结构，凸杆结构穿过两个结构层之间的间隙，并高出两个结构层，凸杆结构的上端为大端头；结构层和凸杆结构通过弹性胶与上方的保护层粘接，弹性胶仅粘接结构层的上表面和凸杆结构的大端头；电容上电极和电容下电极构成电容敏感机构，压阻构成压阻敏感结构。
该压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，由两个一端悬空的弹性悬臂梁作为电容上极板和压阻的载体，一个两端由弹性梁固定到衬底上的电容下极板构成。电容下极板中心固定一个凸杆结构，该凸杆结构高于旁边的两弹性悬臂梁，凸杆结构上端及弹性悬臂梁通过弹性胶和最上方的保护层粘接。测量时雨滴冲击保护层，通过弹性胶传递到弹性悬臂梁和凸杆结构上，造成整个结构向下弯曲。当雨滴冲击较小时，由电容上极板和电容下电极构成的电容比较敏感，可通过测量电容的变化来计算雨量大小；当雨滴较大时，由于弹性悬臂梁弯曲较明显，通过测量安装在弹性悬臂梁根部的压阻的变化来计算雨量大小。
所述雨量传感单元以阵列形式排布，达到测量雨滴形状和分布的效果。
所述弹性悬臂梁以凸杆结构为中心均匀对称分布于四周，目的起到阻挡弹性胶和电容下极板及弹性梁接触。
有益效果：本发明提供的压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，具有如下优势：1、基于压阻和电容双敏感检测的雨量传感器，可采用微机械加工工艺制造，成本低廉、功耗低；2、同时结构可以做的很小，方便携带；3、采用压阻和电容双敏感检测原理，由于在低雨量情况下主要通过电容的变化来测量雨量，因为电容输出与其间距成反比，因此低雨量灵敏度得到了很大的提高；在大雨量的情况下则通过压阻变化来反映雨量大小，使得雨量的测试量程也得到了提高；4、通过多个单元排成阵列，可以检测雨滴形状，从而反映更多雨水信息；5、采用硅工艺制作，可以和处理电路进行单片集成；6、无机械转动或动作结构，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，包括左右对称的雨量传感单元，所述雨量传感单元包括中空结构的衬底1，在衬底1的中部设置有电容下极板6，下极板6的左右两端分别通过弹性梁7与衬底1内沿的左右两侧连接；在衬底1的上方设置有绝缘层2，两个结构层3的根部通过绝缘层2固定在衬底1上形成弹性悬臂梁，结构层3的自由端悬于相应侧的弹性梁7和电容下极板6上方，两个结构层3之间存在间隙；在结构层3的上表面，根部位置区域设置有压阻8，自由端的末端设置有电容上电极9；在下极板6上表面中心设置有凸杆结构10，凸杆结构10穿过两个结构层3之间的间隙，并高出两个结构层3，凸杆结构10的上端为大端头；结构层3和凸杆结构10通过弹性胶4与上方的保护层5粘接，弹性胶4仅粘接结构层3的上表面和凸杆结构10的大端头；电容上电极9和电容下电极6构成电容敏感机构，压阻8构成压阻敏感结构。所述弹性悬臂梁以凸杆结构10为中心均匀对称分布于四周，目的起到阻挡弹性胶4和电容下极板6及弹性梁7接触。
所述雨量传感单元以阵列形式排布，达到测量雨滴形状和分布的效果。
上述结构的雨量传感单元，两个压阻8分别处于结构层3构成的弹性悬臂梁的固定端附近，同时悬臂梁的自由端表面覆盖电容上电极9；这样使得在小雨量情况下悬臂梁变形小，主要起支撑电容上电极作用；电容下电极6中心固定凸杆结构10，其上用弹性胶4和保护层5覆盖，这样设计可以使小雨滴情况下电容下极板6灵活向下运动，使得传感器在小雨量时的敏感度加强；大雨量时候由于其应力大，可以用其根部的压阻8来检测雨量，从而提高雨量的测试量程。传感器表面采用弹性胶和保护层覆盖，以保护传感器和传递冲击力。
下雨时，雨滴冲击传感器最上面的保护层5，当雨量较小时，保护层5通过弹性胶4压迫凸起结构10，造成电容上电极板9和电容下电极板6之间间距增大，因此该电容变化量反映了雨量冲击的大小。如果雨量很大，结构层3构成的弹性悬臂梁将向下弯曲，造成其根部的压阻8产生变化，通过测量压阻变化，可以反映大雨量的信息。
一种压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构的制作方法，包括如下步骤：
(1)首先选取一低阻硅片(比如100型SOI硅片)用于制作衬底1，通过热氧化在硅片表面生成一层二氧化硅氧化层；
(2)在硅片背面进行光刻，将中间部分需要刻蚀的区域的胶和氧化硅腐蚀掉，之后用氢氧化钾溶液腐蚀硅片，留下电容下电极6及弹性梁7部分的硅；
(3)将硅片再进行热氧化形成新的氧化硅保护层，然后再用光刻技术光刻背面，将弹性梁7位置的光刻胶和氧化硅去除，然后用反应离子刻蚀技术将该区域刻蚀掉一定厚度从而得到所需要的弹性梁7的厚度；
(4)硅片再进行热氧化形成新的氧化硅保护层，然后再用光刻技术光刻背面，将第一次光刻窗口中除弹性梁7和电容下电极6之外的区域的光刻胶和氧化硅去除，然后用反应离子刻蚀技术将该区域的硅刻蚀掉，露出绝缘层2；
(5)衬底硅片1正面进行光刻，开出压阻8的图案，然后腐蚀去掉该区域的光刻胶和氧化硅，采用离子注入技术对压阻8区域进行掺杂，形成压阻；
(6)硅片进行热氧化，在表面形成氧化硅薄膜，然后采用磁控溅射技术淀积金属铝，通过光刻和腐蚀技术将金属铝刻蚀成电容上电极9；硅片正面再进行一次光刻，将中心位置的氧化硅刻蚀掉，再利用反应离子刻蚀技术将中心位置的结构层3和绝缘层2刻蚀掉，露出电容下电极6；
(7)硅片正面涂敷聚酰亚胺，然后采用光刻方法刻蚀出凸起结构10；
(8)正面涂敷硅胶形成弹性层4，然后再溅射或蒸发一层金属铝作为保护层5；
(9)最后，采用氧化硅腐蚀液，腐蚀去除绝缘层2，使电容下电极6和弹性梁7释放。
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)

1.一种压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，其特征在于：包括左右对称的雨量传感单元，所述雨量传感单元包括中空结构的衬底(1)，在衬底(1)的中部设置有电容下极板(6)，下极板(6)的左右两端分别通过弹性梁(7)与衬底(1)内沿的左右两侧连接；在衬底(1)的上方设置有绝缘层(2)，两个结构层(3)的根部通过绝缘层(2)固定在衬底(1)上形成弹性悬臂梁，结构层(3)的自由端悬于相应侧的弹性梁(7)和电容下极板(6)上方，两个结构层(3)之间存在间隙；在结构层(3)的上表面，根部位置区域设置有压阻(8)，自由端的末端设置有电容上电极(9)；在下极板(6)上表面中心设置有凸杆结构(10)，凸杆结构(10)穿过两个结构层(3)之间的间隙，并高出两个结构层(3)，凸杆结构(10)的上端为大端头；结构层(3)和凸杆结构(10)通过弹性胶(4)与上方的保护层(5)粘接，弹性胶(4)仅粘接结构层(3)的上表面和凸杆结构(10)的大端头；电容上电极(9)和电容下电极(6)构成电容敏感机构，压阻(8)构成压阻敏感结构。
2.根据权利要求1所述的压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，其特征在于：所述雨量传感单元以阵列形式排布。
3.根据权利要求1所述的压阻敏感和电容敏感相结合的雨量传感器结构，其特征在于：所述弹性悬臂梁以凸杆结构(10)为中心均匀对称分布于四周。
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