CN105388320A - 一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计 - Google Patents

一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计，该传感器包括衬底，共面波导传输线、微机械耦合器以及间接式功率传感器部分。共面波导传输线生长在衬底表面，悬臂梁耦合器悬于共面波导传输线的信号线上方，中间为绝缘介质层和空气，与共面波导的信号线形成微机械耦合器。悬臂梁的锚区位于另外一段共面波导的中心信号线上，将耦合的微波功率传输到利间接式功率传感器，最终通过间接式功率传感器的直流输出电压计算出风速大小。

Description

一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计
技术领域
本发明提一种风速计，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
风速计广泛应用在农业生产、工业建设、航天航空、交通旅游、气象预报以及环境保护等领域，风速检测所提供的信息对整个社会都起着非常重要的作用。早期，风速的测量主要由机械式风杯和风向标来实现，不久，又出现了基于超声原理和多普勒原理的风速计。但是，由于体积庞大、功耗高，这些风速计无法满足小型化、低功耗等应用需求。微电子机械系统技术的出现颠覆了传统的风速风向传感器，使得小型化、低功耗的风速风向检测微系统成为可能。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种结构简单且易于测量的基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计，包括衬底、共面波导传输线、微机械耦合器以及间接式功率传感器部分；其中，所述共面波导传输线包括生长在衬底表面上的第一信号线、第二信号线以及第一地线，所述第二信号线和第一地线分设于第一信号线的两侧，第二信号线垂直第一信号线并与第一信号线之间留有间隙，第一地线平行第一信号线并与第一信号线之间留有间隙；所述共面波导传输线还包括分别位于所述第二信号线两侧的第二地线和第三地线；
所述微机械耦合器部分包括悬臂梁，所述悬臂梁的锚区设置在第二信号线上靠近所述第一信号线的一侧，悬臂梁垂直所述第一信号线并与第一信号线上方形成翘曲，第一信号线上正对所述翘曲位置覆盖有绝缘介质，所述翘曲在风力的作用下能够改变相对第一信号线的距离；所述悬臂梁的锚区通过第二信号线连接所述间接式功率传感器部分，所述间接式功率传感器部分用于检测所述微机械耦合器部分与共面波导传输线之间的耦合功率。
有益效果：本发明的目的是提供一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计，在风力的作用下，悬臂梁的翘曲产生一定位移，改变微机械耦合器的间距从而改变耦合系数，利用间接式功率传感器测量耦合功率的大小，最终计算出待测的风速。本发明的一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计不但具有结构简单，易于测量的优点，而且可以实现风速风向传感器的零直流功耗。
附图说明
图1是基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计的俯视图；
图2是图1中基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计的A-A剖面图；
图3是图1中基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计的B-B剖面图；
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至图3所示，一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计，包括衬底1、共面波导传输线、微机械耦合器以及间接式功率传感器部分。其中，共面波导传输线包括生长在衬底1表面上的第一信号线2、第二信号线9以及第一地线3。第二信号线9和第一地线3分设于第一信号线2的两侧，第二信号线9垂直第一信号线2并与第一信号线2之间留有间隙，第一地线3平行第一信号线2并与第一信号线2之间留有间隙。共面波导传输线还包括分别位于所述第二信号线9两侧的第二地线4和第三地线5，即具有分立的三块地线。
微机械耦合器部分包括悬臂梁7，悬臂梁7的锚区8设置在第二信号线9上靠近第一信号线2的一侧。悬臂梁7垂直第一信号线2并与第一信号线2上方形成翘曲，第一信号线2上正对翘曲位置覆盖有绝缘介质6，即翘曲与共面波导传输线的信号线之间采用绝缘介质和空气进行隔离，翘曲在风力的作用下能够改变相对第一信号线2的距离。间接式功率传感器部分包括终端电阻10和11，半导体热电偶12、13、14、15，金属热电偶16、17、18、19，金属连接线20、21、22和测试块23、24。悬臂梁7的锚区8通过第二信号线9连接间接式功率传感器部分，间接式功率传感器部分用于检测微机械耦合器部分与共面波导传输线之间的耦合功率。
使用上述风速计测量风速时，当风由北向南吹时，悬臂梁7的翘曲上表面由于受到风力的作用产生向下的位移时，使得悬臂梁7与第一信号线2之间的距离变小，从而导致微机械耦合器的耦合系数增大，使得耦合的功率增加；采用间接式功率传感器测量悬臂梁耦合的功率大小，功率传感器的输出直流电压增大，根据测试块17和18之间的输出直流电压可以计算出风速的大小。反之，当风由南向北吹时，悬臂梁7的翘曲下表面由于受到风力的作用产生向上的位移时，导致微机械耦合器的耦合系数减小，此时耦合的功率减小，功率传感器的输出直流电压减小。间接式功率传感器部分为现有技术，现有诸多文献公开了其具体构成及其工作原理，本方案中不再赘述。
相对于传统的MEMS风速传感器，该基于微机械耦合器和间接式功率传感器的芯片面积缩小，灵敏度增大，最重要的是无需消耗直流功率。
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 (1)

1.一种基于微机械耦合器和间接式功率传感器的风速计，其特征在于：包括衬底(1)、共面波导传输线、微机械耦合器以及间接式功率传感器部分；其中，所述共面波导传输线包括生长在衬底(1)表面上的第一信号线(2)、第二信号线(9)以及第一地线(3)，所述第二信号线(9)和第一地线(3)分设于第一信号线(2)的两侧，第二信号线(9)垂直第一信号线(2)并与第一信号线(2)之间留有间隙，第一地线(3)平行第一信号线(2)并与第一信号线(2)之间留有间隙；所述共面波导传输线还包括分别位于所述第二信号线(9)两侧的第二地线(4)和第三地线(5)；
所述微机械耦合器部分包括悬臂梁(7)，所述悬臂梁(7)的锚区(8)设置在第二信号线(9)上靠近所述第一信号线(2)的一侧，悬臂梁(7)垂直所述第一信号线(2)并与第一信号线(2)上方形成翘曲，第一信号线(2)上正对所述翘曲位置覆盖有绝缘介质(6)，所述翘曲在风力的作用下能够改变相对第一信号线(2)的距离；所述悬臂梁(7)的锚区(8)通过第二信号线(9)连接所述间接式功率传感器部分，所述间接式功率传感器部分用于检测所述微机械耦合器部分与共面波导传输线之间的耦合功率。
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