CN105548604B - 一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器及其测量方法 - Google Patents

一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器及其测量方法，该传感器包括衬底，共面波导传输线以及悬臂梁传感部分。共面波导部分包括生长在衬底表面上的两条互相垂直的信号线，四块分立的地线，其中，信号线交叠的部分采用绝缘层进行隔离。悬臂梁传感部分包括四个锚区以及四个悬臂梁，其中，四个锚区位于共面波导传输线的地线上，四个悬臂梁采用相同的特定工艺制备，形成一定的翘曲，可以在风力的作用下产生位移。通过测量两段共面波导传输线的插入损耗，可以实现二维风速风向的检测。该结果不仅结构简单，更无需消耗直流功耗。

Description

一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器及其测 量方法
技术领域
本发明涉及一种风速风向传感器及其测量方法，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
风速风向传感器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，风速风向检测所提供的信息对整个社会都起着非常重要的作用。很早之前，风速风向的检测主要依靠机械式风杯和风向标来实现，之后又出现了基于超声原理和多普勒原理的风速传感器。但是，由于体积庞大、功耗高，这些风速传感器无法满足小型化、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现实。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器及其测量方法，实现风速风向传感器的零直流功耗。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器，包括衬底、共面波导传输线以及悬臂梁传感部分；所述共面波导传输线包括第一地线，以及互相垂直并相交生长在衬底表面上的第一信号线和第二信号线，所述第一信号线和第二信号线之间的交叠位置设有绝缘层，所述第一地线设置在第一信号线和第二信号线相交形成的任一象限内；
所述悬臂梁传感部分包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁的锚区和第二悬臂梁的锚区均位于所述第一地线上，所述第一悬臂梁垂直第二信号线并于第二信号线上方形成翘曲，所述第二悬臂梁垂直第一信号线并于第一信号线上方形成翘曲，所述翘曲在风力的作用下能够改变相对于垂直信号线的距离。
进一步的，还包括第三悬臂梁和第四悬臂梁；所述第一信号线和第二信号线相交形成的其余三个象限中均设置有地线，所述第三悬臂梁的锚区和第四悬臂梁的锚区分别位于所述三个象限中任意两个地线上，所述第三悬臂梁与第一悬臂梁关于第一信号线对称设置，所述第四悬臂梁与第二悬臂梁关于第二信号线对称设置。
基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器的测量方法，包括如下步骤：分别对第一至第四悬臂梁的翘曲相于垂直的信号线之间的距离变化所引起的共面波导传输线的插入损耗进行测量，根据测量值计算得到实时风速风向。有益效果：本发明的基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器及其测量方法，在风力的作用下，悬臂梁的翘曲相对垂直的信号线之间的距离会发生改变，导致共面波导传输线与地线之间的电容变化，通过测量正交排列的两组共面波导传输线的微波性能即插入损耗，计算出风速的大小和方向。本发明的基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器不但具有结构简单，易于测量的优点，而且实现了风速风向传感器的零直流功耗。
附图说明
图1是实施例1的基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器的俯视图；
图2是实施例2的基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器的俯视图；
图3是图2中基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器的A-A剖面图；
图4是图2中基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器的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。
实施例1：如图1、图2所示，一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器，包括衬底1、共面波导传输线以及悬臂梁传感部分。共面波导传输线包括生长在衬底1表面上的第一地线7，以及互相垂直并相交生长在衬底1表面上的第一信号线2、第二信号线3，并在第一信号线2和第二信号线3之间的交叠位置设有绝缘层8，进行电隔离；第一地线7设置在第一信号线2和第二信号线3相交形成的第二象限内。
悬臂梁传感部分包括生长在衬底1表面上的第一悬臂梁9和第二悬臂梁11。第一悬臂梁9的锚区和第二悬臂梁11的锚区均位于所述第一地线7上，第一悬臂梁9垂直第二信号线3并于第二信号线3上方形成翘曲，第二悬臂梁11垂直第一信号线2并于第一信号线2上方形成翘曲。
第一悬臂梁9和第二悬臂梁11均采用相同工艺制备得到，释放之后能形成翘曲，所形成的初始翘距离其垂直的信号线的距离也相同。当有风作用在翘曲的上表面或下表面时，均能够改变翘曲相对于垂直的信号线之间的距离。测量风速风向时，分别对第一悬臂梁9和第二悬臂梁11的翘曲相对信号线之间距离变化所引起的共面波导传输线的插入损耗进行测量，根据测量值计算得到实时风速风向。例如，当风由北吹向南时，第一悬臂梁9由于受到风力的作用产生向下的位移，使得悬臂梁的翘曲与第二信号线3之间的距离变小，导致共面波导传输线与地线之间的电容增大，测量共面波导传输线的插入损耗，根据测量值反推出风速的大小。反之，当风从南吹向北时，第一悬臂梁9的翘曲与第二信号线3之间的距离变大，导致共面波导传输线与地线之间的电容减小，同样测量共面波导传输线的插入损耗后计算得到风速的大小。
实施例2：如图2至图4所示，一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器，包括衬底1、共面波导传输线以及悬臂梁传感部分。共面波导传输线包括生长在衬底1表面上的第一地线7，以及互相垂直并相交生长在衬底1表面上的第一信号线2、第二信号线3，在第一信号线2和第二信号线3相交形成的四个象限中分别设置的第一地线7、第二地线4、第三地线5、第四地线6。在第一信号线2和第二信号线3之间的交叠位置设有绝缘层8，进行电隔离。
悬臂梁传感部分包括生长在衬底1表面上的第一悬臂梁9、第二悬臂梁11、第三悬臂梁10、第四悬臂梁12。第一悬臂梁9的锚区13位于第一地线7上，第一悬臂梁9垂直第二信号线3并位于第二信号线3上方形成翘曲。第三悬臂梁10的锚区14位于第四地线6上，第三悬臂梁10与第一悬臂梁9关于第一信号线2对称设置，即第三悬臂梁10的结构与第一悬臂梁9完全相同。第二悬臂梁11的锚区15位于第一地线7上，第二悬臂梁11垂直第一信号线2并位于第一信号线2上方形成翘曲。第四悬臂梁12的锚区16位于第二地线4上，第四悬臂梁12与第二悬臂梁11关于第二信号线3对称设置，即第四悬臂梁12的结构与第二悬臂梁11完全相同。
第一至第四悬臂梁均采用相同工艺制备得到，释放之后能形成翘曲，翘曲在风力的作用下能够改变相对信号线之间的距离。测量风速风向时，分别对第一至第四悬臂梁的翘曲相对信号线之间位移变化所引起的共面波导传输线的插入损耗进行测量，根据测量值计算得到实时风速风向。例如，当风由北吹向南时，第一悬臂梁9和第三悬臂梁10由于受到风力的作用产生向下的位移，使得悬臂梁的翘曲与第二信号线3之间的间隙变小，导致共面波导传输线与地线之间的电容增大，测量共面波导传输线的插入损耗，根据测量值反推出风速的大小。反之，当风从南吹向北时，第一悬臂梁9和第三悬臂梁10的翘曲与第二信号线3之间的间隙变大，导致共面波导传输线与地线之间的电容减小，同样测量共面波导传输线的插入损耗后计算得到风速的大小。当其他方向的风吹过时其检测原理同理可得，不再赘述。当风向不是标准的东南西北风时，可以分解成不同方向(东西向和南北向)上的分量，之后通过三角函数的关系，可以计算出风向。
本实施例相较于实施例1，为了增大风速测量的灵敏度，在第二信号线3关于第一信号线2对称设置第三悬臂梁10，从而使得灵敏度增加了一倍；在东西方向上同样设计了两个悬臂梁11和12，从而可以实现风向的测量。该方案的优点是，原理简单，芯片面积缩小，也可以实现零直流功耗。
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)

1.一种基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器，其特征在于：包括衬底(1)、共面波导传输线以及悬臂梁传感部分；所述共面波导传输线包括第一地线(7)，以及互相垂直并相交生长在衬底(1)表面上的第一信号线(2)和第二信号线(3)，所述第一信号线(2)和第二信号线(3)之间的交叠位置设有绝缘层(8)，所述第一地线(7)设置在第一信号线(2)和第二信号线(3)相交形成的任一象限内；
所述悬臂梁传感部分包括第一悬臂梁(9)和第二悬臂梁(11)，所述第一悬臂梁(9)的锚区和第二悬臂梁(11)的锚区均位于所述第一地线(7)上，所述第一悬臂梁(9)垂直第二信号线(3)并于第二信号线(3)上方形成翘曲，所述第二悬臂梁(11)垂直第一信号线(2)并于第一信号线(2)上方形成翘曲，所述翘曲在风力的作用下能够改变相对于垂直信号线的距离。
2.根据权利要求1所述的基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器，其特征在于：还包括第三悬臂梁(10)和第四悬臂梁(12)；所述第一信号线(2)和第二信号线(3)相交形成的其余三个象限中均设置有地线，所述第三悬臂梁(10)的锚区和第四悬臂梁(12)的锚区分别位于所述三个象限中任意两个地线上，所述第三悬臂梁(10)与第一悬臂梁(9)关于第一信号线(2)对称设置，所述第四悬臂梁(12)与第二悬臂梁(11)关于第二信号线(3)对称设置。
3.如权利要求2所述基于共面波导传输线的悬臂梁式风速风向传感器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：分别对第一至第四悬臂梁的翘曲相于垂直的信号线之间的距离变化所引起的共面波导传输线的插入损耗进行测量，根据测量值计算得到实时风速风向。
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