CN106289624A - 一种基于mems的海洋湍流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MEMS的海洋湍流传感器，是基于MEMS感测原理来实现海洋湍流信号采集的。其包括传感单元和信号处理单元，所述传感单元为压阻式膜梁结构，包括中央硅膜、敏感梁和支撑基，所述中央硅膜为薄片状硅基材料，所述敏感梁的一端与中央硅膜连接，敏感梁另一端与支撑基内侧边相连，所述敏感梁表面设有四个压敏电阻R₁、R₂、R₃、R₄，四个压敏电阻根据所在区域的应力分布规律进行布置，连接成一个惠斯通电桥，所述信号处理单元可自动处理信号并计算得到所需数据。本发明的有益效果在于采用了基于压阻式感测原理的MEMS梁膜结构，在灵敏度增强的同时也提高了传感器的响应速度；应用MEMS微型化设计制造工艺，减小了传感器的核心部件尺寸。

Description

一种基于MEMS的海洋湍流传感器

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS的海洋湍流传感器，是基于MEMS感测原理来实现海洋湍流信号采集的。

背景技术

海洋湍流是一种高度复杂的非稳态、不规则流动体，海洋湍流混合过程是海洋大中尺度运动能量向小尺度级串并最终耗散的主要途径，提升对海洋湍流的检测能力，具有重要的理论和应用价值。目前湍流检测主要使用剪切流传感器，该类传感器前端是由橡胶材料组成的翼型探针，探针体积相对较大，当作用在探针上的剪切力传递给压电陶瓷片时，压电陶瓷片会发生弯曲变形并产生电荷，测量精度不高，空间分辨率低，电荷数量与变形量呈近似线性关系，根据传感器输出的电荷信号确定与探针轴线垂直方向上的湍流大小，这种测量方式灵敏度差，响应速度慢。而且这种压电式传感器由于其材料本身属性，长时间连续使用会产生较大误差，耐疲劳性差，不适用于长期观测海洋湍流数据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，提供一种基于MEMS的海洋湍流传感器。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种基于MEMS的海洋湍流传感器，包括传感单元和信号处理单元，所述传感单元为压阻式膜梁结构，包括中央硅膜、敏感梁和支撑基，所述中央硅膜为薄片状硅基材料，所述敏感梁的一端与中央硅膜连接，敏感梁另一端与支撑基内侧边相连，所述敏感梁表面设有四个压敏电阻R₁、R₂、R₃、R₄，四个压敏电阻根据所在区域的应力分布规律对电阻进行布置，连接成一个惠斯通电桥，所述信号处理单元可自动处理信号并计算得到所需数据。

进一步地，所述中央硅膜在海流中受到力的作用可发生形变。

进一步地，所述压敏电阻通过离子注入的方式形成于敏感梁表面。

进一步地，所述传感单元可直接感测海流，中央硅膜对海流的力的作用产生响应后，信号处理单元把流速参数转换成电信号实现能量转换和湍流感测。

本发明的有益效果在于采用了基于压阻式感测原理的MEMS梁膜结构，在灵敏度增强的同时也提高了传感器的响应速度；应用MEMS微型化设计制造工艺，减小了传感器的核心部件尺寸，能够大幅度提升传感器的空间分辨率；相比于陶瓷等压电材料，硅基具有高耐疲劳性，可满足长时间观测需求。传感器可通过微型化模块化搭载和集成，实现高精度和高灵敏度的海洋湍流检测。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是敏感梁2上的电阻布放图。

具体实施方式

如图1～3所示，一种基于MEMS的海洋湍流传感器，包括传感单元和信号处理单元，所述传感单元为压阻式膜梁结构，包括中央硅膜1、敏感梁2和支撑基3，所述中央硅膜1为薄片状硅基材料，所述敏感梁2的一端与中央硅膜1连接，敏感梁2另一端与支撑基3内侧边相连，所述敏感梁2表面设有四个压敏电阻R₁、R₂、R₃、R₄，四个压敏电阻根据所在区域的应力分布规律进行布置，连接成一个惠斯通电桥，所述信号处理单元可自动处理信号并计算得到所需数据。所述中央硅膜1在海流中受到力的作用可发生形变。所述压敏电阻通过离子注入的方式形成于敏感梁2表面。所述传感单元可直接感测海流，中央硅膜1对海流的力的作用产生响应后，信号处理单元把流速参数转换成电信号实现能量转换和湍流感测。

本发明的测量原理是：在不受力状态下电桥达到平衡状态，输出电压U_o＝0；当传感单元在海流中受到力的作用发生形变时，惠斯通电桥打破原有的平衡状态，使得两桥臂之间产生电位差输出，水流冲击使中央硅膜1的上表面和下表面产生压力差并发生形变，使得敏感梁上的压敏电阻出现ΔR的变化量。根据压敏电阻的特性：

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=\mathrm{\π}F$

其中，π为压阻系数，F为水流冲击中央硅膜1的作用力。MEMS(微机电系统)输出的电压为：

$U_o=U_i\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=U_i\mathrm{\π}F$

其中U_i是MEMS的供电电压。根据伯努利方程可得海洋流场参数与电压关系，并根据流场梯度变化计算湍流动能耗散率。

$U_o=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2+C$

图3中,坐标为晶向指数，表示电阻布放方式。为精确获取湍流流场应变引起的电阻变化，在敏感梁上布放惠斯通全桥电路。敏感梁上设有4个敏感电阻条分别沿图示晶向布放，共同构成一个惠斯通全桥电路。当敏感梁发生形变时，惠斯通电桥失衡从而产生差动电压输出。

本发明将MEMS工艺和前沿技术引入海洋湍流的观测中，并对传感器结构进行了优化，与传统机械加工相比，基于微机械加工技术和微电子技术相结合的工艺技术即MEMS技术，提升了传感器的精度和微型化程度。针对耗散尺度域内微结构湍流的精确测量和高频脉动信号快速测量两个技术挑战，实现了传感器的一体化设计。采用梁膜式结构设计，易于实现传感器的模块化搭载和集成，实现了高灵敏度的剪切传感测量，有利于对海洋湍流的观测与研究。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于MEMS的海洋湍流传感器，其特征在于：包括传感单元和信号处理单元，所述传感单元为压阻式膜梁结构，包括中央硅膜、敏感梁和支撑基，所述中央硅膜为薄片状硅基材料，所述敏感梁的一端与中央硅膜连接，敏感梁另一端与支撑基内侧边相连，所述敏感梁表面设有四个压敏电阻R₁、R₂、R₃、R₄，四个压敏电阻根据所在区域的应力分布规律进行布置，连接成一个惠斯通电桥，所述信号处理单元可自动处理信号并计算得到所需数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的海洋湍流传感器，其特征在于：所述中央硅膜在海流中受到力的作用可发生形变。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的海洋湍流传感器，其特征在于：所述压敏电阻通过离子注入的方式形成于敏感梁表面。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的海洋湍流传感器，其特征在于：所述传感单元可直接感测海流，中央硅膜对海流的力的作用产生响应后，信号处理单元把流速参数转换成电信号实现能量转换和湍流感测。