CN108152531B - 一种电容式三维风速风向传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容式三维风速风向传感器，所述传感器包括第一微柱、第二微柱、衬底、第一空气层、第二空气层、第一层金属极板单元、第二层金属极板单元和第三层金属极板单元；所述第一微柱连接在衬底的顶面，第二微柱连接在衬底的底面，第一空气层、第二空气层和金属极板单元位于衬底中，第一层金属极板单元、第一空气层、第二层金属极板单元、第二空气层和第三层金属极板单元从上向下依次布设；第一空气层中设有第一微支点，第二空气层中设有第二微支点，第一微支点和第二微支点分别与衬底连接；第一层金属极板单元、第二层金属极板单元和第三层金属极板单元嵌在衬底中，可用引线引出。该传感器可以实现零功耗，同时提高风速测量的可靠性。

Description

一种电容式三维风速风向传感器
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域，具体来说，涉及一种电容式三维风速风向传感器。
背景技术
风速检测与日常生活紧密相关，并在工农业生产、能源开发、交通旅游、气象预报以及物联网等诸多领域都起着非常重要的作用。实际环境中的气流并不固定地沿着二维平面流动，还常常伴有垂直方向的分量，这类风被称为三维风。空中出现的晴空湍流就是一种三维风现象，飞行员很难事先发现，并且由于其对飞机安全造成很大威胁，被称为飞机的隐形杀手，每年因此引发的飞行事故都时有发生。陆地上的龙卷风也是一种三维风现象，它威力强，破坏力大，对生命和财产安全造成巨大威胁。还有许多重要领域，如飞机上升过程中空气流速测量和机翼剖面优化、风力发电中涡扇控制、车辆风阻和噪声减小以及智能家居中室内风速调控等，都需要对三维风速和风向进行测量，而一维和二维风速传感器难以满足其要求。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种电容式三维风速风向传感器，以实现零功耗，同时提高风速测量的可靠性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种电容式三维风速风向传感器，所述传感器包括第一微柱、第二微柱、衬底、第一空气层、第二空气层、第一层金属极板单元、第二层金属极板单元和第三层金属极板单元；所述第一微柱连接在衬底的顶面，第二微柱连接在衬底的底面，第一空气层、第二空气层和金属极板单元位于衬底中，第一层金属极板单元、第一空气层、第二层金属极板单元、第二空气层和第三层金属极板单元从上向下依次布设；第一空气层中设有第一微支点，第二空气层中设有第二微支点，第一微支点和第二微支点分别与衬底连接；第一层金属极板单元、第二层金属极板单元和第三层金属极板单元嵌在衬底中，可用引线引出。
作为优选例，所述的第一层金属极板单元包括同层布设的第一金属极板、第二金属极板、第三金属极板和第四金属极板。
作为优选例，所述的第二层金属极板单元包括同层布设的第五金属极板、第六金属极板、第七金属极板和第八金属极板，且第五金属极板和第一金属极板相对，第六金属极板和第二金属极板相对，第七金属极板和第三金属极板相对，第八金属极板和第四金属极板相对；第五金属极板和第一金属极板之间形成上层第一电容，第六金属极板和第二金属极板之间形成上层第二电容，第七金属极板和第三金属极板之间形成上层第三电容，第八金属极板和第四金属极板之间形成上层第四电容。
作为优选例，所述的第三层金属极板单元包括同层布设的第九金属极板、第十金属极板、第十一金属极板和第十二金属极板，且第九金属极板和第五金属极板相对，第十金属极板和第六金属极板相对，第十一金属极板和第七金属极板相对，第十二金属极板和第八金属极板相对；第九金属极板和第五金属极板之间形成下层第一电容，第十金属极板和第六金属极板之间形成下层第二电容，第十一金属极板和第七金属极板之间形成下层第三电容，第十二金属极板和第八金属极板之间形成下层第四电容。
作为优选例，所述衬底为PDMS衬底。
有益效果：本发明实施例的电容式三维风速传感器，采用将敏感元件置于衬底内部，避免了与风场的直接接触，提高了风速测量的可靠性。此外，该三维风速传感器全部由无源元件组成，真正实现零功耗。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2(a)是本发明实施例的x-z平面剖面图；
图2(b)是本发明实施例的y-z平面剖面图；
图3(a)是本发明实施例中第一层金属极板单元的俯视图；
图3(b)是本发明实施例中第二层金属极板单元的俯视图；
图3(c)是本发明实施例中第三层金属极板单元的俯视图。
图中包括：第一微柱1、第二微柱2、衬底3、第一空气层4、第二空气层5、第一微支点6、第二微支点7、第一金属极板8、第二金属极板9、第三金属极板10、第四金属极板11、第五金属极板12、第六金属极板13、第七金属极板14、第八金属极板15、第九金属极板16、第十金属极板17、第十一金属极板18和第十二金属极板19。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1、图2和图3，本发明实施例的一种电容式三维风速风向传感器，包括第一微柱1、第二微柱2、衬底3、第一空气层4、第二空气层5、第一层金属极板单元、第二层金属极板单元和第三层金属极板单元。第一微柱1连接在衬底3的顶面，第二微柱2连接在衬底3的底面，第一空气层4、第二空气层5和金属极板单元位于衬底3中，第一层金属极板单元、第一空气层4、第二层金属极板单元、第二空气层5和第三层金属极板单元从上向下依次布设。第一空气层4中设有第一微支点6，第二空气层5中设有第二微支点7，第一微支点6和第二微支点7分别与衬底3连接；第一层金属极板单元、第二层金属极板单元和第三层金属极板单元嵌在衬底3中，可用引线引出。作为优选，所述衬底为PDMS衬底。
上述实施例中，第一微柱1和第二微柱2可以阻挡风的流动，将风场转换成力场。第一空气层4、第二空气层5使得上下极板之间有空气，因而形成电容。当有风时，第一微柱1受到风力的作用，由于微支点的作用，空气层厚度发生变化，导致电容大小的变化。第一层金属极板单元、第二层金属极板单元构成上层的4个电容器。第二层金属极板单元、第三层金属极板单元构成下层的4个电容器。
上述实施例传感器采用将敏感元件置于衬底3内部，避免了与风场的直接接触，提高了风速测量的可靠性。此外，该风速传感器全部由无源元件组成，真正实现零功耗。
上述实施例中，作为优选，第一层金属极板单元包括同层布设的第一金属极板8、第二金属极板9、第三金属极板10和第四金属极板11。第二层金属极板单元包括同层布设的第五金属极板12、第六金属极板13、第七金属极板14和第八金属极板15，且第五金属极板12和第一金属极板8相对，第六金属极板13和第二金属极板9相对，第七金属极板14和第三金属极板10相对，第八金属极板15和第四金属极板11相对；第五金属极板12和第一金属极板8之间形成上层第一电容C1，第六金属极板13和第二金属极板9之间形成上层第二电容C2，第七金属极板14和第三金属极板10之间形成上层第三电容C3，第八金属极板15和第四金属极板11之间形成上层第四电容C4。第三层金属极板单元包括同层布设的第九金属极板16、第十金属极板17、第十一金属极板18和第十二金属极板19，且第九金属极板16和第五金属极板12相对，第十金属极板17和第六金属极板13相对，第十一金属极板18和第七金属极板14相对，第十二金属极板19和第八金属极板15相对；第九金属极板16和第五金属极板12之间形成下层第一电容C5，第十金属极板17和第六金属极板13之间形成下层第二电容C6，第十一金属极板18和第七金属极板14之间形成下层第三电容C7，第十二金属极板19和第八金属极板15之间形成下层第四电容C8。
上述结构的电容式三维风速风向传感器工作时，根据上、下两层8个电容的变化，计算x轴、y轴和z轴方向上的风速风向分量。根据矢量合成原理，从而计算空间中的风速和风向。其中，x轴和y轴表示水平方向，且x轴和y轴之间夹角为90度。z轴表示竖直方向。
当风沿着+x轴传播时，由于衬底3四周固定，第一微柱1沿着风向产生偏转，在第一微支点6的作用下，衬底3上部发生扭动，使得上层第一电容C1的空气间隙变大，上层第二电容C2的空气间隙变小，从而导致上层第一电容C1和上层第四电容C4减小，上层第二电容C2和上层第三电容C3增大。同时，当风沿着+x轴吹动时，第二微柱2沿着风向产生偏转，下层第一电容C5和下层第二电容C6，下层第四电容C8和下层第三电容C7构成另外两对扭动差分电容。因此，整个传感器的灵敏度增加为原来的两倍。
同样地，当风沿着-x轴传播时，上层第一电容C1和上层第四电容C4增大，上层第二电容C2和上层第三电容C3减小，下层第一电容C5和下层第四电容C8增大，下层第二电容C6和下层第三电容C7减小。
当风沿着+y轴传播时，上层第一电容C1和上层第四电容C4，上层第三电容C3和上层第二电容C2构成两对扭动差分电容，其中，上层第一电容C1和上层第二电容C2减小，上层第三电容C3和上层第四电容C4增大；下层第一电容C5和下层第四电容C8，下层第二电容C6和下层第三电容C7构成另外两对扭动差分电容，其中，下层第一电容C5和下层第二电容C6减小，下层第三电容C7和下层第四电容C8增大。同样地，当风沿着-y轴传播时，上层第三电容C3和上层第四电容C4减小，上层第一电容C1和上层第二电容C2增大，下层第三电容C7和下层第四电容C8减小，下层第一电容C5和下层第二电容C6增大。
当风沿着+z轴传播时，由于PDMS材料的杨氏模量较小(约几个MPa)，具有较软的特性，因此，迎风面(此时为衬底下部)发生微小形变，从而导致下层四个电容，即下层第一电容C5、下层第二电容C6、下层第三电容C7和下层第四电容C8，同时增大。由于衬底3中部厚度较大，使得上层第一电容C1，上层第二电容C2，上层第三电容C3和上层第四电容C4基本保持不变。同样地，当风沿着-z轴传播时，迎风面(此时为衬底上部)发生微小形变，导致上层第一电容C1，上层第二电容C2，上层第三电容C3和上层第四电容C4同时增大，而下层第一电容C5、下层第二电容C6、下层第三电容C7和下层第四电容C8保持不变。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种电容式三维风速风向传感器，其特征在于：所述传感器包括第一微柱(1)、第二微柱(2)、衬底(3)、第一空气层(4)、第二空气层(5)、第一层金属极板单元、第二层金属极板单元和第三层金属极板单元；
所述第一微柱(1)连接在衬底(3)的顶面，第二微柱(2)连接在衬底(3)的底面，第一空气层(4)、第二空气层(5)和金属极板单元位于衬底(3)中，第一层金属极板单元、第一空气层(4)、第二层金属极板单元、第二空气层(5)和第三层金属极板单元从上向下依次布设；第一空气层(4)中设有第一微支点(6)，第二空气层(5)中设有第二微支点(7)，第一微支点(6)和第二微支点(7)分别与衬底(3)连接；第一层金属极板单元、第二层金属极板单元和第三层金属极板单元嵌在衬底(3)中，可用引线引出；
所述的第一层金属极板单元包括同层布设的第一金属极板(8)、第二金属极板(9)、第三金属极板(10)和第四金属极板(11)；
所述的第二层金属极板单元包括同层布设的第五金属极板(12)、第六金属极板(13)、第七金属极板(14)和第八金属极板(15)，且第五金属极板(12)和第一金属极板(8)相对，第六金属极板(13)和第二金属极板(9)相对，第七金属极板(14)和第三金属极板(10)相对，第八金属极板(15)和第四金属极板(11)相对；第五金属极板(12)和第一金属极板(8)之间形成上层第一电容(C1)，第六金属极板(13)和第二金属极板(9)之间形成上层第二电容(C2)，第七金属极板(14)和第三金属极板(10)之间形成上层第三电容(C3)，第八金属极板(15)和第四金属极板(11)之间形成上层第四电容(C4)；
所述的第三层金属极板单元包括同层布设的第九金属极板(16)、第十金属极板(17)、第十一金属极板(18)和第十二金属极板(19)，且第九金属极板(16)和第五金属极板(12)相对，第十金属极板(17)和第六金属极板(13)相对，第十一金属极板(18)和第七金属极板(14)相对，第十二金属极板(19)和第八金属极板(15)相对；第九金属极板(16)和第五金属极板(12)之间形成下层第一电容(C5)，第十金属极板(17)和第六金属极板(13)之间形成下层第二电容(C6)，第十一金属极板(18)和第七金属极板(14)之间形成下层第三电容(C7)，第十二金属极板(19)和第八金属极板(15)之间形成下层第四电容(C8)。
2.按照权利要求1所述的电容式三维风速风向传感器，其特征在于：所述衬底为PDMS衬底。
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