CN112362898B - 一种基于风致振动抑制机理的宽量程风速风向传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于风致振动抑制机理的宽量程风速风向传感器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112362898B
CN112362898B CN202011207606.4A CN202011207606A CN112362898B CN 112362898 B CN112362898 B CN 112362898B CN 202011207606 A CN202011207606 A CN 202011207606A CN 112362898 B CN112362898 B CN 112362898B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wind
flexible
sensing structure
wind speed
silicon film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011207606.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112362898A (zh
Inventor
叶一舟
万树
贺学锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University
Original Assignee
Chongqing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University filed Critical Chongqing University
Priority to CN202011207606.4A priority Critical patent/CN112362898B/zh
Publication of CN112362898A publication Critical patent/CN112362898A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112362898B publication Critical patent/CN112362898B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/02—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer
    • G01P5/04—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer using deflection of baffle-plates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/0006—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances
    • G01P13/0026—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances by using deflection of baffle-plates
    • G01P13/0033—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances by using deflection of baffle-plates with electrical coupling to the indicating device
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/0006—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances
    • G01P13/0073—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances by using vibrations generated by the fluid

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明公开了一种宽量程风速风向传感器及其制备方法，该传感器包括：柔性感风结构(1)，柔性填充材料(2)，压敏电阻(3)，悬浮硅膜(4)，硅衬底(5)和绝缘层(6)。其中，悬浮硅膜(4)与硅衬底(5)之间的空腔由柔性填充材料(2)进行填充，柔性感风结构(1)与悬浮硅膜(4)也由柔性填充材料(2)进行连接，柔性感风结构(1)位于悬浮硅膜(4)上方，压敏电阻(3)与悬浮硅膜(4)之间设有绝缘层(6)。该传感器的柔性感风结构(1)经过优化设计，能够避免传统感风结构在高风速下的风致振动现象。将该柔性感风结构应用于风速风向传感，将显著拓展现有风速风向传感器的量程上限，实现宽量程风速风向测量。

Description

一种基于风致振动抑制机理的宽量程风速风向传感器及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种宽量程风速风向传感器及其制备方法，尤其是采用具有风致振动抑制功能的柔性钝体作为感风结构，不仅实现了传感器的可靠封装，也使制成的传感器具备了较宽的风速检测范围。
背景技术
近年来，自然灾害的增多和气候现象的复杂多变对气象监测提出了更高的要求。传统的风杯式和超声式风速风向传感器因体积大、功耗高、价格昂贵，限制了其在气象监测中的运用。采用微机械加工技术(MEMS)制成的风速风向传感器具有体积小、功耗低、成本低等优良特性，已广泛应用于无线气象传感网络中。但是，现有MEMS风速风向传感器量程范围较低，限制了其对恶劣复杂天气条件的检测能力。其中，基于风压检测原理的风速风向传感器感风结构在高风速下将发生涡振、驰振、颤振和抖振等多种风致振动现象，使后端检测结构难以对风压进行准确测量。
发明内容
为实现高风速测量，本专利提出将一种新型感风钝体结构应用于风速风向传感器，拓展现有风速风向传感器的量程。与传统感风钝体结构不同，本专利提出的新型感风钝体结构具有风致振动抑制功能，当高风速作用于该感风钝体时，该钝体结构仅会发生稳定偏转，不会发生传统感风钝体结构在高风速下的风致振动现象。该钝体结构产生的稳定偏转可由后端检测结构完成准确表征，从而实现对高风速的测量，获得较宽量程的风速风向传感器。
该传感器包括柔性感风结构(1)，柔性填充材料(2)，四个对称放置的压敏电阻(3)，悬浮硅膜(4)和硅衬底(5)。其中：
柔性感风结构(1)通过优化设计，在高风速下具备风致振动抑制功能；柔性感风结构(1)通过柔性填充材料(2)集成至悬浮硅膜(4)上方，悬浮硅膜(4)上表面设有压敏电阻(3)，可将风引起的柔性感风结构形变量转化为电学量，实现对风速和风向的检测。
当传感器正常工作时，风吹过柔性感风结构(1)，由于该结构具有风致振动抑制功能，故柔性感风结构(1)将随着风的大小和方向的不同，产生稳定偏转，该偏转量经柔性填充材料(2)传导至悬浮硅膜(4)，使悬浮硅膜(4)发生形变，该形变量最终由位于悬浮硅膜表面的压敏电阻(3)完成力电转换。由于柔性感风结构(1)呈现二维对称特性，悬浮硅膜(4)表面的压敏电阻(3)成正交放置，故通过对压敏电阻(3)的状态进行检测，即可得到实时的风速风向信息。
本发明还提供了一种宽量程风速风向传感器的制作方法，该方法包括以下步骤：
首先在SOI硅片的器件层上生长压敏电阻(3)，该压敏电阻(3)可采用金属薄膜淀积工艺制备于器件层表面，在采用金属薄膜压阻时，需要器件层与金属薄膜间设置绝缘层(6)。然后，利用干法刻蚀工艺刻蚀SOI器件层与氧化绝缘层，露出硅衬底(5)。接着，利用湿法腐蚀工艺腐蚀硅衬底(5)，释放器件层，形成悬浮硅膜(4)。最后，利用3D打印技术制备柔性感风结构(1)的模具，并在模具内部填充柔性填充材料(2)，将制备好的硅基芯片放入，待柔性材料固化后，将整体结构放入配置的溶液中，即可去除3D打印模具，获得柔性感风结构与硅基检测芯片一体化的宽量程风速风向传感器。
有益效果：
1.根据风致振动抑制理论设计的柔性感风结构(1)，其在高风速下不会发生风致振动现象，只会发生与风速风向相关的稳定偏转，该设计方式可使传感器具有可控且较宽的量程；
2.柔性感风结构(1)可通过同材料的柔性填充材料(2)实现与悬浮硅膜(4)的高精度可靠集成与封装，解决了风压式风速风向传感器的封装难题；
3.柔性感风结构(1)与柔性填充材料(2)所用材料相同，该材料可由SU-8、PI、PDMS等材料进行制备，通过对所用材料及其制备工艺进行调整，可使柔性感风结构(1)具有不同的材料参数值，材料参数的差异可使该传感器的量程在不同的范围内进行调整，进而可以针对应用场景需求进行适应性设计。
4.采用3D打印技术制成的封装模具结构精度可达到亚微米量级，保证了柔性感风结构(1)可高精度地制成任意形状，满足不同设计需求；此外，3D打印制成的封装模具可采用特制的溶液进行溶解，极大简化了传感器的封装过程。
附图说明
图1为本发明结构的剖视图；
图2为本发明结构的顶视图；
两图中具有统一的标注。其中：柔性感风结构(1)，柔性填充材料(2)，压敏电阻(3)，悬浮硅膜(4)，硅衬底(5)和绝缘层(6)。
图3a是晶圆上生长绝缘层(6)示意图；
图3b是生长金属压敏电阻(3)示意图；
图3c是刻蚀绝缘层、SOI器件层与中间氧化层，露出硅衬底(5)示意图；
图3d是湿法腐蚀硅衬底，释放悬浮硅膜(4)示意图；
图3e是将硅衬底和柔性填充材料压入3D打印封装模具示意图；
图3f是去除封装模具，制成的传感器示意图。
具体实施方式
本发明提出的宽量程风速风向传感器，利用具有风致振动抑制功能的柔性钝体作为柔性感风结构(1)，该柔性感风结构(1)经过优化设计，在高风速下不会发生传统感风结构的风致振动现象，只会发生与风速风向一一对应的稳定偏转，从而使该传感器能够对高风速进行测量，实现传感器的宽量程；此外，利用柔性填充材料(2)和3D打印模具可以实现任意形状柔性感风结构的高精度制备，并完成柔性感风结构(1)与设有悬浮硅膜(4)的检测芯片的一体化集成与封装，解决了风速风向传感器的封装难题；再有，柔性材料的材料特性和感风结构尺寸外形共同决定了传感器的测量范围，柔性材料的材料特性可在一定范围内进行精确调控，感风结构的尺寸外形在亚微米尺度以上也可进行准确设计，因此，传感器的量程范围可根据应用场景需求进行适应性设计。
本发明提出的宽量程风速风向传感器包括柔性感风结构(1)，柔性填充材料(2)，压敏电阻(3)，悬浮硅膜(4)、硅衬底(5)和绝缘层(6)；其中，柔性感风结构(1)具有风致振动抑制特性，在高风速下仅会发生稳定偏转，不会发生风致振动现象；柔性填充材料(2)材料参数可调，可根据风速测量需求进行相应调整；压敏电阻(3)由4个压敏电阻组成，对称放置于悬浮硅膜(4)表面，柔性填充材料(2)实现对悬浮硅膜(4)的整体包覆，柔性感风结构(1)与柔性填充材料(2)相结合，放置于悬浮硅膜几何中心的上方。
当传感器正常工作时，风吹过柔性感风结构(1)，由于该结构具有风致振动抑制功能，故柔性感风结构将随着风的大小和方向的不同，产生稳定的偏转，该偏转量经柔性填充材料(2)传导至悬浮硅膜(4)，使悬浮硅膜(4)发生形变，该形变量最终由位于悬浮硅膜(4)表面的压敏电阻(3)完成力电转换。由于柔性感风结构(1)呈现二维对称特性，悬浮硅膜(4)表面的压敏电阻(3)成正交放置，故通过对压敏电阻(3)的状态进行检测，即可得到实时的风速风向信息。
本发明还提供了一种宽量程风速风向传感器的制作方法，该方法包括如下步骤：
以采用金属薄膜作为压敏电阻为例，首先在SOI的器件层上生长绝缘层(6)(图3a)；而后利用金属薄膜沉积工艺在绝缘层上淀积金属压敏电阻(3)(图3b)。然后，利用干法刻蚀工艺刻蚀SOI器件层与氧化绝缘层，露出硅衬底(5)(图3c)。接着，利用湿法腐蚀工艺腐蚀硅衬底(5)，释放器件层，形成悬浮硅膜(4)(图3d)。最后，利用3D打印技术制备柔性感风结构模具，并在模具内部填充柔性材料，将制备好的衬底结构放入(图3e)，待柔性材料固化后，将整体结构放入配置的溶液中，即可去除3D打印模具，获得柔性感风结构与硅基衬底一体化的宽量程风速风向传感器(图3f)。
悬浮薄膜(4)和硅衬底(5)之间的空腔完全由柔性填充材料(2)进行填充，悬浮硅膜(4)上方的柔性填充材料(2)实现了悬浮硅膜(4)与柔性感风结构(1)的一体化集成，并完成对悬浮硅膜(4)及硅衬底(5)的有效保护。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有风致振动抑制功能的宽量程风速风向传感器，其特征在于：该传感器包括柔性感风结构(1)，柔性填充材料(2)，压敏电阻(3)，悬浮硅膜(4)，硅衬底(5)和绝缘层(6)，其中，柔性感风结构(1)具有风致振动抑制特性，在高风速下仅会发生稳定偏转，不会发生风致振动现象；柔性填充材料(2)材料参数可调，可根据风速测量需求进行相应调整；压敏电阻(3)由4个压敏电阻组成，对称放置于悬浮硅膜(4)表面；柔性填充材料(2)实现对悬浮硅膜(4)的整体包覆；柔性感风结构(1)与柔性填充材料(2)相结合，放置于悬浮硅膜(4)几何中心上方；
当传感器正常工作时，风吹过柔性感风结构(1)，由于该结构具有风致振动抑制功能，故柔性感风结构(1)将随着风的大小和方向的不同，产生稳定的偏转，该偏转量经柔性填充材料(2)传导至悬浮硅膜(4)，使悬浮硅膜(4)发生形变，该形变量最终由位于悬浮硅膜表面的压敏电阻(3)完成力电转换，由于柔性感风结构(1)呈现二维对称特性，悬浮硅膜(4)表面的压敏电阻(3)成正交放置，故通过对压敏电阻(3)的状态进行检测，即可得到实时的风速风向信息。
2.一种如权利要求1所述的一种宽量程风速风向传感器的制作方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
首先在SOI的器件层上生长压敏电阻(3)，该压敏电阻(3)可采用金属薄膜淀积工艺制备于器件层表面，采用金属薄膜淀积压阻时，在器件层与金属薄膜层间需要设置绝缘层(6)；然后，利用干法刻蚀工艺刻蚀SOI器件层与氧化绝缘层，露出硅衬底(5)；接着，利用湿法腐蚀工艺腐蚀硅衬底(5)，释放器件层，形成悬浮硅膜(4)；最后，利用3D打印技术制备柔性感风结构模具，并在模具内部填充柔性填充材料(2)，将制备好的衬底结构放入，待柔性材料固化后，将整体结构放入配置的溶液中，即可去除3D打印模具，获得柔性感风结构与硅基衬底一体化的宽量程风速风向传感器。
3.根据权利要求2所述的一种宽量程风速风向传感器的制作方法，其特征在于：柔性填充材料(2)与柔性感风结构(1)为一体化制备，不仅使用柔性材料制备了柔性感风结构，也同时实现了柔性感风结构与硅基检测芯片的一体化集成与封装。
4.根据权利要求2所述的一种宽量程风速风向传感器的制作方法，其特征在于：柔性填充材料(2)与柔性感风结构(1)所用柔性材料性能可调，其中，通过对杨氏模量进行调制，可实现传感器灵敏度与量程的可控调节。
5.根据权力要求2所述的一种宽量程风速风向传感器的制作方法，其特征在于：传感器封装采用的模具可由3D打印技术制成具有亚微米精度的任意外形结构，也可采用机械加工方式制成特定结构，该模具在封装完成后可由配置的溶液进行溶解，完成传感器的释放。
CN202011207606.4A 2020-11-03 2020-11-03 一种基于风致振动抑制机理的宽量程风速风向传感器及其制备方法 Active CN112362898B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011207606.4A CN112362898B (zh) 2020-11-03 2020-11-03 一种基于风致振动抑制机理的宽量程风速风向传感器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011207606.4A CN112362898B (zh) 2020-11-03 2020-11-03 一种基于风致振动抑制机理的宽量程风速风向传感器及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112362898A CN112362898A (zh) 2021-02-12
CN112362898B true CN112362898B (zh) 2022-09-23

Family

ID=74514081

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011207606.4A Active CN112362898B (zh) 2020-11-03 2020-11-03 一种基于风致振动抑制机理的宽量程风速风向传感器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112362898B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5490034A (en) * 1989-01-13 1996-02-06 Kopin Corporation SOI actuators and microsensors
JPH11281668A (ja) * 1998-03-30 1999-10-15 Japan Aviation Electronics Ind Ltd 半導体センサのダイアフラムと電極基板の陽極接合方法
EP1764597A1 (en) * 2005-09-16 2007-03-21 STMicroelectronics S.r.l. Surface acoustic wave pressure sensor
CN103063867A (zh) * 2012-12-20 2013-04-24 东南大学 一种电容式风速风向传感器
CN103278270A (zh) * 2013-06-05 2013-09-04 厦门大学 岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片及制造方法
CN104977425A (zh) * 2015-06-19 2015-10-14 东南大学 一种测风传感器芯片结构及其制造方法
CN109001486A (zh) * 2018-06-21 2018-12-14 东南大学 一种宽量程风速传感器及其制作方法
CN109116050A (zh) * 2018-06-21 2019-01-01 东南大学 一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法
CN110726756A (zh) * 2019-11-13 2020-01-24 大连海事大学 基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8901680B2 (en) * 2012-04-12 2014-12-02 International Business Machines Corporation Graphene pressure sensors

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5490034A (en) * 1989-01-13 1996-02-06 Kopin Corporation SOI actuators and microsensors
JPH11281668A (ja) * 1998-03-30 1999-10-15 Japan Aviation Electronics Ind Ltd 半導体センサのダイアフラムと電極基板の陽極接合方法
EP1764597A1 (en) * 2005-09-16 2007-03-21 STMicroelectronics S.r.l. Surface acoustic wave pressure sensor
CN103063867A (zh) * 2012-12-20 2013-04-24 东南大学 一种电容式风速风向传感器
CN103278270A (zh) * 2013-06-05 2013-09-04 厦门大学 岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片及制造方法
CN104977425A (zh) * 2015-06-19 2015-10-14 东南大学 一种测风传感器芯片结构及其制造方法
CN109001486A (zh) * 2018-06-21 2018-12-14 东南大学 一种宽量程风速传感器及其制作方法
CN109116050A (zh) * 2018-06-21 2019-01-01 东南大学 一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法
CN110726756A (zh) * 2019-11-13 2020-01-24 大连海事大学 基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Reliability Optimization of a 3D Packaged Micro-machined Wind Sensor;Qin Ming;《2018 19th international conferefce on electronic packaging technology》;20180811;1032-1035 *
基于压阻测量的风速风向传感器的研制;陈实;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20160815;I140-208 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112362898A (zh) 2021-02-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ozaki et al. An air flow sensor modeled on wind receptor hairs of insects
EP2339357B1 (en) Method for fabricating a sensor
CN107673306B (zh) 一种mems压力传感器的制备方法
CN103674355B (zh) 一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法
CN111591952B (zh) 一种mems压阻式压力传感器及其制备方法
CN101825505B (zh) 一种mems压力敏感芯片及其制作方法
JP2012242398A (ja) 環境的影響力を測定するためのデバイスおよび同デバイスを製作する方法
CN103616123A (zh) 压力传感器及其制作方法
CN215448264U (zh) 一种复合膜片式的mems压力传感器
CN107892268B (zh) 压力传感器及其制造方法
CN106586942A (zh) 一种微电子气压传感器及其制备方法
CN206828092U (zh) 一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片
CN112362898B (zh) 一种基于风致振动抑制机理的宽量程风速风向传感器及其制备方法
CN203191141U (zh) 用于测量气体与液体压力的硅压阻式mems压力传感器
CN109580077B (zh) 压力传感器结构及其制作方法
CN104977425B (zh) 一种测风传感器芯片结构及其制造方法
CN104236766A (zh) 封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方法
CN116425110B (zh) 具有差分结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法
CN210084937U (zh) 背孔引线式压力传感器
CN216559443U (zh) 一种mems基底及mems压力传感器
CN207456650U (zh) 压力传感器
CN208200366U (zh) 吊装式可释放应力的mems器件封装结构
CN102295262A (zh) 微型动态压阻压力传感器及其制造方法
CN108827523A (zh) 一种基于金刚石薄膜的海水压力传感器及其制备方法
WO2015057515A1 (en) Microelectromechanical pressure sensors

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant