CN113777344A - 风速风向传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风速风向传感器，包括：三个支撑臂，每个支撑臂分别具有一支撑面，三个支撑臂的支撑面围成一遮挡空间；三个风速传感芯片，每个所述风速传感芯片分别对应固定于一所述支撑臂上，每个所述风速传感芯片分别包括延伸至所述遮挡空间外部的迎风面，三个风速传感芯片的迎风表面所在的平面相互正交；每个所述支撑面上分别设置有一电路板单元，所述风速传感芯片电性连接于所述电路板单元。本发明的风速风向传感器，三个迎风面相互正交，可用于三维风速风向的测试，同时支撑臂的三个支撑面围成遮挡空间，能够对电路板单元形成遮挡，避免雨水打湿，提高使用寿命等。
Description
技术领域
本发明是关于风速传感器领域，特别是关于一种基于正交测风阵型的悬臂式三维风速风向传感器。
背景技术
中国专利申请CN107505477A披露了一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器及系统，传感器包括基座和安装在基座上的三组传感装置，三组传感装置按空间直角坐标系布置在基座的三个面上；系统包括：三维光纤布拉格光栅风速风向传感器、光纤耦合器、波长解调装置、宽带光源、模块运算设备，三维光纤布拉格光栅风速风向传感器通过光纤与光纤耦合器连接，光纤耦合器分别与宽带光源和波长解调装置连接，波长解调装置与模块运算设备连接。该技术存在的问题至少包括：应变光纤布拉格光栅8.2与光纤一起被嵌入等强度弹性梁9的光纤安装槽10内，存在工艺复杂、加工成本高、灵敏度低的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风速传感芯片，其通过三个正交面构成了对风速传感单元遮挡空间，工艺简单、加工成本低，而且可以避免风速传感单元被雨水打湿，提高使用寿命。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种风速风向传感器，包括：
三个支撑臂，每个支撑臂分别具有一支撑面，三个支撑臂的支撑面围成一遮挡空间；
三个风速传感芯片，每个所述风速传感芯片分别对应固定于一所述支撑臂上，每个所述风速传感芯片分别包括延伸至所述遮挡空间外部的迎风面，三个风速传感芯片的迎风表面所在的平面相互正交；
每个所述支撑面上分别设置有一电路板单元，所述风速传感芯片电性连接于所述电路板单元。
在本发明的一个或多个实施方式中，每个风速传感芯片分别包括：半导体衬底，该半导体衬底具有相对的第一表面和第二表面，沿半导体衬底的延伸方向，所述第一表面上依次形成有风力检测区、风速传感区和信号连接区，所述风力检测区和风速传感区延伸出所述支撑臂的末端，风速传感区靠近其对应的支撑臂的末端，所述风力检测区提供一迎风表面；传感单元，通过半导体工艺生长于所述风速传感区。
在本发明的一个或多个实施方式中，三个支撑臂的支撑面所在的平面相互正交，半导体衬底的第二表面靠近信号连接区的一端贴合固定于对应支撑臂的支撑面上，以使得迎风表面和对应支撑臂的支撑面平行。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述风速传感单元的信号传输线采用排线，所述信号连接区上并排设置有多个电极，所述电路板单元的两侧分别形成有第一电性连接点和第二电性连接点，第一电性连接点和第二电性连接点分别包括并排设置的多个电极连接点，所述第一电性连接点和第二电性连接点分别与所述排线和电极连接。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述传感单元包括构成惠斯通电桥的四根压敏电阻条。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述压敏电阻条为掺杂硼离子的N型硅半导体。
在本发明的一个或多个实施方式中，沿半导体衬底的延伸方向，风力检测区包括第一检测区和第二检测区，第一检测区位于所述风速传感区和第二检测区之间，所述第一检测区在垂直半导体衬底的延伸方向上的宽度小于所述第二检测区的宽度。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述风速传感区在垂直半导体衬底的延伸方向的两侧分别凹设形成应力集中区。
在本发明的一个或多个实施方式中，每个风速传感芯片的外侧还设置有用以一对其进行保护的框架，框架所在平面与半导体衬底位于同一平面。
在本发明的一个或多个实施方式中，还包括用以对风速传感芯片输出的信号进行放大的信号放大单元。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的风速风向传感器，三个迎风面相互正交，可用于三维风速风向的测试，同时支撑臂的三个支撑面围成遮挡空间，能够对电路板单元形成遮挡，避免雨水打湿，提高使用寿命等。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的器件部的结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的风速风向传感器的立体结构示意图。
具体实施方式
风速测量在汽车工业、航空航天、生物医药等领域具有重要作用，风速风向传感器为科学研究、安全生产、实时监测等方面提供重要的环境参数，具有广泛的应用需求。随着社会的发展进步，越来越多的特殊环境监测及动力工程需要测试三维风速风向。
目前市场上较为成熟的风速风向传感器多为传统的风杯风向标器件、热风速传感器、超声风速传感器。对于传统的风杯风向标器件，器件装置体积较大，对低风速测量不够敏感，机械转动结构易磨损；热风速传感器通过测量热损失或热对称反应风速信息，具有结构尺寸小，响应时间快等优点，然而热风速传感器功耗较大，灵敏度低，市场上较多将其应用于一维或二维风速风向传感器。对于三维风速风向的测量，人们大多采用超声波风速传感器，其测量范围广、灵敏度高，但因制作成本较高，体积大，不易小型化，在很多场合难以得到普遍应用。
随着半导体传感器技术日益成熟，基于不同测量原理的传感器逐渐被人们研究应用于多种方向。悬臂式硅压阻传感器作为一种应变力学传感器，具有较好的机械性能及电学性能，在压力、生物等测量领域引起人们的广泛关注。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种风速传感芯片20，包括半导体衬底21和通过半导体工艺形成于半导体衬底21表面的传感单元22。
半导体衬底21具有相对的第一表面211和第二表面(图未示)，沿半导体衬底的延伸方向，所述第一表面211上依次形成有风力检测区212、风速传感区213和信号连接区214，所述风力检测区212提供一迎风表面。
半导体衬底21整体呈类T形的异形结构，其中风力检测区212和风速传感区213相邻并沿第一方向上(半导体衬底21的整体延伸方向)延伸，信号连接区214沿第二方向上延伸，第二方向与第一方向垂直。
信号连接区214主要用以提供与支撑面11的贴合固定的安装面，为了提高安装的稳定性，原则上其表面积越大越好。在优选的实施例中，信号连接区214为矩形，其在第二方向上的长度大于风力检测区和风速传感区在第二方向上的长度。
一实施例中，传感单元22包括四个基于半导体衬底的压敏电阻条221和欧姆接触区222。四个压敏电阻条211关于半导体衬底21的延伸方向的中线对称，两两交汇，形成压敏电阻框，四个欧姆接触区222设置在压敏电阻条交汇处，构成由压敏电阻组成的惠斯通电桥。
优选的，压敏电阻条211基于半导体掺杂技术制备，通过向N型硅半导体上掺杂注入硼离子形成。
沿第一方向，风力检测区212包括依次设置第一检测区2121和第二检测区2122，第一检测区2121位于所述风速传感区213和第二检测区2122之间。一实施例中，第一检测区2121大体呈矩形，第二检测区2122大体为扇形，所述第一检测区2121在第二方向上的宽度d1小于所述第二检测区的扇形半径d2，因此可以在第二检测区2122形成较大的表面积，可以增大同等风速下风力检测区所受的风压，提高风速传感芯片的灵敏度。
一优选实施例中，第一检测区2121的宽度d1的范围为0.5mm～0.6mm，长度范围2～3mm；第二检测区2122的扇形直径d2的范围为1.5～2mm，总长度范围为1.5～2mm。
半导体衬底21的风力检测区212在受力时通过形变改变传感单元22的电阻，为了提高形变的灵敏度，沿第二方向上，将第二检测区2122的扇形宽度设置比第一检测区2121的宽度大。同时，为了批量化生产，节约成本，第一检测区2121与第二检测区2122具有相同的厚度。
一优选实施例中，第一检测区2121位置对应的半导体衬底的厚度与第二检测区2122位置对应的半导体衬底的厚度均为0.010-0.015mm。
一实施例中，第一检测区2121和第二检测区2122的边缘连接处弧形2123过渡。
一实施例中，所述风速传感区213在第二方向的两侧分别凹设形成应力集中区223。应力集中区223为凹设形成的V型槽，用于降低风速传感区213的弹性系数，提高风速传感芯片的灵敏度。
本实施例中，风速传感芯片20整体采用半导体工艺制作，其中，半导体衬底21采用SOI晶圆片制成，SOI晶圆片包括硅衬底、置于硅衬底之上的氧化硅及依序置于氧化硅之上的顶层硅。SOI晶圆片基于MEMS加工工艺制备，具有结构尺寸小，易集成化，工序简单等优点。
结合图2所示，本发明的实施例还提供了一种风速风向传感器100，包括三个支撑臂10和三个风速传感芯片20，每个所述风速传感芯片20分别对应固定于一所述支撑臂10上。
风速传感芯片20的风力检测区212和风速传感区213延伸出所述支撑臂10的末端，风速传感芯片20的风速传感区213靠近其对应的支撑臂10的末端，风力检测区212悬置于支撑臂10的外部形成可以摆动的自由端，三个风速传感芯片20的迎风表面所在的平面相互正交，可用于三维风速风向的测试。
每个支撑臂10分别具有一支撑面11，三个支撑臂10的支撑面11围成一遮挡空间12，每个所述支撑面11上分别设置有一电路板单元30，所述风速传感芯片20电性连接于所述电路板单元30。
传感单元22实时感测风速信号，并将风速信号转换为电信号传输给电路板单元30进行初步处理，信息处理后通过线路传输至后端进行进一步处理或显示。电路板单元30上集成有电子元件，该电子元件可以为信号放大器、滤波器、信号反射/接收模块、控制模块中的一种或多种。
电路板单元30设置于支撑面11上，而支撑面11面向遮挡空间12一侧，因此安装使用过程中，遮挡空间12同样可以对电路板单元30形成遮挡作用，避免雨水等打湿影响其使用寿命。为了进一步提高防水效果，还可以在电路板单元30的外部通过热缩管等进行防水隔离。
三个支撑臂10的一端相交后与一导线传输管40连接，与导线传输管40形成一个整体，三个支撑臂10大小形状相等，截面呈半圆形，三个支撑臂10两两夹角60°。导线传输管40的截面优选为圆形，导线传输管40中空用以提供导线的安装通道(图未示)。
一实施例中，三个支撑臂10及与之相连的导线传输管40采用3D打印方法制成；支撑臂10及导线传输管40的材料可以选择树脂材料。
本案中，3D打印具有一体成形的优点，采用树脂材料结合3D打印的方法制备支撑臂10及导线传输管40，可以减小传感器整体尺寸、降低传感器重量、增加传感器使用寿命、提高支撑臂方向设置的精确度等等。
传感器工作时，导线传输导管30水平设置，三个支撑臂10呈向下发散状，三个支撑面11构成的遮挡空间12开口向下，支撑面11之间两两正交，并与水平面交汇形成正三角形，同时，每个支撑面11与水平面成60°夹角，同时由于风速传感单元22设置在半导体衬底面向遮挡空间12的一侧(第一表面)，因此支撑臂10可以在风速传感单元22的顶部形成遮挡，避免雨水等打湿，提高使用寿命。
支撑面11形成于支撑臂10的整个延伸方向，在另一实施例中，支撑面11的延伸长度也可以小于支撑臂10的长度，该实施例中，支撑面11形成于支撑臂背离导线传输导管30的一端。
一实施例中，三个支撑臂10的支撑面11所在的平面相互正交，半导体衬底21的第二表面靠近信号连接区214的一端贴合固定于对应支撑臂10的支撑面11上，以使得风速传感芯片20的迎风表面与对应的支撑臂10的支撑面11平行，因此可以实现迎风表面的快速定位。半导体衬底21和支撑面11之间可以采用胶合、螺钉等方式进行固定。
一优选实施例中，所述风速传感单元22的信号传输线采用排线(图未示)，排线穿设于导线传输管40的通道内，所述信号连接区214上并排设置有多个电极2141，所述电路板单元30的两侧分别形成有第一电性连接点31和第二电性连接点32，第一电性连接点和第二电性连接点分别包括并排设置的多个电极连接点，所述第一电性连接点31和第二电性连接点32分别与所述排线和电极2141连接。
本案采用排线方式，一方面，可以方便传感单元22的信号沿着信号连接区214的表面传输至电路板单元30，另外一方面，相对于封装管壳的固定方式，也大大降低了成本。
信号连接区214上的电极2141电极优选设置4个，阵列分布于信号连接区214背离传感单元22方向的边缘，为了提供电极的安装空间，信号连接区214沿电极阵列方向(第二方向)的宽度明显大于风力检测区212和风速传感区213的宽度，同时信号连接区214也提供了较大的定位面，安装后更加稳定。
一实施例中，电极2141和第二电性连接点32之间通过金线电性连接，排线设置于导线传输导管14内部，排线与第一电性连接点31之间焊接固定。
一实施例中，电极2141通过金膜分别与惠斯通电桥四个端口相连，便于测量惠斯通电桥在不同风速下的输出信号。作为本发明地一种实施方式，金膜与压敏电阻条221之间设有钝化层间隔，减小信号之间的干扰。
为了进一步提高传感器的灵敏度和测试精确度，还包括用以对风速传感芯片20输出的信号进行放大的信号放大单元(图未示)，信号放大单元可以设置在传感器的后端或者集成与电路板单元30上。
一实施例中，每个支撑臂10上分别设置有一固定点13，固定点13为贯穿对应支撑臂10的通孔，该通孔轴向垂直于支撑面11，并对应电路板单元30的位置设置，电路板单元30放置完成后，通过螺钉与固定点13的配合实现对电路板单元30的固定。
在另一实施例中，每个风速传感芯片20的外侧还设置有用以一对芯片进行安全保护的框架50，框架50大致呈矩形，框架50与半导体衬底21的边缘之间间隔设置，且与半导体衬底21位于同一平面，因此不会对芯片的迎风面构成遮挡。优选的，框架50的厚度或直径为1.3～1.5mm，框架50沿第一方向长边的长度为1.2cm～1.4cm，沿第二方向上的宽度为0.8cm～1.2cm，优选的，沿第二方向上的宽度与支撑面在第二方向上的宽度相同。
可以理解的是，本发明并不限制于此，根据本发明的实施例的传感器件还可以包括其它必要的步骤，如对风速传感芯片进行测试、标定风速传感芯片输出信号与风速对应关系、在信号连接板上制备用于补偿温度影响的压敏电阻等。
综上所述，本发明设计制备的悬臂式风速传感芯片，制备工艺成熟，成本低，芯片响应时间短，温度漂移小，灵敏度高，使用寿命长；本发明设计制备的悬臂式三维风速风向传感器，集成MEMS技术工艺制备的悬臂式风速传感芯片与3D打印技术制备的正交阵型外壳，提高传感器的便携性。同时具有结构体积小、功耗低、适用于多种风速风向测试系统等优点。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种风速风向传感器，其特征在于，包括：
三个支撑臂，每个支撑臂分别具有一支撑面，三个支撑臂的支撑面围成一遮挡空间；
三个风速传感芯片，每个所述风速传感芯片分别对应固定于一所述支撑臂上，每个所述风速传感芯片分别包括延伸至所述遮挡空间外部的迎风面，三个风速传感芯片的迎风表面所在的平面相互正交；
每个所述支撑面上分别设置有一电路板单元，所述风速传感芯片电性连接于所述电路板单元。
2.如权利要求7所述的风速风向传感器，其特征在于，每个风速传感芯片分别包括：
半导体衬底，该半导体衬底具有相对的第一表面和第二表面，沿半导体衬底的延伸方向，所述第一表面上依次形成有风力检测区、风速传感区和信号连接区，所述风力检测区和风速传感区延伸出所述支撑臂的末端，风速传感区靠近其对应的支撑臂的末端，所述风力检测区提供一迎风表面；
传感单元，通过半导体工艺生长于所述风速传感区。
3.如权利要求2所述的风速风向传感器，其特征在于，三个支撑臂的支撑面所在的平面相互正交，
半导体衬底的第二表面靠近信号连接区的一端贴合固定于对应支撑臂的支撑面上，以使得迎风表面和对应支撑臂的支撑面平行。
4.如权利要求2所述的风速风向传感器，其特征在于，所述风速传感单元的信号传输线采用排线，
所述信号连接区上并排设置有多个电极，
所述电路板单元的两侧分别形成有第一电性连接点和第二电性连接点，第一电性连接点和第二电性连接点分别包括并排设置的多个电极连接点，所述第一电性连接点和第二电性连接点分别与所述排线和电极连接。
5.如权利要求2所述的风速风向传感器，其特征在于，所述传感单元包括构成惠斯通电桥的四根压敏电阻条。
6.如权利要求5所述的风速风向传感器，其特征在于，所述压敏电阻条为掺杂硼离子的N型硅半导体。
7.如权利要求2所述的风速风向传感器，其特征在于，沿半导体衬底的延伸方向，风力检测区包括第一检测区和第二检测区，
第一检测区位于所述风速传感区和第二检测区之间，
所述第一检测区在垂直半导体衬底的延伸方向上的宽度小于所述第二检测区的宽度。
8.如权利要求2所述的风速风向传感器，其特征在于，所述风速传感区在垂直半导体衬底的延伸方向的两侧分别凹设形成应力集中区。
9.如权利要求2所述的风速风向传感器，其特征在于，每个风速传感芯片的外侧还设置有用以一对其进行保护的框架，框架所在平面与半导体衬底位于同一平面。
10.如权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于，还包括用以对风速传感芯片输出的信号进行放大的信号放大单元。
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