CN113933535B - 一种二维双模式mems风速风向传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维双模式MEMS风速风向传感器及其制备方法，传感器包括传感器芯片部分和测控电路，传感器芯片部分基于热阻和压阻两部分，测控电路系统基于惠斯通电桥结构。热阻工作在自加热模式，风引起芯片表面温度场的不均匀分布，测量四个热阻的阻值变化可获得低速风速和风向信息；压阻测得风速引起的悬臂梁形变获得高速风速和风向信息。相较于现有技术，本发明提出了新的基于热式、压阻式的二维风速风向传感结构与检测过程，解决了热式风速传感器高风速下饱和无法测量的问题，此外，将热阻与压阻整合在同一悬臂梁上，结构简单。

Description

一种二维双模式MEMS风速风向传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及风速风向传感器的技术领域，特别是涉及一种二维双模式MEMS风速风向传感器及其制备方法。
背景技术
风速风向传感器用于测量风速风向信息，在气象监测、航空航天、农业生产等生活生产领域都有广泛的应用。此外，面对极端的自然天气和特殊的应用场景，如台风等，高速风速的测量也具有重要的意义。根据不同的检测原理，风速风向的测量可以采用很多种物理化学手段，其涉及到流体力学、传热学、光学、电学、声学等原理。机械式、超声式和热式是现有常用的几种测量原理。其中，机械式由于机械磨损导致维护成本高、超声式由于测量原理的限制很难实现小型化，热式传感器利用流体流过器件表面发生热对流，引起器件表面温度分布变化来测量风速信息，结合MEMS技术能规避上述问题，但过高的风速使得器件表面的温度分布达到稳定，不会再因风速增加而变化，达到饱和，限制了传感器的测量范围。
1856年，Lord Kelvin发现压阻效应，它是指当电阻受到应变和形变时，电阻值会发生改变，这种效应为机械能和电能之间提供了简单直接的能量与信号转换机制。在正应变下，电阻的变化与施加的应变成线性关系，可表示为
Figure BDA0003285036010000011
其中，G为压阻的应变系数。电阻的变化通常利用惠斯通电桥的电路结构来读出。将压阻原理与MEMS工艺结合，在悬臂梁上制备压阻，高速的风吹过芯片表面引起悬臂梁弯曲发生形变，压阻阻值因形变而改变，最后通过惠斯通电桥读出，实现高速风速的测量。结合常见的热式风速传感器测量低风速，完成基于热式、压阻式的双模式MEMS风速风向传感器，面向兼顾低速和高速的风速测量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二维双模式MEMS风速风向传感器及其制备方法，用以解决基于热式的MEMS风速风向传感器在高风速下饱和无法测量的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二维双模式MEMS风速风向传感器，包括传感器芯片和测控电路，所述传感器芯片包括：
衬底(1)，其内部具有一正方形状的空腔区域，在该空腔区域内，所述衬底(1)的四边，均设置一悬臂梁；
四个压阻元件(2)，其相对所述空腔区域的中心呈中心对称分布，且设置在所述悬臂梁的根部区域；
四个热阻元件(3)，其相对所述空腔区域的中心呈中心对称分布，且设置在所述悬臂梁的端部区域；
其中，每一个所述的压阻元件(2)和每一个所述的热阻元件(3)均连接有两个金属接触电极(4)，所述的四个热阻元件(3)均采用自加热模式，在芯片表面形成对称的温度分布场同时检测自身电阻，所述的四个压阻元件(2)用于测量由风引起的形变量进而测量风速；
所述测控电路包括惠斯通电桥，其中，所述测控电路用于获取所述四个压阻元件(2)以及四个热阻元件(3)的阻值，并且通过所述惠斯通电桥将获取的阻值输出。
进一步的，所述悬臂梁的端部区域包括突出部，所述突出部与所述悬臂梁呈垂直状，所述热阻元件设置于所述突出部。
一种二维双模式MEMS风速风向传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、对衬底(1)进行体微机械加工形成，在其内部形成正方形状的空腔区域，并且在该空腔区域内，且衬底的(1)四边，均形成一个悬臂梁；
步骤S2、在四个悬臂梁的端部区域上淀积、光刻并刻蚀金属或多晶硅形成热阻元件(3)；
步骤S3、在四个悬臂梁的根部区域上通过使用淀积、光刻并刻蚀金属或多晶硅的方法或者使用对硅横梁进行掺杂的方法形成压阻元件(2)；
步骤S4、在所述热阻元件(3)和所述压阻元件(2)的两端沉积金属，再剥离形成金属接触电极(4)
本发明的有益效果是：
1、本发明基于热阻实现了低速风速的测量，并通过对称分布的结构实现二维风场的检测。热阻工作在自加热模式，该状态下的温度和热电阻值取决于热输入和耗散的速率，热阻欧姆加热的能量可通过传导和对流耗散出去。无风时在传感器表面产生一个对称分布的温度场，上下游阻值相同；有风时，由于存在不对称换热效应，上下游出现温度梯度，热敏电阻出现阻值差。与其他原理传感器相比，保留了热式风速传感器的优势，且采用自加热模式无需新增别的加热电阻，简化了器件结构。
2、本发明基于压阻实现了高速风速的测量，同样通过对称分布的结构实现二维风场的检测。无风时，负载压阻的悬臂梁保持水平，没有应变，压阻值不变；有风时，风力将悬臂梁吹离平衡位置，发生应变，压阻阻值因形变发生变化，进而测量风速。与传统热式风速传感器相比，因传统热式风速传感器在高风速下器件上游的温度不会低于环境温度，下游温度不会高于最初加热后的温度，所以存在的温度差饱和，无法完成高风速的测量，本发明弥补了其测量的局限性，明显地扩大了量程。
3、本发明提出的二维双模式风速传感器的热阻与压阻均制备在悬臂梁上，结构简单。
附图说明
图1是实施例1中提供的一种二维双模式MEMS风速风向传感器的结构示意图；
图2是图1沿x方向的剖面图；
图3是实施例1中提供的压阻元件的结构示意图；
图4是图3沿x方向的剖面图；
图5是实施例1中提供的热阻元件的结构示意图；
图6是图5沿x方向的剖面图；
附图中：
1-衬底、2-压阻元件、3-热阻元件、4-金属接触电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图6，本实施例提供一种二维双模式MEMS风速风向传感器，包括传感器芯片和测控电路，传感器芯片包括：
衬底1，其内部具有一正方形状的空腔区域，在该空腔区域内，衬底1的四边，均设置一悬臂梁；
四个压阻元件2，其相对空腔区域的中心呈中心对称分布，且设置在悬臂梁的根部区域；
四个热阻元件3，其相对空腔区域的中心呈中心对称分布，且设置在悬臂梁的端部区域；
其中，每一个压阻元件2和每一个热阻元件3均连接有两个金属接触电极4，四个热阻元件3均采用自加热模式，在芯片表面形成对称的温度分布场同时检测自身电阻，四个压阻元件2用于测量由风引起的形变量进而测量风速；
测控电路包括惠斯通电桥，其中，测控电路用于获取四个压阻元件2以及四个热阻元件3的阻值，并且通过惠斯通电桥将获取的阻值输出。
具体的说，在本实施例中，悬臂梁的端部区域包括突出部，突出部与悬臂梁呈垂直状，热阻元件设置于突出部。
具体的说，如图1所示，本实施例提供的一种二维双模式MEMS风速风向传感器，其图1中上部的RT2、下部的RT4、左部的RT1和右部的RT3为上述的四个热阻元件；图1中上部的RP2、下部的RP4、左部的RP1和右部的RP3为上述的四个压阻元件。
在工作时，不同的风速阶段分别采用热式、压阻式的测量原理，但x方向和y方向原理一致，因此，在本实施例中，均以沿x方向为例来说明该风速风向传感器的工作原理。
在低风速阶段基于热式原理：
热阻元件RT1、RT3采用自加热模式对传感器芯片加热并检测，使传感器芯片温度高于环境温度，同时测量芯片上下游温度梯度来测得低速风速。在无风情况下热阻元件RT1、RT3产生的焦耳热为芯片提供中心对称的热场，x方向无温度梯度，两热阻温度相同，阻值相同；当有风吹过芯片表面时，芯片表面由于自然对流换热和强制对流换热，温度下降，且沿x方向，由于热对流将带走上游更多的热量，使得上游的电阻RT1温度略低于下游电阻RT3，产生温度梯度，通过热阻元件RT1、RT3的阻值变化即可测得风速信息。结合y方向的风速分量，可得到风速风向信息。
在高风速阶段基于压阻原理：
压阻元件RP1、RP3位于悬臂梁的根部，在无风情况下，悬臂梁无形变，压阻不受压力而维持初始阻值；当有风时，悬臂梁因风而发生形变，通过位于根部的压阻元件RT1、RT3受到应力发生的阻值变化即可测得风速信息。再结合y方向的风速分量，可得到风速风向信息。
实施例2
本实施例在实施例1的基础之上，提供一种二维双模式MEMS风速风向传感器的制备方法，具体包括：
步骤S1、对衬底1进行体微机械加工形成，在其内部形成正方形状的空腔区域，并且在该空腔区域内，且衬底的1四边，均形成一个悬臂梁；
步骤S2、在四个悬臂梁的端部区域上淀积、光刻并刻蚀金属或多晶硅形成热阻元件3；
步骤S3、在四个悬臂梁的根部区域上通过使用淀积、光刻并刻蚀金属或多晶硅的方法或者使用对硅横梁进行掺杂的方法形成压阻元件2；
步骤S4、在热阻元件3和压阻元件2的两端沉积金属，再剥离形成金属接触电极4。
本实施例基于热阻和压阻双模式，通过低风速时读取4个方向上的热阻RT1～RT4，高风速时读取4个方向上的压阻RP1～RP4，来实现兼容低速和高速风速风向的测量。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种二维双模式MEMS风速风向传感器，其特征在于，包括传感器芯片和测控电路，所述传感器芯片包括：
衬底(1)，其内部具有一正方形状的空腔区域，在该空腔区域内，所述衬底(1)的四边，均设置一悬臂梁；
四个压阻元件(2)，其相对所述空腔区域的中心呈中心对称分布，且设置在所述悬臂梁的根部区域；
四个热阻元件(3)，其相对所述空腔区域的中心呈中心对称分布，且设置在所述悬臂梁的端部区域；
其中，每一个所述的压阻元件(2)和每一个所述的热阻元件(3)均连接有两个金属接触电极(4)，所述的四个热阻元件(3)均采用自加热模式，在芯片表面形成对称的温度分布场同时检测自身电阻，所述的四个压阻元件(2)用于测量由风引起的形变量进而测量风速；
所述测控电路包括惠斯通电桥，其中，所述测控电路用于获取所述四个压阻元件(2)以及四个热阻元件(3)的阻值，并且通过所述惠斯通电桥将获取的阻值输出；
所述悬臂梁的端部区域包括突出部，所述突出部与所述悬臂梁呈垂直状，所述热阻元件设置于所述突出部；
在工作时，不同的风速阶段分别采用热式、压阻式的测量原理，但x方向和y方向原理一致；
低风速阶段基于热式原理：热阻元件RT1、RT3采用自加热模式对传感器芯片加热并检测，使传感器芯片温度高于环境温度，同时测量芯片上下游温度梯度来测得低速风速；在无风情况下热阻元件RT1、RT3产生的焦耳热为芯片提供中心对称的热场，x方向无温度梯度，两热阻温度相同，阻值相同；当有风吹过芯片表面时，芯片表面由于自然对流换热和强制对流换热，温度下降，且沿x方向，由于热对流将带走上游更多的热量，使得上游的电阻RT1温度略低于下游电阻RT3，产生温度梯度，通过热阻元件RT1、RT3的阻值变化即可测得风速信息，结合y方向的风速分量，可得到风速风向信息；
在高风速阶段基于压阻式原理：压阻元件RP1、RP3位于悬臂梁的根部，在无风情况下，悬臂梁无形变，压阻不受压力而维持初始阻值；当有风时，悬臂梁因风而发生形变，通过位于根部的压阻元件RP1、RP3受到应力发生的阻值变化即可测得风速信息，再结合y方向的风速分量，可得到风速风向信息；
无风时，负载压阻的悬臂梁保持水平，没有应变，压阻值不变；有风时，风力将悬臂梁吹离平衡位置，发生应变，压阻阻值因形变发生变化，进而测量风速。
2.一种如权利要求1所述的一种二维双模式MEMS风速风向传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、对衬底(1)进行体微机械加工形成，在其内部形成正方形状的空腔区域，并且在该空腔区域内，且衬底的(1)四边，均形成一个悬臂梁；
步骤S2、在四个悬臂梁的端部区域上淀积、光刻并刻蚀金属或多晶硅形成热阻元件(3)；
步骤S3、在四个悬臂梁的根部区域上通过使用淀积、光刻并刻蚀金属或多晶硅的方法或者使用对硅横梁进行掺杂的方法形成压阻元件(2)；
步骤S4、在所述热阻元件(3)和所述压阻元件(2)的两端沉积金属，再剥离形成金属接触电极(4)。
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