CN115575662B - 基于静电排斥力可重构的风速风向传感器及检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于静电排斥力可重构的风速风向传感器及检测装置，基于静电排斥力可重构的风速风向传感器包括双端固支梁、测量电阻、排斥驱动器和基底层，双端固支梁设置于基底层且与基底层形成空腔，排斥驱动器设置于空腔内，测量电阻设置于双端固支梁远离基底层的一侧，排斥驱动器用于根据电压信号重构基于静电排斥力可重构的风速风向传感器。采用本方法通过调节排斥驱动器上的电压信号，排斥驱动器使双端固支梁产生形变，进而重构基于静电排斥力可重构的风速风向传感器，改变基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的测量范围和灵敏度，能够做到应对多变的风场条件。

Description

基于静电排斥力可重构的风速风向传感器及检测装置

技术领域

本申请涉及测量仪器技术领域，特别是涉及一种基于静电排斥力可重构的风速风向传感器及检测装置。

背景技术

随着科学技术的发展，航空航天、农业种植、气象预报以及环境保护等领域均离不开对风速的测量，风速测量变得日益重要，测风仪器通常采用机械式或超声式，随着时代发展，风速测量的方式也越来越多样化。

现在广泛采用的是MEMS(微机电系统)热式风速传感器，主要是通过检测风带走芯片热量的多少来表征风速。当芯片表面有风吹过时，表面被带走的热量的多少与风速大小成正相关。热损失型的风速计主要有两种工作模式：恒功率型和恒温差型，分别是在控制加热功率和芯片温度与环境温度的差值保持固定时工作的。

然而，目前广泛采用的MEMS热式风速传感器量程和灵敏度固定，在测试不同风场的不同需求下，无法适应多变的风场条件。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够适应多变的风场条件的基于静电排斥力可重构的风速风向传感器及检测装置。

第一方面，本申请提供了一种基于静电排斥力可重构的风速风向传感器，所述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器包括双端固支梁、测量电阻、排斥驱动器和基底层，所述双端固支梁设置于所述基底层且与所述基底层形成空腔，所述排斥驱动器设置于所述空腔内，所述测量电阻设置于所述双端固支梁远离所述基底层的一侧，所述排斥驱动器用于根据电压信号重构所述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器。

在其中一个实施例中，所述排斥驱动器包括被驱动电极、压制电极和吸引电极，所述被驱动电极设置于所述双端固支梁，所述压制电极设置于所述基底层与所述被驱动电极对应的位置，所述吸引电极设置于所述基底层。

在其中一个实施例中，所述吸引电极包括第一吸引电极和第二吸引电极，所述第一吸引电极和所述第二吸引电极基于所述压制电极对称分布于所述基底层。

在其中一个实施例中，所述被驱动电极和所述压制电极具有相同的电势，所述第一吸引电极和所述第二吸引电极接地，所述第一吸引电极和所述第二吸引电极用于抵消所述被驱动电极两侧的吸引力，所述压制电极用于根据所述电压信号改变对所述被驱动电极的排斥力的大小，调节所述被驱动电极的排斥距离。

在其中一个实施例中，所述双端固支梁包括接触部和凸起部，所述接触部设置于所述基底层，所述凸起部与所述接触部连接，所述被驱动电极设置于所述凸起部的内表面，所述测量电阻设置于所述凸起部的外表面。

在其中一个实施例中，所述测量电阻包括第一测量电阻、第二测量电阻、第三测量电阻和第四测量电阻，所述第一测量电阻和所述第二测量电阻以所述凸起部的中心点为中心对称分布，所述第三测量电阻和所述第四测量电阻以所述凸起部的中心点为中心，以所述第一测量电阻和所述第二测量电阻的中心点连接线为对称轴对称分布。

在其中一个实施例中，所述基底层包括氧化层和衬底，所述双端固支梁、所述氧化层和所述衬底依次设置，所述空腔设置于所述氧化层与所述双端固支梁之间。

在其中一个实施例中，所述衬底为硅衬底，所述氧化层为二氧化硅氧化层。

在其中一个实施例中，所述双端固支梁为氮化硅材质的薄膜。

第二方面，本申请还提供了一种检测装置，所述装置包括基于静电排斥力可重构的风速风向传感器和控制器，所述控制器连接所述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器，所述控制器用于根据上述的基于静电排斥力可重构的风速风向传感器得到风速和风向的测试结果。

上述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器及检测装置，通过调节排斥驱动器上的电压信号，排斥驱动器使双端固支梁产生形变，进而重构该风速风向传感器，改变基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的测量范围和灵敏度，能够做到应对多变的风场条件。

附图说明

图1为一个实施例中基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的应用环境图；

图2为一个实施例中基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的结构示意图；

图3为一个实施例中基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的排斥驱动器结构示意图；

图4为一个实施例中基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的吸引电极的结构示意图；

图5为一个实施例中基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的双端固支梁的结构示意图；

图6为一个实施例中基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的测量电阻的结构示意图；

图7为一个实施例中基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的基底层的结构示意图；

图8为一个实施例中基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的重构应用示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

本申请实施例提供的基于静电排斥力可重构的风速风向传感器，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102可以是采用热损失工作模式的传感器，在基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102表面设置有多个测试电阻，通过感知测试电阻被风带走的热量来表征风向和风速。将基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102放置于所需测量的风场中，操作人员根据所需测量的风场条件调节基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102的测试范围和灵敏度，控制器104获取基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102每一个测试电阻的热量损失，就可以得到风速风向测试结果。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于静电排斥力可重构的风速风向传感器，包括双端固支梁3、测量电阻5、排斥驱动器4和基底层6，双端固支梁3设置于基底层6且与基底层6形成空腔，排斥驱动器4设置于空腔内，测量电阻5设置于双端固支梁3远离基底层6的一侧，排斥驱动器4用于根据电压信号重构基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102。

其中，双端固支梁3为双端固定的薄膜梁；排斥驱动器4为具有可调节的排斥力的驱动器；基底层6为平面的底层支撑，双端固支梁3依靠基底层6制备。

具体的，双端固支梁3与基底层6之间有空腔，双端固支梁3的空腔以外的两端与基底层6连接，在空腔处设置排斥驱动器4，排斥驱动器4用于根据排斥力的大小调节双端固支梁3与基底层6之间的空腔高度。双端固支梁3远离基底层6的一侧设置有测量电阻5，测量电阻5通常设置于双端固支梁3与基底层6之间的空腔对应位置的另一侧，根据输入的电压信号，排斥驱动器4调节双端固支梁3与基底层6之间的空腔高度，因为双端固支梁3是薄膜梁，双端固支梁3跟随空腔高度变化产生形变，双端固支梁上设置的测量电阻5也随着形变移动，即重新构造了风速风向传感器102的结构，相当于改变基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102的测量范围和灵敏度。

进一步的，当基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102为热损失工作模式的传感器时，由于流体都具有速度边界层，即经过壁面时由于粘滞力的作用，壁面附近的流体流速下降，直至贴附于壁面的流体静止不动的一个薄层。所以在风场中，速度边界层上方的速度相比于贴近基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102的风速大，因此对于相同的环境风速，双端固支梁3凸起高度越高，测量电阻5被带走的热量更多，灵敏度更高；同时也饱和地越快，测量范围变小。

再进一步的，排斥驱动器4可以为静电排斥力驱动器，此时排斥力为静电排斥力，通过设置非对称的电场分布，并根据电压信号产生不同大小的静电排斥力来调节双端固支梁3的空腔高度。双端固支梁3可以是两端固定并具有斜坡面的弧形凸起的薄膜梁，此时双端固支梁3与基底层6之间的空腔为半梭形；也可以是两端固定并垂直设置有支撑部件的平面凸起的薄膜梁，此时双端固支梁3与基底层6之间的空腔为矩形。为准确测量风速风向，测量电阻5可以为两个及以上的任意数量。

上述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器中，通过调节排斥驱动器4上的电压信号，排斥驱动器4调节排斥力使双端固支梁3产生形变，进而重构基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102，改变基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102的测量范围和灵敏度，能够做到应对多变的风场条件。

在一个实施例中，如图3所示，排斥驱动器4包括被驱动电极42、压制电极43和吸引电极45，被驱动电极42设置于双端固支梁3，压制电极43设置于基底层6与被驱动电极42对应的位置，吸引电极45设置于基底层6。

排斥驱动器4为静电排斥驱动器，静电排斥驱动器设置电极分布形成一个非对称的电场分布，通过改变电极间的电场分布调节排斥力的大小。具体的，被驱动电极42设置于双端固支梁3，压制电极43设置于基底层6与被驱动电极42对应的位置，被驱动电极42与压制电极43用于根据电压信号产生排斥力，吸引电极45设置于基底层6，用于消除多余的电场力，防止其影响排斥力的方向。因为被驱动电极42与压制电极43位置相对，排斥力的方向为设置压制电极43的基底层6平面的垂直方向，又因为双端固支梁3是薄膜梁，排斥力可以使双端固支梁3产生形变，重构基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102。

在本实施例中，使用电极的静电排斥力进行对基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102的驱动，占用体积小且功耗低，具有不容易受外界环境影响的优点。通过设置被驱动电极42于双端固支梁3，设置压制电极43于基底层6，并且被驱动电极42与压制电极43位置对应，能够达到被驱动电极42与压制电极43之间排斥力充分用于重构该基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102。

在一个实施例中，在图3的基础上以A-A’基准线为剖面，如图3和图4所示，吸引电极45包括第一吸引电极41和第二吸引电极44，第一吸引电极41和第二吸引电极44基于压制电极43对称分布于基底层6。

具体的，第一吸引电极41与第二吸引电极44以压制电极43的中心点为对称中心，对称分布于基底层6。当压制电极43与被驱动电极42之间因为电场分布产生排斥力时，第一吸引电极41与被驱动电极42根据电场分布产生第一吸引力，第二吸引电极44与被驱动电极42根据电场分布产生第二吸引力，因为第一吸引电极41和第二吸引电极44与压制电极43的中心点为对称中心，对称分布于基底层6，所以第一吸引力和第二吸引力大小相等，可以对压制电极43与被驱动电极42之间两侧的多余电场力进行抵消消除。即，第一吸引力和第二吸引力的水平方向力分量，大小相等方向相反，相互抵消；第一吸引力和第二吸引力的垂直方向力分量，大小相等方向相同，称为第三吸引力，将被压制电极43与被驱动电极42之间的排斥力抵消。

在本实施例中，通过将第一吸引电极41和第二吸引电极44基于压制电极43对称分布于基底层6，抵消压制电极43与被驱动电极42之间两侧的多余电场力，可以达到稳定排斥力方向的作用。

在一个实施例中，被驱动电极42和压制电极43具有相同的电势，第一吸引电极41和第二吸引电极44接地，第一吸引电极41和第二吸引电极44用于抵消被驱动电极42两侧的吸引力，压制电极43用于根据电压信号改变对被驱动电极42的排斥力的大小，调节被驱动电极42的排斥距离。

具体的，被驱动电极42和压制电极43接入同样的正电压，使被驱动电极42和压制电极43具有相同的电势，此时压制电极43与被驱动电极42之间具有的排斥力，第一吸引电极41和第二吸引电极44接地，将被驱动电极42和压制电极43之间竖直方向外的多余电场力抵消，使被驱动电极42和压制电极43之间只剩下竖直方向的第三吸引力，第三吸引力被压制电极43与被驱动电极42之间的排斥力抵消，于是压制电极43与被驱动电极42之间的只剩下垂直方向上的排斥力。

进一步的，压制电极43与被驱动电极42接入的电压信号并不是固定值，根据电压信号的幅值大小，排斥力的大小也随之改变，对应的改变被驱动电极42的排斥距离，使双端固支梁3产生形变，达到对基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102的重构。

在一个实施例中，如图5所示，双端固支梁3包括接触部31和凸起部32，接触部31设置于基底层6，凸起部32与接触部31连接，被驱动电极42设置于凸起部32的内表面，测量电阻5设置于凸起部32的外表面。

具体的，接触部31设置于基底层6，起固定作用，凸起部32与接触部31连接，凸起部32与基底层6之间有空腔，该空腔用于放置排斥驱动器4，其中，排斥驱动器4的被驱动电极42设置于凸起部32的内表面，用于根据排斥力的大小改变凸起部32的凸起高度。双端固支梁3上设置有测量电阻5，具体的，测试电阻5设置于凸起部32的外表面，根据凸起部32的凸起高度重构测试电阻的位置。

进一步的，凸起部32凸起的方式并不唯一，在本实施例中，凸起部32可以为平面凸起，即凸起部32的内表面和外表面为平面。可选的，凸起部32的内表面也可以为非平面。凸起部32的两端通过支撑部件与接触部31连接。其中，支撑部件是双端固支梁3的部分组成，支撑方式可以为倾斜支撑，也可以为垂直支撑。

在一个实施例中，如图6所示，测量电阻5包括第一测量电阻51、第二测量电阻52、第三测量电阻53和第四测量电阻54，第一测量电阻51和第二测量电阻52以凸起部32的中心点为中心对称分布，第三测量电阻53和第四测量电阻54以凸起部32的中心点为中心，以第一测量电阻51和第二测量电阻52的中心点连接线为对称轴对称分布。

具体的，第一测量电阻51和第二测量电阻52以凸起部32的中心点为中心对称分布，第一测量电阻51与第二测量电阻52的中心点的直线距离为第一距离；第三测量电阻53和第四测量电阻54以凸起部32的中心点为中心，以第一测量电阻51和第二测量电阻52的中心点连接线为对称轴对称分布，第三测量电阻53和第四测量电阻54的中心点的直线距离为第二距离。

进一步的，第一距离和第二距离可以相等也可以不相等，对于第一测量电阻51、第二测量电阻52、第三测量电阻53和第四测量电阻54来说，可以与所对称的凸起部32的中心线平行，也可以与所对称的凸起部32的中心线垂直。

在一个实施例中，如图7所示，基底层6包括氧化层2和衬底1，双端固支梁3、氧化层2和衬底1依次设置，空腔设置于氧化层2与双端固支梁3之间。

其中，衬底1是具有特定晶面和适当电学、光学和机械特性的，用于生长外延层的洁净单晶薄片；氧化层2是基于衬底1氧化得到的氧化薄膜。

具体的，氧化层2设置于双端固支梁3和衬底1之间，氧化层2与双端固支梁3之间有用于设置排斥驱动器4的空腔，氧化层上设置有压制电极43、第一吸引电极41和第二吸引电极44，氧化层与双端固支梁3的接触部31连接。

在一个实施例中，衬底1为硅衬底，氧化层2为二氧化硅氧化层。

具体的，先准备好衬底1，材质为硅，在硅衬底上使用热氧化工艺制备一层氧化层2，为二氧化硅氧化层。进一步的，在氧化层2上使用淀积工艺制备三个薄膜电极，分别为压制电极43、第一吸引电极41和第二吸引电极44，薄膜电极的材质可以为铝。

在一个实施例中，双端固支梁3为氮化硅材质的薄膜。

具体的，氮化硅薄膜具备良好的光电性质、钝化性能和抗水汽渗透能力。在制备好压制电极43、第一吸引电极41和第二吸引电极44之后，在氧化层2上使用沉积工艺制作一层牺牲层，并在牺牲层上方再使用淀积工艺制备被驱动电极42，被驱动电极42与压制电极43、第一吸引电极41和第二吸引电极44材质相同，被驱动电极42与压制电极43位置对应。在牺牲层表面使用化学气相沉积工艺制造一层氮化硅薄膜作为双端固支梁3，并刻蚀掉牺牲层，再在双端固支梁的上表面使用淀积工艺制备测量电阻5，测量电阻5可以为四个相同的电阻，材质可以为Pt(铂)。

在一个实施例中，提供了一种检测装置，包括基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102和控制器104，控制器104连接基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102，控制器104用于上述的基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102得到风速和风向的测试结果。

具体的，控制器104可根据操作人员的指令输入对应的电压信号至基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102，电压信号驱动排斥驱动器4，基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102根据电压信号改变测试范围和灵敏度，基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102重构示意图如图8所示，此时的基于静电排斥力可重构的风速风向传感器102在风场中重构以满足当前的风场条件测试需求。控制器104获取测量电阻5在风场中丧失的热量，得到风速和风向的测量结果。

进一步的，处理器104可为通用处理器、中央处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。控制器104还可以包括通信接口、显示单元和交互单元，通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC(近场通信)或其他技术实现；显示单元用于形成视觉可见的画面，可以是显示屏、投影装置或虚拟现实成像装置，显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏。与操作人员交互的交互单元可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是控制器104外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。当测试电阻5为四个，分别为第一测量电阻51、第二测量电阻52、第三测量电阻53和第四测量电阻54时，控制器104可以根据每一个电阻损失热量的时间先后顺序得到风向的测量结果，根据损失热量的大小得到风速的测量结果。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于静电排斥力可重构的风速风向传感器，其特征在于，所述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器包括双端固支梁、测量电阻、排斥驱动器和基底层，所述双端固支梁设置于所述基底层且与所述基底层形成空腔，所述排斥驱动器设置于所述空腔内，所述测量电阻设置于所述双端固支梁远离所述基底层的一侧，所述排斥驱动器用于根据电压信号重构所述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器；

所述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器的表面设置有多个所述测量电阻，通过感知所述测量电阻被风带走的热量来表征风向和风速；其中，所述双端固支梁凸起高度越高，所述测量电阻被带走的热量更多，灵敏度更高。

2.根据权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于，所述排斥驱动器包括被驱动电极、压制电极和吸引电极，所述被驱动电极设置于所述双端固支梁，所述压制电极设置于所述基底层与所述被驱动电极对应的位置，所述吸引电极设置于所述基底层。

3.根据权利要求2所述的风速风向传感器，其特征在于，所述吸引电极包括第一吸引电极和第二吸引电极，所述第一吸引电极和所述第二吸引电极基于所述压制电极对称分布于所述基底层。

4.根据权利要求3所述的风速风向传感器，其特征在于，所述被驱动电极和所述压制电极具有相同的电势，所述第一吸引电极和所述第二吸引电极接地，所述第一吸引电极和所述第二吸引电极用于抵消所述被驱动电极两侧的吸引力，所述压制电极用于根据所述电压信号改变对所述被驱动电极的排斥力的大小，调节所述被驱动电极的排斥距离。

5.根据权利要求2所述的风速风向传感器，其特征在于，所述双端固支梁包括接触部和凸起部，所述接触部设置于所述基底层，所述凸起部与所述接触部连接，所述被驱动电极设置于所述凸起部的内表面，所述测量电阻设置于所述凸起部的外表面。

6.根据权利要求5所述的风速风向传感器，其特征在于，所述测量电阻包括第一测量电阻、第二测量电阻、第三测量电阻和第四测量电阻，所述第一测量电阻和所述第二测量电阻以所述凸起部的中心点为中心对称分布，所述第三测量电阻和所述第四测量电阻以所述凸起部的中心点为中心，以所述第一测量电阻和所述第二测量电阻的中心点连接线为对称轴对称分布。

7.根据权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于，所述基底层包括氧化层和衬底，所述双端固支梁、所述氧化层和所述衬底依次设置，所述空腔设置于所述氧化层与所述双端固支梁之间。

8.根据权利要求7所述的风速风向传感器，其特征在于，所述衬底为硅衬底，所述氧化层为二氧化硅氧化层。

9.根据权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于，所述双端固支梁为氮化硅材质的薄膜。

10.一种检测装置，其特征在于，所述装置包括基于静电排斥力可重构的风速风向传感器和控制器，所述控制器连接所述基于静电排斥力可重构的风速风向传感器，所述控制器用于根据权利要求1-9任意一项所述的基于静电排斥力可重构的风速风向传感器得到风速和风向的测试结果。