專利名稱：一種微機械電容式風速風向傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于傳感技術領域，特別涉及基于微電子機械系統技術的風速 風向傳感器。
背景技術：
風速和風向參數是氣象觀測的基本要素之一，在航空航天、工農業(yè)生 產、氣象預報，氣候分析等領域應用廣泛。在氣象上，風分為地面風和高 空風。高空風的測量方法有光學經緯儀結合探空氣球測風、測風雷達測風、 無人機測風和風廓線儀測風。地面風的測量方法和原理較多，常規(guī)的測風 傳感器有風杯風速表、固體正交測風儀、壓力板測風儀、螺旋推進測風儀、 熱線測風儀、管測風儀、超聲波測風儀、激光測風儀、離子測風儀和渦街 式測風儀等。由于機械慣性的影響或者測量原理的限制，部分常規(guī)的測風 傳感器測量準確度低、實時性差、不能同時測量風速和風向，且都具有體 積較大的缺點，已不能完全滿足測量準確度和特定環(huán)境風速和風向測量的 要求。
隨著檢測技術的發(fā)展和人們對環(huán)境要求的提高，在航空航天、氣象預 報、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、工業(yè)制造、農業(yè)生產領域中迫切需要具有體積 小，重量輕，成本低的微型測風傳感器。
目前，微型測風傳感器的研制主要有熱式微型測風傳感器和非熱式微 型測風傳感器。
熱式微型測風傳感器基于熱源在風流流過后產生熱梯度的原理來測 量風速風向。具有兩種工作方式通過測量熱線熱電阻變化的恒流工作方 式和通過測量加熱電流的恒溫工作方式。熱式微型測風傳感器具有測量簡 單、工藝易控制、應用廣泛、可同時測量風速風向等優(yōu)點，缺點是功耗大、 襯底的熱傳導會導致測量誤差、零點隨環(huán)境溫度漂移、響應時間長、高風 速測量不穩(wěn)定。
非熱式微型測風傳感器是將風速的信息轉變?yōu)榱蛘邏簭姷男畔ⅲ贆z測力或者壓強所引起的敏感結構的形變信息來測量風速，通過傳感器的 二次封裝來實現風向測量。其信號檢測多采用電容、壓阻、壓電等方法。 其中電容檢測具有結構簡單、功耗小、響應快、溫漂小等優(yōu)點，缺點是線 性不好。非熱式微型測風傳感器具有功耗低，溫漂小、響應快等優(yōu)點，缺 點是結構相對復雜、難以實現風速風向的單片測量。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決現有技術所存在的問題，提供一種結構簡 單、可同時測量風速和風向的非熱式微機械電容式風速風向傳感器。 為了實現上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是
一種微機械電容式風速風向傳感器，包括襯底、阻流體、敏感梁、支
撐體和引出電極；其還包括固定叉指、可動叉指、固定叉指支撐體、可動 叉指支撐體；其中，
襯底為板狀絕緣體，引出電極固置于襯底的上表面，引出電極的一側 通過引線分別與固定叉指支撐體、可動叉指支撐體電連接；
阻流體、敏感梁、固定叉指、可動叉指、固定叉指支撐體、可動叉指 支撐體為導電體；阻流體的一側與多數個片狀可動叉指固連，兩端分別與 兩敏感梁的一端固連，兩敏感梁的另一端與可動叉指支撐體固連，阻流體、 敏感梁、多數個可動叉指懸空設置在襯底上表面上方，可動叉指支撐體固 置于襯底的上表面；多數個片狀可動叉指相互平行設置，其平行方向與阻 流體軸向正交；
固定叉指支撐體的四個側面頂端分別和多數個片狀固定叉指固連，多 數個固定叉指和固定叉指支撐體分別固置于襯底的上表面，位于襯底中心 部分；多數個片狀固定叉指相互平行設置，其平行方向與固定叉指支撐體 的四個側面正交；
阻流體、敏感梁、可動叉指和可動叉指支撐體圍于固定叉指和固定叉 指支撐體四周；多數個片狀固定叉指和多數個片狀可動叉指交叉配置，相 互之間有一間隙，使兩者構成一電容器。
所述的傳感器，其所述襯底的形狀為正方形或者圓形。
所述的傳感器，其所述阻流體的形狀為長方形。所述的傳感器，其所述敏感梁形狀為長方形。
所述的傳感器，其所述多數個片狀固定叉指、可動叉指的形狀為正方 形或者長方形，固定叉指和可動叉指的數目相同。
所述的傳感器，其所述固定叉指支撐體為十字形，十字形的四個側面 頂端分別和多數個片狀固定叉指固連；可動叉指支撐體為長方形，其一側 面與敏感梁的另一端固連。
所述的傳感器，其所述引出電極的形狀為片狀正方形或者長方形。
本發(fā)明的優(yōu)點采用微電子機械系統(MEMS)技術制作，結構簡單、 降低器件的成本，減小器件的功耗；電氣連接采用電容方式，功耗小、響 應快、溫漂小，可實現風速和風向信息的單片測量。
本發(fā)明的傳感器可以廣泛應用于航空航天、工農業(yè)生產、氣象預報和 氣候分析等領域。
圖1示出本發(fā)明微機械電容式風速風向傳感器結構示意圖； 圖2示出本發(fā)明微機械電容式風速風向傳感器俯視圖； 圖3示出本發(fā)明微機械電容式風速風向傳感器正面視圖4示出本發(fā)明微機械電容式風速風向傳感器側面視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的技術方案風吹過傳感器作用于阻流體使敏感梁彎曲和形
變，引起固定叉指和可動叉指相對面積的變化，從而引起四組正交電容器 輸出電容值的變化，測量傳感器輸出電容值的變化可以獲得風速信息，根
據獲得的兩個方向的風速信息可以解算出風速和風向。具體原理如下 風吹過傳感器作用于阻流體，阻流體所受到的力&如下式所示。
其中C。是繞流阻力因數，p是空氣密度，"為風速，^4為阻流體迎流 面的面積。
敏感梁與阻流體相連的一端受到集中力載荷F。作用，敏感梁沿其長度 方向的撓度分布函數w(x)如下式所示。
6wO)-^ (l —丄) 2￡/ 3丄
其中l(wèi)為敏感梁的長度，五為敏感梁材料的楊氏彈性模量，J為敏感 梁的截面慣性矩。
敏感梁與阻流體相連的一端端點處的撓度w,皿如下式所示。
w隨=cd^t^
此時固定叉指和可動叉指構成電容器的電容變化值如下式所示。
其中s為極板間介質的介電常數，d。是固定叉指和可動叉指之間的間 距，A為可動叉指的高度。
故風速為"時，傳感器輸出電容的變化值如下式所示。
其中AA。為M個固定叉指和N個可動叉指所構成的電容器的個數。 令所獲得的南北方向的風速值為"。,，東西方向的風速值為" ，則實 際風速如下式所示。
w = V"".、. + 沐
風向角度值0如下式所示。
^二arctan("M/Wew)
本發(fā)明所指的微機械電容式風速風向傳感器，特點是可同時測量風速 和風向、結構簡單、功耗小、響應快、溫漂小，可批量生產等。 下面將結合附圖對本發(fā)明加以詳細說明。
如圖1為本發(fā)明微機械電容式風速風向傳感器結構示意圖，圖2示出 本發(fā)明微機械電容式風速風向傳感器俯視圖，圖3示出本發(fā)明微機械電容
7式風速風向傳感器正面視圖，圖4示出本發(fā)明微機械電容式風速風向傳感
器側面視本發(fā)明微機械電容式風速風向傳感器結構包括襯底1、阻流體2、
敏感梁3、固定叉指4、可動叉指5、固定叉指支撐體6、可動叉指支撐體 7、引出電極8;其中，
襯底l為絕緣體，阻流體2、敏感梁3、固定叉指4、可動叉指5、固 定叉指支撐體6、可動叉指支撐體7為導電體；
襯底1為板狀，引出電極8固置于襯底1的上表面，引出電極8的一 側通過引線分別與固定叉指支撐體6、可動叉指支撐體7電連接；
阻流體2的一側與可動叉指5相連，兩端分別與敏感梁3的一端相連， 敏感梁3的另一端與可動叉指支撐體7相連，阻流體2、敏感梁3、可動 叉指5懸空設置在襯底1上方，可動叉指支撐體7固置于襯底1的上表面；
固定叉指支撐體6的四個側面分別和固定叉指4相連，固定叉指4和 固定叉指支撐體6分別固置于襯底1的上表面；
固定叉指4和可動叉指5之間有一間隙，使兩者構成一電容器。
襯底1的形狀為正方形。
阻流體2的形狀為長方形。
敏感梁3形狀為長方形。
固定叉指4、可動叉指5的形狀為長方形。
每組電容器所包含固定叉指4的個數M為5、可動叉指5的個數N為5。
固定叉指支撐體6的形狀為"十"字形，可動叉指支撐體7的形狀為 長方形。
引出電極8的形狀為長方形。
本發(fā)明的這種微機械電容式風速風向傳感器的工作原理是 被測風吹到傳感器后，風力作用于阻流體2使敏感梁3彎曲和形變， 引起固定叉指4和可動叉指5相對面積的變化，從而引起四組正交電容器 輸出電容值的變化，測量傳感器的輸出電容值的變化可以獲得風速信息， 根據獲得的兩個方向的風速信息可以解算出風速和風向。
以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式
，旨在便于對本發(fā)明的理解，而
8不起任何限定作用，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內， 可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明所包含的范圍之內，本發(fā)明 的保護范圍應以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1、一種微機械電容式風速風向傳感器，包括襯底(1)、阻流體(2)、敏感梁(3)、支撐體和引出電極(8)；其特征在于還包括固定叉指(4)、可動叉指(5)、固定叉指支撐體(6)、可動叉指支撐體(7)；其中，襯底(1)為板狀絕緣體，引出電極(8)固置于襯底(1)的上表面，引出電極(8)的一側通過引線分別與固定叉指支撐體(6)、可動叉指支撐體(7)電連接；阻流體(2)、敏感梁(3)、固定叉指(4)、可動叉指(5)、固定叉指支撐體(6)、可動叉指支撐體(7)為導電體；阻流體(2)的一側與多數個片狀可動叉指(5)固連，兩端分別與兩敏感梁(3)的一端固連，兩敏感梁(3)的另一端與可動叉指支撐體(7)固連，阻流體(2)、敏感梁(3)、多數個可動叉指(5)懸空設置在襯底(1)上表面上方，可動叉指支撐體(7)固置于襯底(1)的上表面；多數個片狀可動叉指(5)相互平行設置，其平行方向與阻流體(2)軸向正交；固定叉指支撐體(6)的四個側面頂端分別和多數個片狀固定叉指(4)固連，多數個固定叉指(4)和固定叉指支撐體(6)分別固置于襯底(1)的上表面，位于襯底(1)中心部分；多數個片狀固定叉指(4)相互平行設置，其平行方向與固定叉指支撐體(6)的四個側面正交；阻流體(2)、敏感梁(3)、可動叉指(5)和可動叉指支撐體(7)圍于固定叉指(4)和固定叉指支撐體(6)四周；多數個片狀固定叉指(4)和多數個片狀可動叉指(5)交叉配置，相互之間有一間隙，使兩者構成一電容器。
2、 根據權利要求l所述的傳感器，其特征在于所述襯底(1)的形 狀為正方形或者圓形。
3、 根據權利要求l所述的傳感器，其特征在于所述阻流體(2)的形狀為長方形。
4、 根據權利要求l所述的傳感器，其特征在于所述敏感梁(3)形狀為長方形。
5、 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述多數個片狀固定叉指(4)、可動叉指(5)的形狀為正方形或者長方形，固定叉指(4) 和可動叉指(5)的數目相同。
6、 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述固定叉指支撐體(6)為十字形，十字形的四個側面頂端分別和多數個片狀固定叉指(4)固連；可動叉指支撐體(7)為長方形，其一側面與敏感梁(3)的另一端固連。
7、 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述引出電極(8)的形狀為片狀正方形或者長方形。
全文摘要
一種微機械電容式風速風向傳感器，涉及傳感技術，包括襯底、阻流體、敏感梁、固定叉指、可動叉指、支撐體和引出電極。阻流體是被風吹動的敏感結構；固定叉指和可動叉指構成四組相互正交的電容器，用作測量結構；固定叉指支撐體提供固定叉指和引出電極的電連接并為固定叉指提供支撐，可動叉指支撐體提供可動叉指和引出電極的電連接，并為阻流體、敏感梁和可動叉指提供支撐，襯底為整個傳感器的支撐結構。風力作用阻流體使敏感梁彎曲形變，使固定叉指和可動叉指相對面積變化，引起電容器電容改變，測量四組電容器輸出電容的變化值可檢測風速和風向。本發(fā)明用電容作為測量信號，可同時測量風速和風向，具有結構簡單、功耗小、響應快、溫漂小等優(yōu)點。
文檔編號G01W1/02GK101655569SQ20081011873
公開日2010年2月24日 申請日期2008年8月20日 優(yōu)先權日2008年8月20日
發(fā)明者震 方, 杜利東, 湛 趙, 韓有君 申請人:中國科學院電子學研究所