專利名稱：一種導引式風向風速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)，涉及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)，特別涉及 微型風傳感器技術(shù)。
背景技術(shù)：
風向與風速是自然環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境、居住環(huán)境、國防、交通運輸?shù)?方面重要的信息參數(shù)。當前，在社會日益注重全球環(huán)境保護、生存環(huán)境 安全、工業(yè)信息化的背景下，風向與風速越來越需要在大范圍內(nèi)被實時、 精確地測量出來。風向風速傳感器是指能夠測量0—360。的風向和一定 范圍內(nèi)的風速的傳感器。傳統(tǒng)的風向風速傳感器主要包括力學式風傳感器、微波成像風傳感 器、激光多普勒風速計(LDA)、超聲式風傳感器。雖然在這些傳感器 中，如微波成像風傳感器具有測量區(qū)域范圍非常大、激光多普勒風速計 具有非接觸測量，精度非常高等特點，但是都具有體積大、不具有可集 成性的等缺點。隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)的發(fā)展，社會 越來越需要能夠滿足國防信息化、環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化，具有體積微小，可 集成，成本低的微型風向風速傳感器。目前，國內(nèi)外微型風傳感器主要以熱式風傳感器為主，主要包括熱 線型風傳感器、熱流型風傳感器、熱像型風傳感器。熱線型風傳感器(hot-wire)是依據(jù)熱損失設(shè)計，通過測量芯片表面 向流體傳遞的熱量多少來測量風速，芯片上的加熱器常常采用熱敏電阻 即熱線(hot-wire)結(jié)構(gòu)。隨著風速的增加，向風中傳遞的熱量增加，引 起加熱器溫度下降，熱敏電阻阻值的變化，通過電路的處理能夠得到風速的信息。該型傳感器的優(yōu)點是體積最小，結(jié)構(gòu)簡單，可集成，成本低， 應用最廣泛，缺點是精度低，高風速測量不穩(wěn)定，功耗大，但不能實現(xiàn) 風向、風速同時測量。熱流型風傳感器是利用加熱芯片表面的風的上游和下游會對傳感器 表面不均勻的冷卻，從而在芯片表面產(chǎn)生能夠同時反映風向風速信息的 溫度梯度。由測溫組件組成的結(jié)構(gòu)測量該溫度梯度得到風向風速信息。 該型傳感器的優(yōu)點是風向、風速同時測量，體積小可集成；缺點是高風 速測量不穩(wěn)定。熱像型風傳感器是通過測量一組二維排列的溫度傳感器在有風吹過 時中心對稱溫度場的變化情況，得到相應的風向風速信息。該型傳感器的優(yōu)點是風向、風速同時測量，體積較?。蝗秉c是算法復雜、測量范圍 小(0-0.4m/s)。除了熱式風傳感器，近年來也出現(xiàn)了懸臂梁式風傳感器，其工作原 理是風吹過一定的微結(jié)構(gòu)會導致微結(jié)構(gòu)的幾何形變，微結(jié)構(gòu)上的應變 傳感器可以將這種幾何形變轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋环N電學參量(例如電阻)的變 化，測量該參量的變化量可以得到風速的信息。但是已有的懸臂梁式風 傳感器只能測量風速，不能實現(xiàn)風向、風速同時測量。發(fā)明內(nèi)容目前微型風傳感器中應用最多的是熱線型風傳感器，但它的缺點是 精度低，高風速測量不穩(wěn)定，功耗大，不能實現(xiàn)風向、風速同時測量； 諸如熱像型風傳感器等其它類型的風傳感器又存在算法復雜、測量范圍 小等缺點，為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種 風向風速可以同時測量的導引式風向風速傳感器。為了實現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明提出的導引式風向風速傳感器，它采 用的結(jié)構(gòu)包括上蓋板(1)、下檔體(2)、側(cè)擋板(3)、通孔(4)、 懸臂梁陣列(5)、應變傳感器(6);側(cè)擋板(3)位于上蓋板(1)和下檔體(2)之間； 上蓋板(1)與側(cè)擋板(3)的一面緊密結(jié)合； 下檔體(2)與側(cè)擋板(3)的另一面緊密結(jié)合； 在下檔體(2)本體上分布通孔(4); 側(cè)擋板(3)位于兩個通孔(4)之間；懸臂梁陣列(5)位于通孔(4)內(nèi)，-懸臂梁陣列(5) —端與應變傳感器(6) —端相連，應變傳感器(6) 的另一端位于通孔(4)的側(cè)壁內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述通孔(4)的數(shù)量N根據(jù)具體使用要求 選擇。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述通孔(4)，采用N個通孔(4) ， N個 通孔(4)的位置以傳感器中心對稱排列。根據(jù)本發(fā)明的實施例，在一個通孔(4)內(nèi)的懸臂梁陣列(5)，根 據(jù)需要選擇一個或一個以上的數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述側(cè)擋板(3)的兩個平面與上蓋板(1) 和下檔體(2)的平面連接。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述側(cè)擋板(3)是以傳感器中心位置計算 數(shù)量n等于通孔(4)的數(shù)量N。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述懸臂梁陣列(5)的每個懸臂梁陣列中 懸臂梁的數(shù)量是任意一個正整數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述懸臂梁陣列包括在一個通孔(4)內(nèi) 有多個懸臂梁(5)，根據(jù)需要順序排列或相對著交叉排列。本發(fā)明的技術(shù)方案風吹過一定的微結(jié)構(gòu)會導致微結(jié)構(gòu)的幾何形變， 微結(jié)構(gòu)上的應變傳感器可以將這種幾何形變轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋环N電學參量(例如電阻)的變化，特殊的風向?qū)бY(jié)構(gòu)又使得通過測量該參量的變化量可以得到風向風速的信息。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)精度低，高風速測 量不穩(wěn)定，功耗大，不能實現(xiàn)風向、風速同時測量，算法復雜、測量范圍小等缺點。本發(fā)明所指的導引式風向風速傳感器，特點是風向風速可以同時測 量，并可利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)可集成化，量程寬，器件能制作得很小，可以小于10毫米xl0毫米xl0毫米，可批量生產(chǎn)等特性，器件的功耗也較低。本發(fā)明的傳感器可以廣泛應用于氣象探測、環(huán)境監(jiān) 測、國防、交通運輸?shù)确矫妗?br>
圖1是本發(fā)明導引式風向風速傳感器的風向?qū)бM件與風敏感組件 連接示意圖。圖2是本發(fā)明導引式風向風速傳感器的俯視圖。 圖3是本發(fā)明導引式風向風速傳感器拋面圖具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實 施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。如圖1本發(fā)明導引式風向風速傳感器的風向?qū)бM件與風敏感組件連接示意圖，圖2是本發(fā)明導引式風向風速傳感器的俯視圖，圖3是本發(fā)明 導引式風向風速傳感器拋面圖，圖3中箭頭所指為風的走向。 它的結(jié)構(gòu)由風向?qū)бM件與風敏感組件兩部分組成，其中風向?qū)бM件包括上蓋板l、下檔體2、側(cè)擋板3、通孔4; 風敏感組件包括懸臂梁陣列5、應變傳感器6。所述通孔4的數(shù)量根據(jù)具體使用要求選擇N=4。 所述通孔4，采用四個通孔4，四個通孔4的位置以傳感器中心對 稱排列。所述在一個通孔4內(nèi)的懸臂梁陣列5，根據(jù)需要選擇一個或一個以 上數(shù)量的懸臂梁陣列5。所述側(cè)擋板3的兩個平面與上蓋板1和下檔體2的平面連接。所述側(cè)擋板3是以傳感器中心位置計算數(shù)量n等于通孔4的數(shù)量N。 側(cè)擋板3是以傳感器中心位置分成四塊，偵階板3的數(shù)量n為四塊等于 四個通孔4的數(shù)量。所述懸臂梁陣列5的每個懸臂梁陣列中懸臂梁的數(shù)量是任意一個 正整數(shù)。所述在一個通孔4內(nèi)有多個懸臂梁5，根據(jù)需要順序排列或相對著 交叉排列。本發(fā)明的這種導引式風向風速傳感器的工作原理是 被測風吹進傳感器后，被風向?qū)бM件導引，并與風敏感組件接觸。 實例中風敏感組件中的四個懸臂梁陣列5上的應變傳感器6可以將不 同風向上的風速所導致懸臂梁陣列5的懸臂梁的幾何形變量轉(zhuǎn)換成相應 的應變傳感器6的某種電學參量的變化量，從而可以同時測量風向和風 速。另外，利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，這種導引式風向風速傳 感器可以制作得很小，可以小于10毫米x10毫米x10毫米。具體實施方案本發(fā)明導引式風向風速傳感器的制作工藝為步驟1:選用硅片或玻璃基片，利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技 術(shù)中的光刻、腐蝕技術(shù)制作出上蓋板l;步驟2:選用硅片利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)中的光刻、 腐蝕技術(shù)制作出側(cè)擋板3;側(cè)擋板3選用硅片。步驟3:利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)中的鍵合技術(shù)鍵合上 蓋板1和側(cè)擋板3;實現(xiàn)風向?qū)бM件；步驟4:利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)中的光刻技術(shù)在硅片 上制作出下檔體2、通孔4、懸臂梁陣列5和應變傳感器6的圖案；步驟5:利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)中的濺射技術(shù)制作出 鉬金薄膜應變傳感器6;步驟6:利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)中的腐蝕技術(shù)制作出 通孔4和懸臂梁陣列5;步驟7:利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)中的鍵合技術(shù)鍵合已經(jīng)制作出來的風向?qū)бM件與風敏感組件兩部分，如附圖l所示。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并 不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理 解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā) 明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1. 一種導引式風向風速傳感器，其特征在于，包括上蓋板(1)、下檔體(2)、側(cè)擋板(3)、通孔(4)、懸臂梁陣列(5)、應變傳感器(6)；側(cè)擋板(3)位于上蓋板(1)和下檔體(2)之間；上蓋板(1)與側(cè)擋板(3)的一面緊密結(jié)合；下檔體(2)與側(cè)擋板(3)的另一面緊密結(jié)合；在下檔體(2)本體上分布通孔(4)；側(cè)擋板(3)位于兩個通孔(4)之間；懸臂梁陣列(5)位于通孔(4)內(nèi)；懸臂梁陣列(5)一端與應變傳感器(6)一端相連，應變傳感器(6)的另一端位于通孔(4)的側(cè)壁內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述通孔(4)的 數(shù)量N根據(jù)具體使用要求選擇。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2所述的傳感器，其特征在于，所述通孔(4)， 采用N個通孔(4) ， N個通孔(4)的位置以傳感器中心對稱排列。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，在一個通孔(4) 內(nèi)的懸臂梁陣列(5)，根據(jù)需要選擇一個或一個以上的數(shù)量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述側(cè)擋板(3) 的兩個平面與上蓋板(O和下檔體(2)的平面連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3所述的傳感器，其特征在于，所述側(cè)擋 板(3)是以傳感器中心位置計算數(shù)量n等于通孔(4)的數(shù)量N。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l、 4所述的傳感器，其特征在于，所述懸臂梁陣 列(5)的每個懸臂梁陣列中懸臂梁的數(shù)量是任意一個正整數(shù)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述懸臂梁陣列 包括在一個通孔(4)內(nèi)有多個懸臂梁(5)，根據(jù)需要順序排列或相對 著交叉排列。
全文摘要
本發(fā)明公開一種導引式風向風速傳感器，包括上蓋板、下?lián)躞w、側(cè)擋板、通孔、懸臂梁陣列、應變傳感器；利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)中的光刻、腐蝕技術(shù)制作出上蓋板；側(cè)擋板；鍵合上蓋板和側(cè)擋板；在硅片上制作出下?lián)躞w、通孔、懸臂梁陣列和應變傳感器的圖案；濺射制作出應變傳感器；腐蝕技術(shù)制作出通孔和懸臂梁陣列；鍵合制作的風向?qū)бM件與風敏感組件兩部分。這種傳感器的特點是風向風速可以同時測量，并可利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)將器件制作得很小，可以小于10毫米×10毫米×10毫米。該傳感器可以廣泛應用于氣象探測、環(huán)境監(jiān)測、國防、交通運輸?shù)确矫妗?br>
文檔編號B81B7/00GK101271164SQ20071006460
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者張建剛, 湛 趙 申請人:中國科學院電子學研究所