電容式微機械風速風向傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電容式微機械風速風向傳感器，包括襯底、錨區(qū)、四個彈簧結構，以及四個測風電容。錨區(qū)和四個測風電容分別設置在襯底的表面，四個測風電容分別為結構相同的上測風電容、下測風電容、左測風電容，以及右測風電容，并且四個測風電容分別分布在錨區(qū)的上下左右四個方向。其中，四個測風電容分別由一組弧形可動電極和弧形固定電極組成，上測風電容的弧形可動電極內凹面朝右，右測風電容的弧形可動電極內凹面朝下，下測風電容的弧形可動電極內凹面朝左，左測風電容的弧形可動電極內凹面朝上；四個測風電容分別通過一個彈簧結構連接到所述錨區(qū)。本發(fā)明能夠降低微機械風速風向傳感器的功耗的同時提高微機械風速風向傳感器的響應速度。
【專利說明】電容式微機械風速風向傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感器，特別涉及一種微機械風速風向傳感器。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的風速風向傳感器采用包括風杯和風向標的轉動結構，由于體積較大不易攜帶且轉動結構易磨損需要經(jīng)常維護，因此傳統(tǒng)的風速風向傳感器正逐漸被微機械固態(tài)風速風向傳感器所取代。
[0003]根據(jù)工作原理不同，微機械固態(tài)風速風向傳感器主要劃分為兩大類:熱式和非熱式。其中熱式微機械風速風向傳感器又有熱線式、熱膜式、熱球式等多種結構，這類傳感器一般可以實現(xiàn)與CMOS工藝兼容，測量較為簡單，工藝易控制。但熱式傳感器也存在著功耗大，襯底熱傳導導致測量誤差，零點漂移、響應時間長等缺點。非熱式微機械風速風向傳感器主要利用物理方法實現(xiàn)對風速、風向的測量，例如采用力學、光學、電磁學等基本原理。一種典型結構是，基于光電導原理的非熱式風速風向傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用帶有光源發(fā)射的傳感頭將風速風向的信號轉變成電信號檢出。該傳感器能同時檢測風向和風速，不受環(huán)境溫度影響，穩(wěn)定性好。不過其光源發(fā)射傳感頭的制作較為復雜且難與微加工工藝集成。

【發(fā)明內容】

[0004]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種電容式微機械風速風向傳感器，能夠降低微機械風速風向傳感器的功耗的同時提高微機械風速風向傳感器的響應速度。
[0005]技術方案:電容式微機械風速風向傳感器，包括襯底、錨區(qū)、四個彈簧結構，以及四個測風電容；所述錨區(qū)和四個測風電容分別設置在所述襯底的表面；所述四個測風電容分別為結構相同的上測風電容、下測風電容、左測風電容，以及右測風電容，并且所述四個測風電容分別分布在所述錨區(qū)的上下左右四個方向；其中，所述四個測風電容分別由一組弧形可動電極和弧形固定電極組成，所述上測風電容的弧形可動電極內凹面朝右，所述右測風電容的弧形可動電極內凹面朝下，所述下測風電容的弧形可動電極內凹面朝左，所述左測風電容的弧形可動電極內凹面朝上；所述四個測風電容分別通過一個彈簧結構連接到所述錨區(qū)。
[0006]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述襯底采用玻璃片襯底。
[0007]電容式微機械風速風向傳感器的制備方法，所述錨區(qū)、四個彈簧結構，以及四個測風電容均基于硅片制備而成，包括如下步驟:
[0008]步驟I)，在硅片背面刻蝕出所述錨區(qū)；
[0009]步驟2)，將硅片背面與所述玻璃片襯底進行陽極鍵合；
[0010]步驟3)，在所述鍵合的硅片正面刻蝕出所述四個測風電容和四個彈簧結構，并且所述四個測風電容分別通過一個彈簧結構連接到所述錨區(qū)。
[0011 ] 有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的電容式微機械風速風向傳感器具有以下有益效果:
[0012]1.本發(fā)明的電容式微機械風速風向傳感器采用電容作為敏感元件進行風速和風向測量，由于電容不存在直流功耗，且電容測量時只需要使用交流小信號，因此傳感器功耗極低。
[0013]2.本發(fā)明的電容式微機械風速風向傳感器采用由電容的可動電極對風速進行響應，由于該機測風電容的機械響應時間較短一般在微秒量級，而熱式風速計的響應時間一般在幾百毫秒甚至幾秒，因此本發(fā)明的傳感器響應速度得到了提高。
[0014]3.本發(fā)明的電容式微機械風速風向傳感器結構簡單易加工，可采用微加工方法進行批量制造，因此傳感器成本較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的俯視圖；
[0016]圖2是本發(fā)明的沿AA’的剖視圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0018]如圖1、圖2所示的電容式微機械風速風向傳感器，包括襯底1、錨區(qū)2、四個彈簧結構3，以及四個測風電容4。錨區(qū)2和四個測風電容4分別設置在襯底I的表面；該四個測風電容4分別為結構相同的上測風電容、下測風電容、左測風電容，以及右測風電容，并且該四個測風電容4分別分布在錨區(qū)2的上下左右四個方向。其中，四個測風電容4分別由一組弧形可動電極和弧形固定電極組成，其中上測風電容由弧形可動電極44和弧形固定電極54組成，下測風電容由弧形可動電極42和弧形固定電極52組成，左測風電容由弧形可動電極43和弧形固定電極53組成，右測風電容由弧形可動電極41和弧形固定電極51組成。上測風電容的弧形可動電極44內凹面朝右，右測風電容的弧形可動電極41內凹面朝下，下測風電容的弧形可動電極42內凹面朝左，左測風電容的弧形可動電極43內凹面朝上。四個測風電容4分別通過一個彈簧結構3連接到錨區(qū)2。其中，襯底采用玻璃片襯底。每個測風電容的弧形可動電極和弧形固定電極的內凹面朝向一致，測風電容的可動電極與彈簧結構連接。
[0019]該電容式微機械風速風向傳感器的錨區(qū)2、四個彈簧結構3，以及四個測風電容4均基于硅片制備而成，制備方法包括如下步驟:
[0020]步驟I)，在硅片背面刻蝕出所述錨區(qū)2 ；
[0021]步驟2)，將硅片背面與所述玻璃片I襯底進行陽極鍵合；
[0022]步驟3)，在所述鍵合的硅片正面刻蝕出所述四個測風電容4和四個彈簧結構3，并且所述四個測風電容4分別通過一個彈簧結構3連接到所述錨區(qū)2。
[0023]本發(fā)明的一種電容式微機械風速風向傳感器工作原理如下:由于測風電容4的可動極板和固定極板采用了弧形結構，且可動弧形電極除了內凹面方向的其它三個方向都有固定弧形電極作阻擋，因此某個測風電容只對朝其內凹面方向吹的風有響應。吹到測風電容上的風越大，則由于風力導致的可動弧形電極的形變就越大，且由于某個測風電容只對朝其內凹面方向吹的風有響應，因此可動弧形電極和固定弧形電極的間隙就越小，最終測得的電容值就越大。當風從上下左右正面吹過時，只會導致一個測風電容有響應，根據(jù)測風電容的位置可以得到風向，而根據(jù)測風電容的變化量則可以計算出風速大??；當風從上下左右斜角吹過時，會導致兩個測風電容有響應，根據(jù)這兩個測風電容的位置及其變化量的比值關系可以計算出風向，而根據(jù)這兩個測風電容的變化量則可以計算出風速大小。
[0024]工作過程如下:當有自下測風電容往上測風電容吹的風時，由于固定電極的阻擋，只有內凹面朝下的可動電極41會發(fā)生形變，其對應的右測風電容值將會增大，電容值越大表明風速越大；當有自上測風電容往下測風電容吹的風時，由于固定電極的阻擋，只有內凹面朝下的可動電極43會發(fā)生形變，其對應的左測風電容值將會增大，電容值越大表明風速越大；當有自右測風電容往左測風電容吹的風時，由于固定電極的阻擋，只有內凹面朝下的可動電極44會發(fā)生形變，其對應的上測風電容值將會增大，電容值越大表明風速越大；當有自左測風電容往右測風電容吹的風時，由于固定電極的阻擋，只有內凹面朝下的可動電極42會發(fā)生形變，其對應的下測風電容值將會增大，電容值越大表明風速越大。
[0025]當有右下角往左上角吹的風時，會導致可動電極41和可動電極44發(fā)生形變，其對應的右測風電容和上測風電容將會增大，測風電容值越大表明風速越大。且右測風電容與上測風電容變化量的比值越大，表明該斜吹入的風與自下往上的風之間的夾角越小，反之則與自右往左的風之間的夾角越小；當有左上角往右下角吹的風時，會導致可動電極42和可動電極43發(fā)生形變，其對應的下測風電容和左測風電容將會增大，測風電容值越大表明風速越大。且下測風電容與左測風電容變化量的比值越大，表明該斜吹入的風與自左往右的風之間的夾角越小，反之則與自上往下的風之間的夾角越小；當有右上角往左下角吹的風時，會導致可動電極43和可動電極44發(fā)生形變，其對應的左測風電容和上測風電容將會增大，測風電容值越大表明風速越大。且左測風電容與上測風電容變化量的比值越大，表明該斜吹入的風與自上往下的風之間的夾角越小，反之則與自右往左的風之間的夾角越??；當有左下角往右上角吹的風時，會導致可動電極41和可動電極42發(fā)生形變，其對應的右測風電容和下測風電容將會增大，測風電容值越大表明風速越大。且右測風電容與下測風電容變化量的比值越大，表明該斜吹入的風與自下往上的風之間的夾角越小，反之則與自左往右的風之間的夾角越小。
[0026]本發(fā)明的電容式微機械風速風向傳感器具體使用時，首先使用風洞設備對該風速風向傳感器進行標定，建立風速風向與四個測風電容值之間的對應關系。測量時，同時對四個測風電容值進行監(jiān)測，對照標定值，即可得到待測量的風速和風向值。
[0027]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.電容式微機械風速風向傳感器，其特征在于:包括襯底(I)、錨區(qū)(2)、四個彈簧結構(3)，以及四個測風電容⑷；所述錨區(qū)(2)和四個測風電容⑷分別設置在所述襯底(I)的表面；所述四個測風電容(4)分別為結構相同的上測風電容、下測風電容、左測風電容，以及右測風電容，并且所述四個測風電容(4)分別分布在所述錨區(qū)(2)的上下左右四個方向；其中，所述四個測風電容(4)分別由一組弧形可動電極和弧形固定電極組成，所述上測風電容的弧形可動電極內凹面朝右，所述右測風電容的弧形可動電極內凹面朝下，所述下測風電容的弧形可動電極內凹面朝左，所述左測風電容的弧形可動電極內凹面朝上；所述四個測風電容(4)分別通過一個彈簧結構(3)連接到所述錨區(qū)(2)。
2.根據(jù)權利要求1所述的電容式微機械風速風向傳感器，其特征在于:所述襯底(I)采用玻璃片襯底。
3.如權利要求2所述的電容式微機械風速風向傳感器的制備方法，其特征在于:所述錨區(qū)(2)、四個彈簧結構(3)，以及四個測風電容(4)均基于硅片制備而成，包括如下步驟: 步驟I)，在硅片背面刻蝕出所述錨區(qū)(2); 步驟2)，將硅片背面與所述玻璃片(I)襯底進行陽極鍵合； 步驟3)，在所述鍵合的硅片正面刻蝕出所述四個測風電容(4)和四個彈簧結構(3)，并且所述四個測風電容(4)分別通過一個彈簧結構(3)連接到所述錨區(qū)(2)。
【文檔編號】B81C1/00GK103439527SQ201310390353
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權日:2013年9月2日
【發(fā)明者】王立峰, 黃慶安, 秦明 申請人:東南大學