專利名稱：基于微機械系統(tǒng)的非熱式流速流向傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微機械非熱式流速流向傳感器，尤其是一種利用MEMS(微機械系統(tǒng))加工的，含有支撐梁和阻流體的電容式流速流向傳感器。
背景技術：
流體測量在工農業(yè)生產、氣象、環(huán)保、國防、科研、航空等部門都有重要的應用，其中流速流向測量作為流體測量中重要的組成部分，已經發(fā)展了很多年。先后出現了風杯和風向標測量、皮托管測量、浮子測量、力學測量、聲學測量、光學測量、傳熱學測量、電磁測量等測量方法?；贛EMS加工技術的微型流速流向傳感器具有體積小，價格低，產品一致性好的特點，是近幾年來流體傳感器研究的熱點。Van Putten(人名)在1974年提出了第一個基于硅微加工技術的流量傳感器，這個傳感器的工作原理是基于傳熱學的，即通過測量流體流動引起的熱場變化來測量流速流向信息。經過30余年的發(fā)展，現在現在熱式微流體傳感器已經成為主流，特別是在風速計領域。但是，熱式微流體傳感器也有其固有的缺點。例如功耗大、襯底的熱傳導導致測量誤差、零點隨環(huán)境溫度漂移、響應時間長等。另外，因為要對流體加熱，所以就限制了熱式微流體傳感器在生物方面的應用。非熱式微流體傳感器則可以克服上述缺點。Kersjes(人名)提出了測量壓差的方法、Oosterbroek(人名)提出了測量壓降的方法、Svedi(人名)提出過測量升力的方法、Ng(人名)提出過測量粘滯力的方法。目前，基于非熱式原理的流速流向傳感器共同的缺點就是量程小以及不能測量二維風向。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種基于微機械系統(tǒng)的非熱式流速流向傳感器，具有可測量二維風向、功耗小、響應快、溫漂小和可靠性好等優(yōu)點。
技術方案本發(fā)明是用于測量流體流速和流向信號的電容式流速流向傳感器，該傳感器由數根能提供各向同性阻尼支撐梁、梁上支撐的豎直的阻流體、正交設置的豎直電極以及固定襯底和引線構成；在襯底上設有阻流體，在阻流體的圓心設有一個固定在襯底上的支柱，支柱與阻流體的內圓周之間由多根各向同性阻尼支撐梁連接；阻流體由兩個同心的圓環(huán)構成，兩個同心的圓環(huán)之間由四塊連接板連接并將兩個同心的圓環(huán)之間的環(huán)形空間分為四個子空間，第一正交固定電極、第二正交固定電極、第三正交固定電極、第四正交固定電極分別位于兩個同心的圓環(huán)之間的四個子空間里。
當傳感器處于流體中時，流體流動對阻流體產生壓力，阻流體將壓力傳遞到支撐梁上，支撐梁發(fā)生應變，豎直的阻流體相對于固定的豎直電極發(fā)生位移，從而兩者之間的電容值發(fā)生變化。通過測量正交的四組電極之間電容的大小變化，就可以得到流速和流向信息。即通過測量流體使阻流體發(fā)生位移帶來的正交電容差分變化來得到流向和流速的信息。各向同性阻尼支撐梁和阻流體既充當可動位移部件，又充當測量電容變化的電極。
有益效果本發(fā)明可采用MEMS加工技術制造，制作方法和結構都較為簡單，可靠性好。傳統(tǒng)的熱式流體傳感器是通過設置加熱部件，再讓流體流經加熱部件，測量熱場的變化或加熱部件的溫度變化來得到流速和流向信息。由于要對流體加熱，所以功耗較大、溫度效應明顯。本發(fā)明采用力學原理測量，通過測量流體對阻流體的作用力引起的位移來得到流速和流向信息。從而避免了這個缺陷。傳統(tǒng)的非熱式流體傳感器大多利用伯努力原理測量壓差或壓降，不能得到二維方向信息。本發(fā)明采用設置正交固定電極來解決這個問題，通過分別檢測相互正交的電極之間的電容的變化，可以得到二維的方向信息。本發(fā)明采用電容式結構檢測，溫度漂移小，靈敏度高，抗干擾能力強。利用表面氧化的N型半導體硅片來作為結構材料，通過通過ICP(等離子增強刻蝕)來形成電極之間的空隙，然后將支柱和玻璃鍵合完成固定和引線，最后再通過ICP來形成支撐梁和阻流體的釋放。和傳統(tǒng)的犧牲層釋放形成空隙相比，這種新穎的鍵合方式可以形成豎直的電極空隙，有效的增加了初始電容和靈敏度。并且因為是通過和玻璃鍵合實現固定和引線?？梢杂行У臏p小寄生電容。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖，
以上的圖中有支柱1，阻流體2，第一正交固定電極3、第二正交固定電極4、第三正交固定電極5、第四正交固定電極6，襯底7，各向同性阻尼支撐梁8。
具體實施方案本發(fā)明是一種用于測量流速流向的流體傳感器。由支柱1，阻流體2，第一正交固定電極3、第二正交固定電極4、第三正交固定電極5、第四正交固定電極6，襯底7，各向同性阻尼支撐梁8構成。襯底7是玻璃，其上有引線。支柱1和玻璃鍵合在一起，第一正交固定電極3、第二正交固定電極4、第三正交固定電極5、第四正交固定電極6也都和玻璃鍵合在一起。支柱1、支撐梁8和阻流體2的材料是N型半導體硅，由雙面兩次腐蝕得到。如圖2所示，導電的阻流體2和四個固定電極即第一正交固定電極3、第二正交固定電極4、第三正交固定電極5、第四正交固定電極6構成四個電容。阻流體2通過支撐梁8和支柱1的連接從玻璃襯底7上引線。當流體作用于阻流體2時，阻流體2受力，力的方向和流向相同，力的大小取決于流速大小。支撐梁8提供各向同性的阻尼。阻流體2在流速方向上產生平面位移。四個電容大小發(fā)生變化。變化的值取決于阻流體2位移的方向和大小。所以，測量四個電容的大小變化就可以得到流速和流向的信息。
本例傳感器的制作過程為準備N型半導體硅片1#；背面刻蝕N型半導體硅片形成阻流體2的臺階；背面刻蝕N型半導體硅片形成支撐梁8的臺階；玻璃7濺射金屬引線；N型半導體硅片1#背面和玻璃7鍵合；正面刻蝕N型半導體硅片1#形成阻流體2、支撐梁8、第一正交固定電極3、第二正交固定電極4、第三正交固定電極5、第四正交固定電極6和支柱1。
各向同性阻尼支撐梁(8)由多個空心的菱形相串接而成。
襯底(7)采用是玻璃材料，支柱(1)、阻流體(2)采用N型半導體硅材料。
權利要求
1.一種基于微機械系統(tǒng)的非熱式流速流向傳感器，其特征在于該傳感器由數根能提供各向同性阻尼支撐梁(8)、梁上支撐的豎直的阻流體(2)、正交設置的豎直電極以及固定襯底(7)和引線構成；在襯底(7)上設有阻流體(2)，在阻流體(2)的圓心設有一個固定在襯底(7)上的支柱(1)，支柱(1)與阻流體(2)的內圓周之間由多根各向同性阻尼支撐梁(8)連接；阻流體(2)由兩個同心的圓環(huán)構成，兩個同心的圓環(huán)之間由四塊連接板(21)連接并將兩個同心的圓環(huán)之間的環(huán)形空間分為四個子空間，第一正交固定電極(3)、第二正交固定電極(4)、第三正交固定電極(5)、第四正交固定電極(6)分別位于兩個同心的圓環(huán)之間的四個子空間里。
2.根據權利要求1或2所述的基于微機械系統(tǒng)的非熱式流速流向傳感器，其特征在于采用鍵合技術形成懸置支撐梁(8)和阻流體(2)結構。
全文摘要
基于微機械系統(tǒng)的非熱式流速流向傳感器是一種利用微機械系統(tǒng)加工的，含有支撐梁和阻流體的電容式流速流向傳感器，該傳感器在襯底(7)上設有阻流體(2)，在阻流體(2)的圓心設有一個固定在襯底(7)上的支柱(1)，支柱(1)與阻流體(2)的內圓周之間由多根各向同性阻尼支撐梁(8)連接；阻流體(2)由兩個同心的圓環(huán)構成，兩個同心的圓環(huán)之間由四塊連接板(21)連接并將兩個同心的圓環(huán)之間的環(huán)形空間分為四個子空間，第一正交固定電極(3)、第二正交固定電極(4)、第三正交固定電極(5)、第四正交固定電極(6)分別位于兩個同心的圓環(huán)之間的四個子空間里。該傳感器具有可測量二維風向、功耗小、響應快、溫漂小和可靠性好等優(yōu)點。
文檔編號G01P13/00GK1851470SQ200610040599
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月29日 優(yōu)先權日2006年5月29日
發(fā)明者魏澤文, 秦明, 黃慶安 申請人:東南大學