專利名稱：一種拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感技術領域，特別涉及微型風速傳感器，是一種拖動力原理和熱線
原理集成式微型風速傳感器。
背景技術：
風速是氣象觀測中一個重要的信息參數，對于國防航空、氣象環(huán)境、交通運輸、工業(yè)制造、農業(yè)生產等有重要的作用。常規(guī)的風速傳感器主要有風杯傳感器、壓力式測風傳感器、超聲式測風傳感器、微波式測風傳感器、壓差式測風傳感器、離子式測風傳感器、激光式測風傳感器等。雖然在這些傳感器中，有些具有非常大的測量范圍、有些精度非常高等特點，但是都具有體積大的缺點。隨著MEMS技術的發(fā)展，在國防航空、氣象環(huán)境、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，成本低的特點的MEMS微型風速傳感器。 目前，國內外微型測風傳感器主要有熱式測風傳感器和力式測風傳感器兩種。熱式測風傳感器是基于熱源在風流流過后產生的熱梯度的原理來測量風速。隨著風速的變化，熱源向風中傳遞的熱量也在變化，這引起熱源熱梯度的變化，通過電路測量電阻阻值的變化能夠得到風速的信息。該類傳感器體積最小，結構簡單，可集成，成本低，應用最廣泛，缺點是高風速測量不穩(wěn)定。 力式測風傳感器是基于風作用于敏感結構，引起敏感結構的形變的原理來測量風速，通過測量敏感結構的形變獲得風速信息。隨著風速的變化，風施加在敏感結構上的力變化，引起敏感結構形變的變化，通過電路檢測敏感結構形變的變化，能夠得到風的信息。該類傳感器體積小，結構相對復雜，成本較低，缺點是小風速測量精度低。

發(fā)明內容
目前國內外微型風速風向傳感器中熱式測風傳感器缺點是局風速測量不穩(wěn)定；力式測風傳感器缺點是小風速測量精度低。為了解決現有技術所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種測量大小風速精度都很高的拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器。
為了實現上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是 —種拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器，包括邊框8 ;其還包括熱式測量風速部分1和機械式測量風速部分2，位于邊框8內；其中，
熱式測量風速部分1包括雙端固支懸梁3和熱線電阻4 ; 雙端固支懸梁3位于邊框8內上部，兩端固定于邊框8的兩側邊內側，走向與邊框8軸向正交； 熱線電阻4覆置于雙端固支懸梁3的表面，熱線電阻4的端頭位于邊框8側邊的表面； 機械式測量風速部分2包括薄板5、敏感梁6、應變傳感器7 ; 薄板5側邊固接有敏感梁6 —端，位于邊框8內下部，敏感梁6另一端固定于邊框8側邊內側，敏感梁6走向與邊框8軸向相同或垂直； 應變傳感器7覆置于敏感梁6的表面，應變傳感器7的端頭位于邊框8側邊的表面。 所述的傳感器，其所述熱線電阻4的數目至少為一根；形狀可以為U形或其它形狀。 所述的傳感器，其所述熱線電阻4為兩根，兩U形或其它形狀熱線電阻4，以熱線電阻頭相對的方式覆置于雙端固支懸梁3的表面，熱線電阻兩端頭為兩引出線接線端，接線端分別位于邊框8兩側邊的表面。 所述的傳感器，其所述薄板5的形狀為正方形或長方形或圓型。 所述的傳感器，其所述敏感梁6的數目至少為一根，敏感梁6的位置以薄板5的軸
向中線兩邊對稱排列。 所述的傳感器，其所述敏感梁6可以為兩根，位于薄板5下側與邊框8下側邊內側之間。 所述的傳感器，其所述敏感梁6可以為四根，兩根位于薄板5下側與邊框8下側邊內側之間，另兩根分別位于薄板5兩側與邊框8兩側邊內側之間，另兩根走向與邊框8軸向正交。 所述的傳感器，其所述應變傳感器7的數目與敏感梁6的數目相同，應變傳感器7可以為U形或其它形狀，為U形時，以U形頭向邊框8內的方式覆置于敏感梁6的表面，U形的兩端頭為兩引出線接線端，接線端分別位于邊框8側邊的表面。 本發(fā)明的優(yōu)點大小風速的測量精度都很高；利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術將器件制作得很小(可以小于9毫米X8毫米X0. 35毫米)；采用MEMS技術，降低器件的成本，減小器件的功耗。 本發(fā)明的傳感器可以廣泛應用于國防航空、氣象環(huán)境、交通運輸、工業(yè)制造、農業(yè)生產等領域。


圖1為本發(fā)明拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器立體示意 圖2為本發(fā)明拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器俯視 圖3為圖1中的Y-Y線剖面示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器的工作原理如下。 (1)熱式測量風速部分 風吹過熱線電阻導致熱線電阻的阻值減小，通過測量熱線電阻阻值的變化獲得風速信息。具體原理如下 風作用下熱線電阻的功率P與風速V的關系如下式表示 尸=(^ + 6"5)7;=~^~ 其中U是熱線電阻上施加的電壓輸入，T。為電阻溫度與環(huán)境溫度的差值，a、b是和傳感器結構相關的系數，通過實驗值確定，R為熱線電阻阻值，AR為熱線電阻阻值變化』
由風吹引起的熱電阻阻值的變化率At可以用下式表示
A Ai， f/2
=~^" = l-- (2)機械式測量風速部分 風吹過微型薄板會導致敏感梁結構的彎曲，敏感梁上的應變傳感器將這種彎曲形 變轉變?yōu)槟骋环N電學參量(例如電壓差)的變化，通過測量電學參量獲得風速信息。具體 原理如下 風作用于薄板的力F是薄板長度的函數F(y)，敏感梁所受的力矩T如下式所示
所示
o
其中y為薄板的長度，h為薄板的總長度。根據力矩得出敏感梁的應變e如下式 77
2五/
其中t為敏感梁的厚度，E為懸敏感梁楊氏彈性模量，I為敏感梁的慣性矩。
敏感梁的形變彎曲引起應變傳感器的電學量的變化率Am等于G^ ，G為應變傳感
器的應變系數。
風作用于薄板的力F如下式所示
J_
2 尸(少)=CD W"少 其中Cd是抱幼力系數，P為空氣的密度，Vy為沿薄板長度方向的風速，w薄板的寬 度，y薄板的長度。故應變傳感器的電學量的變化率AM表達式為
4五/ 本發(fā)明所指的這種拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器，特點是大小風 速的測量精度都很高；器件體積9毫米X8毫米X0. 35毫米；可批量生產等特性。
下面將結合圖1 3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l，本發(fā)明拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器示意圖，圖2是本發(fā) 明拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器俯視圖，圖3是圖1中的Y-Y線剖面圖。
本發(fā)明拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器的結構，包括熱式測量風 速部分1和機械式測量風速部分2兩部分，位于邊框8內；熱式測量風速部分1包括雙端 固支懸梁3和熱線電阻4。機械式測量風速部分2包括薄板5、敏感梁6、應變傳感器7。
實施例中，熱式測量風速部分1中熱線電阻4的數目N= 2，為U形狀單電阻。
薄板5的形狀為長方形。
敏感梁6數量M二2或4。 敏感梁6數量M = 2時，位于薄板5 —側且以此側中線對稱，薄板5的中線走向與 邊框8軸線同。敏感梁6數量M = 4時，兩根如前述，另兩根位于薄板5兩側，其走向與邊 框8軸線正交。 應變傳感器7布置方式是U形狀單個電阻。 本發(fā)明的這種拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器的工作原理是
熱式測量風速部分風吹過熱線電阻4導致熱線電阻4的阻值減小，通過測量熱線 電阻4阻值的變化獲得風速信息。 機械式測量風速部分被測風吹到傳感器后，薄板5受到風的力的作用，薄板5引 起敏感梁6的彎曲，敏感梁6上的應變傳感器7將風所引起敏感梁6的彎曲形變量轉換成 相應的應變傳感器7的某種電學信號的變化量，從而獲得風速信息。 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)明的包含范圍之內，因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
一種拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器，其特征在于包括邊框(8)，熱式測量風速部分(1)和機械式測量風速部分(2)，兩部分位于邊框(8)內；其中，熱式測量風速部分(1)包括雙端固支懸梁(3)和熱線電阻(4)；雙端固支懸梁(3)位于邊框(8)內上部，兩端固定于邊框(8)的兩側邊內側，走向與邊框(8)軸向正交；熱線電阻(4)覆置于雙端固支懸梁(3)的表面，熱線電阻(4)的端頭位于邊框(8)側邊的表面；機械式測量風速部分(2)包括薄板(5)、敏感梁(6)、應變傳感器(7)；薄板(5)側邊固接有敏感梁(6)一端，位于邊框(8)內下部，敏感梁(6)另一端固定于邊框(8)側邊內側，敏感梁(6)走向與邊框(8)軸向相同或垂直；應變傳感器(7)覆置于敏感梁(6)的表面，應變傳感器(7)的端頭位于邊框(8)側邊的表面。
2. 根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于所述熱線電阻(4)的數目至少為一根；形狀為U形。
3. 根據權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述熱線電阻(4)為兩根，兩U形熱線電阻(4)，以熱線電阻頭相對的方式覆置于雙端固支懸梁(3)的表面，熱線電阻兩端頭為兩引出線接線端，接線端分別位于邊框(8)兩側邊的表面。
4. 根據權利要求l所述的傳感器，其特征在于所述薄板(5)的形狀為正方形或長方形或圓型。
5. 根據權利要求l所述的傳感器，其特征在于所述敏感梁(6)的數目至少為一根，敏感梁(6)的位置以薄板(5)的軸向中線兩邊對稱排列。
6. 根據權利要求1或5所述的傳感器，其特征在于所述敏感梁(6)為兩根，位于薄板(5) 下側與邊框(8)下側邊內側之間。
7. 根據權利要求1或5所述的傳感器，其特征在于所述敏感梁(6)為四根，兩根位于薄板(5)下側與邊框(8)下側邊內側之間，另兩根分別位于薄板(5)兩側與邊框(8)兩側邊內側之間，另兩根走向與邊框(8)軸向正交。
8. 根據權利要求l所述的傳感器，其特征在于所述應變傳感器(7)的數目與敏感梁(6) 的數目相同，應變傳感器(7)為U形，以U形頭向邊框(8)內的方式覆置于敏感梁(6)的表面，U形的兩端頭為兩引出線接線端，接線端分別位于邊框(8)側邊的表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種拖動力原理和熱線原理集成式微型風速傳感器，涉及傳感器技術，包括熱式測量風速部分，其雙端固支懸梁支撐熱線電阻，熱線電阻用作測量，風吹熱線后熱線電阻發(fā)生變化，通過測量熱線電阻的變化測量風速，熱線電阻對小風速的測量有很高靈敏度。還包括機械式測量風速部分，其薄板是迎風結構，敏感梁用作測量，風吹薄板使敏感梁彎曲，通過測量敏感梁彎曲程度來測量不同方向風作用力大??；應變傳感器覆于敏感梁上，把梁彎曲信號轉變?yōu)榭蓽y量電信號。本發(fā)明傳感器是用熱式和機械式兩種原理結合測量風速，對大小風速都具高靈敏度；封裝體積小。可廣泛用于國防航空、氣象環(huán)境、交通運輸、工業(yè)制造、農業(yè)生產等方面。
文檔編號G01P5/12GK101769936SQ20091007656
公開日2010年7月7日 申請日期2009年1月7日 優(yōu)先權日2009年1月7日
發(fā)明者方震, 杜利東, 趙湛, 韓有君 申請人:中國科學院電子學研究所