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CN101294977B - 一种基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器 - Google Patents

一种基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于微电子机械技术的硅压阻式风速风向传感器，由绝缘衬底和四个相同旋转对称分布的风速测量单元组成，分别检测风速在相互正交的两个方向上的分量。每个风速测量单元由电极、机械锚点、硅压敏电阻梁、硅支撑梁以及硅悬臂梁组成。当风从表面吹过时，悬臂梁作为感风元件，受到垂直于悬臂梁的气流的作用力而产生形变，通过硅压敏电阻梁、硅支撑梁以及硅悬臂梁组成的微型杠杆结构，以轴向应力的形式作用于硅压敏电阻梁上，引起硅压敏电阻阻值的变化。检测每个风速测量单元压敏电阻的变化，可以检测风速的大小和风速的方向，差分检测来实现二维风速和风向测量，具有制作简单，灵敏度高和较好的抗干扰能力。

Description

一种基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器
技术领域
本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种风速风向传感器。
背景技术
基于微电子机械技术(MEMS)工艺的风速风向传感器按工作原理主要分为热式和机械式两大类。与传统风速计相比，它具有尺寸小、成本低、易于批量生产等优点，在气象、环境监测等很多领域都有很重要的作用。
硅热式风速计基于热传导原理，包括热损失型和量热型两种，存在许多缺点，例如加热器与流体的绝缘问题、加热器的能量消耗、传感器响应时间较长等等。
机械式风速计是利用流体对传感元件的机械作用力来反映风速的大小量，没有上述不足。常用的机械式风速计采用硅悬臂结构，在其根部通过扩散或离子注入制作压敏电阻，只能检测一个方向的风速，需要两支风速计才能确定风向，增加了封装难度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器。
为实现所述目的，本发明提供基于微机电技术(MEMS)的硅压阻式风速风向传感器的技术解决方案具有：
一绝缘衬底，以及
风速测量单元旋转对称分布在绝缘衬底平面内，用于检测风速在相互正交的两个方向上的分量。
所述风速测量单元是采用两对风速测量单元，其中每对风速测量单元分别配置在绝缘衬底平面内的相互正交的X和Y两个方向。
所述两对风速测量单元的旋转对称分布，每对风速测量单元的两个压敏电阻感受相反风向的轴向应力，形成差分检测，用于获得风速在X和Y两个正交方向的分量。
所述四个风速测量单元采用相同结构。每个风速测量单元包括：第一机械锚点、第二机械锚点、第一电极和第二电极、压敏电阻梁、悬臂梁以及支撑梁；
由第一机械锚点、第二机械锚点、压敏电阻梁、悬臂梁以及支撑梁组成微型杠杆结构，用于将悬臂梁感受的风力转化成作用于压敏电阻梁的轴向应力；
悬臂梁通过和压敏电阻梁与第一机械锚点和第二机械锚点连接；
第一机械锚点和第二机械锚点固定于绝缘衬底上，第一电极和第二电极分别位于第一机械锚点和第二机械锚点之上，通过溅射或蒸发金属于所述机械锚点上形成。
所述每个风速测量单元使用P或N型体单晶硅或多晶硅作为压敏电阻，敏感作用于压敏电阻梁的轴向应力。
所述第一机械锚点、第二机械锚点、压敏电阻梁、悬臂梁以及支撑梁的材料是单晶硅或多晶硅，采用体硅工艺经过硅深刻蚀制作。
所述绝缘衬底是玻璃或带绝缘层的单晶硅。
所述压敏电阻梁的电极引线，是通过溅射或蒸发金属于所述第一机械锚点、第二机械锚点上形成。
下面描述本发明基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器的测量原理过程：当风从表面吹过时，悬臂梁作为感风元件，受到垂直于悬臂梁的气流的作用力而产生形变，通过硅压敏电阻梁、硅支撑梁以及硅悬臂梁组成的微型杠杆结构，以轴向应力的形式作用于硅压敏电阻梁上，引起硅压敏电阻阻值的变化。检测每个风速测量单元压敏电阻的变化，不仅可以检测风速的大小，而且可以检测风速的方向。
本发明将风速机械作用力转化成硅压敏电阻梁的轴向内应力的转换机构，通过检测体硅压阻变化来测量风速风向，本发明使用N或P型单晶体硅作为压敏电阻，具有工艺制作简单，残余应力低的特点。与传统的基于扩散工艺制作的压敏电阻相比，制作过程中无需进行掺杂或离子注入工艺，而是通过深刻蚀工艺完成，不仅制作简单，而且可以减少掺杂工艺中温度差导致的残余应力。
本发明利用微型杠杆结构的力学放大机制，使用单晶硅或多晶硅作为压敏电阻，采用旋转对称分布的四单元结构，有效抑制环境温度等外界因素造成的误差，差分检测来实现二维风速和风向测量，大幅度提高灵敏度，具有制作工艺简单，灵敏度高和较好的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明微机电技术的硅压阻式风速风向传感器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，基于微电子、机械技术(MEMS)的硅压阻式风速风向传感器的实施例，由绝缘衬底7及其上的采用四个相同的风速测量单元1组成，其中每个风速测量单元1由第一机械锚点2、第二机械锚点2a、第一电极3、第二电极3a、压敏电阻梁4、支撑梁5以及悬臂梁6组成。沿绝缘衬底7的平面内相互正交的X和Y两个方向分别配置一对风速测量单元1，四个风速测量单元1旋转对称分布，—X方向压敏电阻梁4在支撑梁5之上，+X方向压敏电阻梁4在支撑梁5之下，—Y方向压敏电阻梁4在支撑梁5之左，+Y方向压敏电阻梁4在支撑梁5之右，保证每对风速测量单元1的两个压敏电阻梁4采用总是感受相反方向的轴向应力，其压敏电阻阻值向相反方向变化，取两压敏电阻之差作为输出形成差分检测，通过检测压敏电阻梁4压敏电阻差的变化可以得到风速在X和Y两个正交方向的分量Vx和Vy。
V＝(Vx 2+Vy 2)1/2，θ＝arctan(Vy/Vx)
式中V是风速的大小，θ是风速与X正向的夹角。
通过上面两个公式可计算并输出风速的大小和方向，实现风速的大小和方向的测量。
每个风速测量单元1包括：第一机械锚点2、第二机械锚点2a、第一电极3、第二电极3a、压敏电阻梁4、支撑梁5以及悬臂梁6；由第一机械锚点2、第二机械锚点2a、压敏电阻梁4、悬臂梁6以及支撑梁5组成微型杠杆结构，用于将悬臂梁6感受的风力转化成作用于压敏电阻梁4的轴向应力。悬臂梁6分别通过压敏电阻梁4和支撑梁5与第一机械锚点2和第二机械锚点2a连接，第一机械锚点2和第二机械锚点2a固定于绝缘衬底7上。第一电极3、第二电极3a分别位于第一机械锚点2、第二机械锚点2a之上，通过溅射或蒸发金属于所述的第一机械锚点2和第二机械锚点2a上表面而形成。
所述每个风速测量单元1使用P或N型体单晶硅或多晶硅作为压敏电阻，敏感作用于压敏电阻梁4的轴向应力。
所述第一机械锚点2、第二机械锚点2a、压敏电阻梁4、悬臂梁6以及支撑梁5的材料是单晶硅或多晶硅，采用体硅工艺经过硅深刻蚀制作。
所述绝缘衬底7是玻璃或带绝缘层(例如：二氧化硅、氮化硅、氮氧硅等)的单晶硅。
所述压敏电阻梁4的电极引线，是通过溅射或蒸发金属于所述第一机械锚点2和第二机械锚点2a上形成。
本发明的制作基于体硅微机械加工技术。
具体实施方案如下所述：
绝缘衬底7采用Pyrex7740#玻璃，第一机械锚点2、第二机械锚点2a、压敏电阻梁4、悬臂梁6以及支撑梁5采用单晶硅材料，通过硅玻璃阳极键合工艺和硅深刻蚀工艺制作，制作过程中需要三次光刻，最大的特点是工艺制作简单。
制作过程简述如下：
1)将硅片双面氧化，背面使用二氧化硅作掩模，氢氧化钾溶液湿法腐蚀5μm的浅槽，从而形成第一机械锚点2、第二机械锚点2a；
2)硅玻璃与硅片的背面进行阳极键合。
3)硅片正面减薄，蒸发或溅射金属，光刻出第一电极3、第二电极3a图形。
4)使用正胶作为掩模进行深刻蚀以释放压敏电阻梁4和悬臂梁6以及支撑梁5。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于微机电技术的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于，包括：
一绝缘衬底(7)，以及
风速测量单元(1)旋转对称分布在绝缘衬底(7)平面内，用于检测风速在相互正交的两个方向上的分量；
风速测量单元(1)包括：第一机械锚点(2)、第二机械锚点(2a)、第一电极(3)、第二电极(3a)、压敏电阻梁(4)、支撑梁(5)以及悬臂梁(6)；
由第一机械锚点(2)、第二机械锚点(2a)、压敏电阻梁(4)、悬臂梁(6)以及支撑梁(5)组成微型杠杆结构，用于将悬臂梁(6)感受的风力转化成作用于压敏电阻梁(4)的轴向应力；
悬臂梁(6)分别通过压敏电阻梁(4)和支撑梁5与第一机械锚点(2)和第二机械锚点(2a)连接；
第一机械锚点(2)和第二机械锚点(2a)固定于绝缘衬底(7)上，第一电极(3)和第二电极(3a)分别位于第一机械锚点(2)和第二机械锚点(2a)之上；
所述风速测量单元(1)是采用两对风速测量单元(1)，其中每对风速测量单元(1)分别配置在绝缘衬底(7)平面内的相互正交的X和Y两个方向；
所述两对风速测量单元为旋转对称分布，每对风速测量单元(1)的两个压敏电阻梁感受相反风向的轴向应力，形成差分检测，用于获得风速在X和Y两个正交方向的分量。
2.如权利要求1所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于，所述四个风速测量单元(1)采用相同结构。
3.如权利要求1所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于，所述每个风速测量单元(1)使用P或N型体单晶硅或多晶硅作为压敏电阻。
4.如权利要求1所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于，所述第一机械锚点(2)、第二机械锚点(2a)、压敏电阻梁(4)、悬臂梁(5)以及支撑梁(6)的材料是单晶硅或多晶硅。
5.如权利要求1所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于，所述绝缘衬底(7)是玻璃或带绝缘层的单晶硅。
6.如权利要求1所述的硅压阻式风速风向传感器，其特征在于：所述压敏电阻梁(4)的电极引线，是通过溅射或蒸发金属于所述第一机械锚点(2)和第二机械锚点(2a)上形成。
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