[发明专利]电容式微机械风速风向传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种微机械风速风向传感器。

背景技术

传统的风速风向传感器采用包括风杯和风向标的转动结构，由于体积较大不易携带且转动结构易磨损需要经常维护，因此传统的风速风向传感器正逐渐被微机械固态风速风向传感器所取代。

根据工作原理不同，微机械固态风速风向传感器主要划分为两大类：热式和非热式。其中热式微机械风速风向传感器又有热线式、热膜式、热球式等多种结构，这类传感器一般可以实现与CMOS工艺兼容，测量较为简单，工艺易控制。但热式传感器也存在着功耗大，衬底热传导导致测量误差，零点漂移、响应时间长等缺点。非热式微机械风速风向传感器主要利用物理方法实现对风速、风向的测量，例如采用力学、光学、电磁学等基本原理。一种典型结构是，基于光电导原理的非热式风速风向传感器系统，该系统利用带有光源发射的传感头将风速风向的信号转变成电信号检出。该传感器能同时检测风向和风速，不受环境温度影响，稳定性好。不过其光源发射传感头的制作较为复杂且难与微加工工艺集成。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，本发明所要解决的技术问题是提供一种电容式微机械风速风向传感器，能够降低微机械风速风向传感器的功耗的同时提高微机械风速风向传感器的响应速度。

技术方案：电容式微机械风速风向传感器，包括衬底、锚区、四个弹簧结构，以及四个测风电容；所述锚区和四个测风电容分别设置在所述衬底的表面；所述四个测风电容分别为结构相同的上测风电容、下测风电容、左测风电容，以及右测风电容，并且所述四个测风电容分别分布在所述锚区的上下左右四个方向；其中，所述四个测风电容分别由一组弧形可动电极和弧形固定电极组成，所述上测风电容的弧形可动电极内凹面朝右，所述右测风电容的弧形可动电极内凹面朝下，所述下测风电容的弧形可动电极内凹面朝左，所述左测风电容的弧形可动电极内凹面朝上；所述四个测风电容分别通过一个弹簧结构连接到所述锚区。

作为本发明的优选方案，所述衬底采用玻璃片衬底。

电容式微机械风速风向传感器的制备方法，所述锚区、四个弹簧结构，以及四个测风电容均基于硅片制备而成，包括如下步骤：

步骤1)，在硅片背面刻蚀出所述锚区；

步骤2)，将硅片背面与所述玻璃片衬底进行阳极键合；

步骤3)，在所述键合的硅片正面刻蚀出所述四个测风电容和四个弹簧结构，并且所述四个测风电容分别通过一个弹簧结构连接到所述锚区。

有益效果：与现有技术相比，本发明的电容式微机械风速风向传感器具有以下有益效果：

1.本发明的电容式微机械风速风向传感器采用电容作为敏感元件进行风速和风向测量，由于电容不存在直流功耗，且电容测量时只需要使用交流小信号，因此传感器功耗极低。

2.本发明的电容式微机械风速风向传感器采用由电容的可动电极对风速进行响应，由于该机测风电容的机械响应时间较短一般在微秒量级，而热式风速计的响应时间一般在几百毫秒甚至几秒，因此本发明的传感器响应速度得到了提高。

3.本发明的电容式微机械风速风向传感器结构简单易加工，可采用微加工方法进行批量制造，因此传感器成本较低。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的沿AA’的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1、图2所示的电容式微机械风速风向传感器，包括衬底1、锚区2、四个弹簧结构3，以及四个测风电容4。锚区2和四个测风电容4分别设置在衬底1的表面；该四个测风电容4分别为结构相同的上测风电容、下测风电容、左测风电容，以及右测风电容，并且该四个测风电容4分别分布在锚区2的上下左右四个方向。其中，四个测风电容4分别由一组弧形可动电极和弧形固定电极组成，其中上测风电容由弧形可动电极44和弧形固定电极54组成，下测风电容由弧形可动电极42和弧形固定电极52组成，左测风电容由弧形可动电极43和弧形固定电极53组成，右测风电容由弧形可动电极41和弧形固定电极51组成。上测风电容的弧形可动电极44内凹面朝右，右测风电容的弧形可动电极41内凹面朝下，下测风电容的弧形可动电极42内凹面朝左，左测风电容的弧形可动电极43内凹面朝上。四个测风电容4分别通过一个弹簧结构3连接到锚区2。其中，衬底采用玻璃片衬底。每个测风电容的弧形可动电极和弧形固定电极的内凹面朝向一致，测风电容的可动电极与弹簧结构连接。