[发明专利]基于柔性电感-硅基电感结构的风速传感器

说明书

本发明公开了基于柔性电感‑硅基电感结构的风速传感器，涉及MEMS器件，属于测量测试的技术领域。该风速传感器为柔性电感和硅基电感组成的双层电感结构，所述柔性电感的金属层与硅基电感的金属层面对面且二者之间留有足够互感电动势的空气腔，硅基电感金属层中淀积有构成测定端口的接触块，结构轻便，响应速度快，利用伯努利效应及线圈互感效应实现风速检测，电感自身热损耗小，降低了传感器功率。

技术领域

本发明公开了基于柔性电感-硅基电感结构的风速传感器，涉及MEMS器件，属于测量测试的技术领域。

背景技术

与人们的生活息息相关的风速测量广泛应用在工业建设、农业生产、航天航空、交通旅游、气象预报以及环境保护等领域。很早之前，风速的测量主要采用机械式风杯和风向标来实现，近些年来，又出现了基于超声原理和多普勒原理的风速传感器，但总的来说，这些风速传感器由于体积庞大、成本高而无法满足物联网技术中的小型化、低功耗等应用需求。

尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”，这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前水力学所采用的基本原理，其实质是流体的机械能守恒，即：动能+重力势能+压力势能=常数。伯努利原理往往被表述为p + 1/2ρv² + ρgh = C，这个式子被称为伯努利方程，式中，p为流体中某点的压强，v为流体在该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。根据伯努利原理，我们可以得到一个重要的推论：等高流动时，流速越大，压力越小。

互感现象在电路中广泛应用，能量或信号可以由一个线圈传递到另外一个线圈。互感的基本原理是磁的耦合，如果有两只线圈互相靠近，第一个线圈中电流所产生的磁通有一部分与第二个线圈相环链，第一个线圈中的电流变化会导致其与第二个线圈环链的磁通变化，在第二个线圈中产生感应电动势。互感系数的大小取决于两个线圈的几何形状、大小、相对位置、各自的匝数以及它们周围介质的磁导率。

本申请旨在利用伯努利效应及线圈互感效应实现结构轻便、损耗小的风速传感器。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于柔性电感-硅基电感结构的风速传感器，实现了基于伯努利效应及线圈互感原理的风速测量，解决了现有风速传感器由于体积庞大、成本高无法满足物联网技术中小型化、低功耗等应用需求的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于柔性电感-硅基电感结构的风速传感器，包括上层柔性电感和下层硅基电感，柔性电感由PET衬底及位于PET衬底下表面的螺旋线圈组成，硅基电感由硅衬底及位于衬底上表面的螺旋线圈、螺旋线圈两端的接触块组成，上层柔性电感和下层硅基电感之间留有气隙，硅衬底上表面的接触块构成测定端口。

无风时，柔性电感和硅基电感相互平行，两者互感一定，硅基电感的中心频率点不变；有风时，由于伯努利效应，柔性电感-硅基电感双层结构之间形成的空气腔内的压强小于外界压强，柔性电感向下弯曲，弯曲程度随风速加大而加强，使得柔性电感与硅基电感间的互感改变，导致硅基电感的中心频率点发生改变。

上述速度传感器的检测方法为：通过测定硅基电感测定端口的输入回波损耗（S₁₁）曲线得到中心频率点，即可转换得到对应的风速值，实现风速的测量。

本申请公开的风速传感器还可以通过上层硅基电感和下层柔性电感组成的双层电感结构实现，其工作原理及检测方法均与上层柔性电感和下层硅基电感的双电感结构相同。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明通过包含柔性电感的双层电感结构实现了风速传感器，将具有形变即时性特点的柔性电感应用于风速传感器，能够使得整个风速传感器结构轻便，响应速度快。

（2）利用伯努利效应及线圈互感效应实现风速检测，电感自身热损耗小，降低了传感器功率。