[发明专利]一种二维双模式MEMS风速风向传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种二维双模式MEMS风速风向传感器，其特征在于，包括传感器芯片和测控电路，所述传感器芯片包括：

衬底(1)，其内部具有一正方形状的空腔区域，在该空腔区域内，所述衬底(1)的四边，均设置一悬臂梁；

四个压阻元件(2)，其相对所述空腔区域的中心呈中心对称分布，且设置在所述悬臂梁的根部区域；

四个热阻元件(3)，其相对所述空腔区域的中心呈中心对称分布，且设置在所述悬臂梁的端部区域；

其中，每一个所述的压阻元件(2)和每一个所述的热阻元件(3)均连接有两个金属接触电极(4)，所述的四个热阻元件(3)均采用自加热模式，在芯片表面形成对称的温度分布场同时检测自身电阻，所述的四个压阻元件(2)用于测量由风引起的形变量进而测量风速；

所述测控电路包括惠斯通电桥，其中，所述测控电路用于获取所述四个压阻元件(2)以及四个热阻元件(3)的阻值，并且通过所述惠斯通电桥将获取的阻值输出；

所述悬臂梁的端部区域包括突出部，所述突出部与所述悬臂梁呈垂直状，所述热阻元件设置于所述突出部；

在工作时，不同的风速阶段分别采用热式、压阻式的测量原理，但x方向和y方向原理一致；

低风速阶段基于热式原理：热阻元件R_T1、R_T3采用自加热模式对传感器芯片加热并检测，使传感器芯片温度高于环境温度，同时测量芯片上下游温度梯度来测得低速风速；在无风情况下热阻元件R_T1、R_T3产生的焦耳热为芯片提供中心对称的热场，x方向无温度梯度，两热阻温度相同，阻值相同；当有风吹过芯片表面时，芯片表面由于自然对流换热和强制对流换热，温度下降，且沿x方向，由于热对流将带走上游更多的热量，使得上游的电阻R_T1温度略低于下游电阻R_T3，产生温度梯度，通过热阻元件R_T1、R_T3的阻值变化即可测得风速信息，结合y方向的风速分量，可得到风速风向信息；

在高风速阶段基于压阻式原理：压阻元件R_P1、R_P3位于悬臂梁的根部，在无风情况下，悬臂梁无形变，压阻不受压力而维持初始阻值；当有风时，悬臂梁因风而发生形变，通过位于根部的压阻元件R_P1、R_P3受到应力发生的阻值变化即可测得风速信息，再结合y方向的风速分量，可得到风速风向信息；

无风时，负载压阻的悬臂梁保持水平，没有应变，压阻值不变；有风时，风力将悬臂梁吹离平衡位置，发生应变，压阻阻值因形变发生变化，进而测量风速。

2.一种如权利要求1所述的一种二维双模式MEMS风速风向传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、对衬底(1)进行体微机械加工形成，在其内部形成正方形状的空腔区域，并且在该空腔区域内，且衬底的(1)四边，均形成一个悬臂梁；

步骤S2、在四个悬臂梁的端部区域上淀积、光刻并刻蚀金属或多晶硅形成热阻元件(3)；

步骤S3、在四个悬臂梁的根部区域上通过使用淀积、光刻并刻蚀金属或多晶硅的方法或者使用对硅横梁进行掺杂的方法形成压阻元件(2)；

步骤S4、在所述热阻元件(3)和所述压阻元件(2)的两端沉积金属，再剥离形成金属接触电极(4)。