[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

说明书

本发明公开了一种二维双模式MEMS风速风向传感器及其制备方法，传感器包括传感器芯片部分和测控电路，传感器芯片部分基于热阻和压阻两部分，测控电路系统基于惠斯通电桥结构。热阻工作在自加热模式，风引起芯片表面温度场的不均匀分布，测量四个热阻的阻值变化可获得低速风速和风向信息；压阻测得风速引起的悬臂梁形变获得高速风速和风向信息。相较于现有技术，本发明提出了新的基于热式、压阻式的二维风速风向传感结构与检测过程，解决了热式风速传感器高风速下饱和无法测量的问题，此外，将热阻与压阻整合在同一悬臂梁上，结构简单。

技术领域

本发明涉及风速风向传感器的技术领域，特别是涉及一种二维双模式MEMS风速风向传感器及其制备方法。

背景技术

风速风向传感器用于测量风速风向信息，在气象监测、航空航天、农业生产等生活生产领域都有广泛的应用。此外，面对极端的自然天气和特殊的应用场景，如台风等，高速风速的测量也具有重要的意义。根据不同的检测原理，风速风向的测量可以采用很多种物理化学手段，其涉及到流体力学、传热学、光学、电学、声学等原理。机械式、超声式和热式是现有常用的几种测量原理。其中，机械式由于机械磨损导致维护成本高、超声式由于测量原理的限制很难实现小型化，热式传感器利用流体流过器件表面发生热对流，引起器件表面温度分布变化来测量风速信息，结合MEMS技术能规避上述问题，但过高的风速使得器件表面的温度分布达到稳定，不会再因风速增加而变化，达到饱和，限制了传感器的测量范围。

1856年，Lord Kelvin发现压阻效应，它是指当电阻受到应变和形变时，电阻值会发生改变，这种效应为机械能和电能之间提供了简单直接的能量与信号转换机制。在正应变下，电阻的变化与施加的应变成线性关系，可表示为其中，G为压阻的应变系数。电阻的变化通常利用惠斯通电桥的电路结构来读出。将压阻原理与MEMS工艺结合，在悬臂梁上制备压阻，高速的风吹过芯片表面引起悬臂梁弯曲发生形变，压阻阻值因形变而改变，最后通过惠斯通电桥读出，实现高速风速的测量。结合常见的热式风速传感器测量低风速，完成基于热式、压阻式的双模式MEMS风速风向传感器，面向兼顾低速和高速的风速测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二维双模式MEMS风速风向传感器及其制备方法，用以解决基于热式的MEMS风速风向传感器在高风速下饱和无法测量的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二维双模式MEMS风速风向传感器，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。

进一步的，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。

一种二维双模式MEMS风速风向传感器的制备方法，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；