[发明专利]一种热式-电容式宽量程MEMS风速风向传感器

说明书

本发明公开了一种热式‑电容式宽量程MEMS风速风向传感器，传感器芯片部分包括热阻和电容器两部分，连接惠斯通电桥，将风速信号转换为电信号，实现测量。热阻采用自加热模式，在自加热提供对称热场的同时实现温度的测量，在风作用下，芯片表面的对称热场被破坏，测量热阻的阻值变化即可实现对低速风速风向的测量。在高风速下，热式原理由于饱和无法测量，由悬臂梁参与组成的电容器释放后保留一定弧度的翘曲，在风力作用下翘曲弧度改变，电容值的改变表征风力引起的悬臂梁形变，以此获得高速风速风向信息。本发明在不增加芯片面积的前提下，为热式传感器无法测量高速风速风向的问题提出了新的解决方案，保障了在量程范围内对高低风速的测量精度。

技术领域

本发明公开了基于热式、电容式的宽量程MEMS风速风向传感器，面向兼顾低速和高速的风速测量，属于测量测试的技术领域。

背景技术

风速、风向是非常重要的参数，如何准确快速地测量对气象监测、农业生产、交通输运等生活生产领域都有重要意义。此外，高速风速风向的测量在特殊应用场景，如极端天气的测量等也有重要的实际意义。目前广泛应用的风速风向传感器包括机械式、超声式和热式。其中，机械式由于机械器件可动存在明显磨损问题，维护成本高；超声式传感器精度高，但成本很高，限制了其广泛引用；热式传感器利用与风的热对流来测量风速，没有可动部件，结合MEMS工艺实现大批量生产，成本低，能规避上述问题。但热式传感器由于原理限制，对高速风速测量会出现饱和，常通过加大功率来改善，但更大的功率与MEMS器件低功耗的优点背道而驰，限制了热式传感器的测量范围。

电容器通常定义为可以储存相反电荷的两个导体，当电容器的间距和相对位置因外加激励而改变时，它的电容值会随之变化，以此为敏感机理可用作传感器。平板电容器是由两个在宽度方向相互平行的导体平板构成。从广义上讲，不严格的平行和不是平面的两块板也在此范围。平行板电容器的电容值为其中ε为两板之间的介电常数，A为两块板的交叠面积，间距为d。将其与悬臂梁结合，一平板位于可动悬臂梁底部，另一平板位于下方固定衬底上，当高速风速吹过悬臂梁，在风力作用下悬臂梁变形，使得电容器的间距和交叠面积发生改变，测量电容变化即可表征高速风速信息，四个电容器结构沿芯片中心对称分布，综合可获得高速风向信息。此外，低速风速风向信息由四个热阻基于热式原理测量，实现了基于热式、电容式，兼顾低速和高速的风速风向测量。

发明内容

发明目的：针对现有风速传感器，提出一热式-电容式宽量程MEMS风速风向传感器，为基于热式的MEMS风速风向传感器在高风速下量程受限的问题提出了新的解决方案，此外，运用热式-电容式双模式的结合，保障了在量程范围内对高低风速的测量精度。

技术方案：

一种热式-电容式宽量程MEMS风速风向传感器，包括热阻和电容器两部分，所述传感器芯片包括热阻元件(1)、悬臂梁(2)、衬底(3)和电容器(4)，电容器包括位于悬臂梁底部的上极板(41)和位于衬底的下极板(42)，若干个热阻元件(1)围绕芯片中心对称分布于悬臂梁(2)的顶部。热阻元件(1)工作在自加热区，在芯片表面形成对称温度分布场的同时检测自身电阻。电容器(4)上极板(41)位于悬臂梁底部，与位于衬底(3)的下极板(42)构成电容器结构，由风引起悬臂梁形变，进而改变电容值，由此测量风速。所述热阻元件(1)基于热式原理，用以测量低速风速及风向；所述电容器元件(4)包括上极板(41)和下极板(42)基于电容原理，用以测量高速风速及风向。

所述悬臂梁结构顶部为热阻元件，底部为电容器元件的上极板，既作为元件的载体，又作为感风部件在风力作用下产生形变，进而改变电容测量高速风速。在无风时，悬臂梁有一定程度的翘曲，各个悬臂梁翘曲程度相同，各个电容具有相同的电容值；当有较高风速时，在风力作用下，上游悬臂梁弧度减小，下游则增加，使得上游电容器两极板间接触面积增大、距离减小，电容值增大，下游则相反，电容值减小，上下游之间电容值之间出现一个差值，即可表征高速风向信息，结合y方向分量获得风向信息。

热式-电容式宽量程MEMS风速风向传感器的制备方法包括如下步骤：