專利名稱：一種微型電容式風(fēng)速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微型風(fēng)速傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
風(fēng)速參數(shù)是氣象觀測的基本要素之一，在航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣 象應(yīng)用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在氣象上，風(fēng)分為地面風(fēng)和高空風(fēng)。高空風(fēng)的測 量方法有光學(xué)經(jīng)緯儀結(jié)合探空氣球測風(fēng)、測風(fēng)雷達測風(fēng)、無人機測風(fēng)和風(fēng) 廓線儀測風(fēng)。地面風(fēng)的測量方法和原理較多，常規(guī)的風(fēng)速傳感器有風(fēng)杯風(fēng) 速表、固體正交測風(fēng)儀、壓力板測風(fēng)儀、螺旋推迸測風(fēng)儀、熱線測風(fēng)儀、 管測風(fēng)儀、超聲波測風(fēng)儀、激光測風(fēng)儀、離子測風(fēng)儀和渦街式測風(fēng)儀等。 由于機械慣性的影響或者測量原理的限制，部分常規(guī)的風(fēng)速傳感器測量準 確度低、實時性差，但都有體積較大的缺點，已不能完全滿足測量準確度 和特定環(huán)境風(fēng)速測量的要求。
隨著檢測技術(shù)的發(fā)展和人們對環(huán)境要求的提高，在航空航天、氣象預(yù) 報、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中迫切需要具有體積 小，重量輕，成本低的微型風(fēng)速傳感器。
目前，微型風(fēng)速傳感器的研制主要有熱式微型風(fēng)速傳感器和非熱式微 型風(fēng)速傳感器。
熱式微型風(fēng)速傳感器基于熱源在風(fēng)流流過后產(chǎn)生的熱梯度的原理來過測量熱線的熱電阻變化來測量風(fēng)速的 恒流工作方式和通過測量加熱電流來測量風(fēng)速的恒溫工作方式。熱式微型 測風(fēng)傳感器具有測量簡單、工藝易控制、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，缺點是功耗大、 襯底的熱傳導(dǎo)會導(dǎo)致測量誤差、零點隨環(huán)境溫度漂移、響應(yīng)時間長、高風(fēng) 速測量不禾急定。
非熱式微型風(fēng)速傳感器是將風(fēng)速的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛘邏簭姷男畔ⅲ?檢測力或者壓強所引起的敏感結(jié)構(gòu)的形變信息來測量風(fēng)速，其信號檢測多 采用電容、壓阻、壓電等方法。電容檢測具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、響應(yīng)快、 溫漂小等優(yōu)點，缺點是線性不好；壓阻檢測技術(shù)成熟，但是靈敏度低、具 有明顯的溫度效應(yīng)；壓電檢測靈敏度高，但是電路和壓電薄膜的制作較為 復(fù)雜；非熱式微型風(fēng)速傳感器具有功耗低，溫漂小、響應(yīng)快等優(yōu)點，缺點 是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單 的微型電容式風(fēng)速傳感器。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種微型電容式風(fēng)速傳感器，其包括薄板、電極、支撐柱、引出電極、 襯底；其中，
襯底為板狀，兩電極、兩引出電極固置于襯底上表面，兩電極相互平 行，且之間有一間隙，兩電極的一側(cè)分別通過引線各與一引出電極電連接；薄板一側(cè)沿與支撐柱上端固接，支撐柱下端固接于襯底的上表面；薄
板懸空設(shè)置在襯底上方，其投影覆蓋兩電極；
薄板下表面和兩電極上表面平行，之間有一間隙，使薄板與兩電極構(gòu) 成兩個串聯(lián)的電容器。
所述的傳感器，其所述襯底為正方形或者長方形或者圓形板。
所述的傳感器，其所述薄板為正方形或者長方形或者圓形薄板。
所述的傳感器，其所述電極的形狀為長方形或者半圓形。
所述的傳感器，其所述支撐柱為絕緣體，其形狀為"一"字或者"工"
字或者"T"字形，其大小與襯底相適配。
本發(fā)明的優(yōu)點采用MEMS技術(shù)，降低器件的成本，減小器件的功 耗；電氣連接采用電容方式，結(jié)構(gòu)簡單，功耗小、響應(yīng)快、溫漂小。


圖1示出本發(fā)明微型電容式風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2示出本發(fā)明微型電容式風(fēng)速傳感器襯底結(jié)構(gòu)示意圖3示出本發(fā)明微型電容式風(fēng)速傳感器剖面示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的技術(shù)方案風(fēng)吹過傳感器導(dǎo)致微型薄板結(jié)構(gòu)的彎曲形變，襯底上的電極將這種彎曲形變信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓?，通過測量傳感器的 輸出電容可以獲得風(fēng)速信息。具體原理如下
風(fēng)作用于薄板的力F(x)是薄板長度的函數(shù)，薄板所受到的力F(x)如下
式所示。
其中Q是繞流阻力因素，p是空氣密度，"為風(fēng)速，6為薄板寬度,
薄板的撓度w0O是薄板長度的函數(shù)，如下式所示。
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中丄為薄板長度，￡為薄板材料的楊氏彈性模量，J為薄板的截面
慣性矩。
故薄板的撓度如下式所示。
w(x) = C一"2 fV(x-3丄)血 兩個電極分別和薄板構(gòu)成電容器，兩個電容器串聯(lián)，單個電容器電容
的變化量"C0c)如下式所示。
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中s為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，"。是風(fēng)速為零時兩極板的間距。
故風(fēng)速為w時，傳感器輸出的電容為兩個電容器串聯(lián)后的等效電容,
l下式所示。<formula>formula see original document page 8</formula>
本發(fā)明所指的微型電容式風(fēng)速傳感器，特點是結(jié)構(gòu)簡單，功耗小、響 應(yīng)快、溫漂小，可批量生產(chǎn)等特性。本發(fā)明的傳感器可以廣泛應(yīng)用于航空
航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣象應(yīng)用等領(lǐng)域。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細說明。
如圖1本發(fā)明微型電容式風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明微型 電容式風(fēng)速傳感器襯底結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明微型電容式風(fēng)速傳感器 剖面圖。
本發(fā)明微型電容式風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)包括薄板l、電極2、支撐柱3、 引出電極4、襯底5。其中，襯底5為板狀，兩電極2、兩引出電極4固置 于襯底5上表面，兩電極2之間相互平行、且有一間隙，兩引出電極4之 間也相互平行。兩電極2—側(cè)分別通過引線各與一引出電極4電連接。
薄板1一側(cè)沿與支撐柱3上端固接，支撐柱3下端固接于襯底5的上 表面；薄板1懸空設(shè)置在襯底5上方，其投影覆蓋兩電極2。薄板l下表 面和兩電極2上表面平行，之間有一間隙，使薄板1與兩電極2構(gòu)成兩個 串聯(lián)的電容器。
兩引出電極4與電容測量傳感器輸入端電連接(圖中沒有示出)。 薄板l的形狀為長方形。電極2的形狀為長方形。
支撐柱3的形狀可為"一"字形長方體。 襯底5的形狀為長方形。
本發(fā)明的這種微型電容式風(fēng)速傳感器的工作原理是
被測風(fēng)吹到傳感器后，薄板l因受到風(fēng)力的作用發(fā)生彎曲形變，襯底 5上的兩電極2因薄板1的彎曲形變而使兩者之間的電容值發(fā)生變化，電 容測量傳感器依據(jù)輸出的電容值可以測量風(fēng)速。
以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式
，旨在便于對本發(fā)明的理解，而 不起任何限定作用，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)， 可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明所包含的范圍之內(nèi)，本發(fā)明 的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1、一種微型電容式風(fēng)速傳感器，其特征在于包括薄板(1)、電極(2)、支撐柱(3)、引出電極(4)、襯底(5)；其中，襯底(5)為板狀，兩電極(2)、兩引出電極(4)固置于襯底(5)上表面，兩電極(2)相互平行，且之間有一間隙，兩電極(2)的一側(cè)分別通過引線各與一引出電極(4)電連接；薄板(1)一側(cè)沿與支撐柱(3)上端固接，支撐柱(3)下端固接于襯底(5)的上表面；薄板(1)懸空設(shè)置在襯底(5)上方，其投影覆蓋兩電極(2)；薄板(1)下表面和兩電極(2)上表面平行，之間有一間隙，使薄板(1)與兩電極(2)構(gòu)成兩個串聯(lián)的電容器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述襯底(5)為正方形或者長方形或者圓形板。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述薄板(1)為正方形或者長方形或者圓形板。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其特征在于所述電極(2)的形狀為長方形或者半圓形。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其特征在于所述支撐柱(3)為絕緣體，其形狀為"一"字或者"工"字或者"T"字形，其大小與襯底(5)相適配。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種微型電容式風(fēng)速傳感器，包括薄板、電極、支撐柱、引出電極和襯底。薄板是被風(fēng)吹動的敏感結(jié)構(gòu)；兩個電極分別和薄板構(gòu)成電容器，兩個電容器串聯(lián)，其等效電容由引出電極引出，用作測量結(jié)構(gòu)；風(fēng)力作用使薄板發(fā)生彎曲形變，引起電容器極距的變化，電容傳感器將極距變化信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詼y量的電信號；支撐柱提供薄板和襯底的固定連接并為薄板提供支撐，襯底作為整個傳感器的支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明傳感器的特點是采用電容信號測量風(fēng)速信息，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、響應(yīng)快、溫漂小等優(yōu)點。該傳感器可廣泛應(yīng)用于航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣象應(yīng)用等領(lǐng)域。
文檔編號G01P5/00GK101614752SQ20081011562
公開日2009年12月30日 申請日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者程 龐, 震 方, 杜利東, 湛 趙, 韓有君 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所