专利名称：一种电容式风速风向传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电容型风速传感器的结构，尤其是采用电容差分输出实现风速测 量的小型风速传感器结构。
背景技术：
风速风向传感器在环境监测、野外作业等方面有广泛的应用。该类传感器一般由 传统的风杯和风向标结构、纯固态的热丝或热膜结构、以及超声风速测量系统等。传统风杯 和风向标结构体积较大、一般在数十厘米或以上，且存在转动部件，容易磨损；热式风速传 感器虽然可以做的很�。缕凸氖瞧涔逃械奈侍猓枰慕怀缢俅衅鹘昀� 得到很大的发展，该传感器具有精度高，测量范围大，且使用寿命长等诸多突出优点。其不 利因素是体积较大(10厘米以上)，价格偏高。在野外作业等测量方面，需要小型测试系统。 因此超小型便携风速风向测量系统仍得到人们的关注并试图研发出新型产品。发明内容
技术问题发明提出了一种电容式风速测量结构。该测量结构由一中间固定垂直 风杆的可变形的导电薄板和其下两个或四个对称放置的固定电极组成。垂直风杆受风压带 动导电薄板产生变形，导致该薄膜和其下的两个或四个电极组成的电容的大小发生变化， 通过测量这两个或四个电容的大小并计算相对位置的电容差，根据一定的算法并校准就可 反映风速和风向的信息。
技术方案为解决上述技术问题，本发明公开了一种电容式风速风向传感器，其包 括衬底、设置在衬底表面的绝缘体、分别设在绝缘体表面且相距一定距离的的第一电容底 电极和第二电容底电极、与绝缘体相连的支撑锚区、与支撑锚区相连的弹性膜、与弹性膜相 连的刚性薄板，和设置在刚性薄板上的风杆，
风杆位于刚性薄板中心，第一电容底电极和第二电容底电极相对刚性薄板中心对 称放置，且第一电容底电极和第二电容底电极、构成差分电容对。
刚性薄板周围通过弹性膜与支撑锚区相连，弹性膜和刚性薄板设置成封闭结构， 避免灰尘和湿气进入电容间隙。
该风向传感器还包括相对于刚性薄板中心对称设置的第三底电容电极和第四底 电容电极，刚性薄板中心对称结构，第一电容底电极、第二电容底电极、第三底电容电极和 第四底电容电极关于刚性薄板的中心对称设置，从而实现二维风速和风向的检测。
刚性薄板为正多边形或圆形的中心对称结构。
有益效果基于查分电容检测原理的风速传感器，可采用微机械加工工艺批量制 造，成本低廉。同时结构可以做的很小，比如在5厘米以内。可满足便携需要；采用电容检测 原理实现风速和风向敏感，由于电容间距变化和电容成反比，因此灵敏度可比压阻检测好； 电容原理检测温度效应�。虼舜衅鞯奈缕。煌模捎玫缛菁觳猓南啾热确缢� 传感器要低。
图1为本发明的剖面示意图。
其中衬底材料I，绝缘材料2，第一底电极3，第二底电极4，支撑锚区5，弹性膜6， 刚性薄板7和风杆8。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
本发明提出的小型电容式风速风向传感器利用电容原理测量风速和风向。其包括 衬底1、设置在衬底I表面的绝缘体2、分别设在绝缘体2表面且相距一定距离的的第一电 容底电极3和第二电容底电极4、与绝缘体2相连的支撑锚区5、与支撑锚区5相连的弹性 膜6、与弹性膜6相连的刚性薄板7，和设置在刚性薄板7上的风杆8，
风杆8位于刚性薄板7中心，第一电容底电极3和第二电容底电极4相对刚性薄 板7中心对称放置,且第一电容底电极3和第二电容底电极4、构成差分电容对。
刚性薄板7周围通过弹性膜6与支撑锚区5相连，弹性膜6和刚性薄板7设置成 封闭结构，避免灰尘和湿气进入电容间隙。
该风向传感器还包括相对于刚性薄板7中心对称设置的第三底电容电极和第四 底电容电极，刚性薄板7中心对称结构，第一电容底电极3、第二电容底电极4、第三底电容 电极和第四底电容电极关于刚性薄板的中心对称设置，从而实现二维风速和风向的检测。
刚性薄板7为正多边形或圆形的中心对称结构。
传感器的剖面示意图如附图1所示，图中整个结构由衬底材料1、绝缘材料2、底电 极3、4和支撑锚区5、弹性膜6、刚性薄板7和风杆8组成。衬底材料I上放置一层绝缘介 质材料2，其上两边缘设置支撑锚区5，靠中心位置中心对称放置底电极3、4，分别作为对称 的两个电容的下电极，电容的上电极为刚性薄板7。风杆8在刚性薄板7的中心垂直放置， 刚性薄板7的边通过弹性膜6与支撑锚区5相连。无风时风杆8垂直于衬底1，由电极材 料3和4与刚性薄板7组成的两个电容大小一致，当有风水平吹过传感器表面，导致风杆倾 斜，带动刚性薄板7在弹性膜6的拉伸和挤压下产生倾斜，导致上述两个电容发生变化，风 下游的电容间距变小，电容增大，上游的电容间距变大，电容减�。礁龅缛莸牟钣敕缢僦� 间存在单调的关系，差的符号与风向有关。因此。通过后续标定就可获得风速信息。
本发明提供了一种差分电容实现风速测量的风速传感器。由衬底材料1、绝缘材料2、电容底电极3和4、支撑锚区5、弹性膜6、刚性薄板7和风杆8组成。其中底电极3、4相 对刚性薄板7中心对称放置，风杆8也需安装在刚性薄板7的中心位置。弹性膜6的设置 用于方便刚性薄板7在风杆8带动下变形，弹性膜6、支撑锚区5和刚性薄板7可以由同种 材料构成。如果将刚性薄板7、弹性膜6和锚区5设计成完整封闭结构，可以避免环境灰尘 和湿度对电容的影响。
本传感器结构的制作过程为首先选取玻璃衬底1，由于玻璃衬底是绝缘材料，因 此其本身也可作为绝缘材料2，然后采用磁控溅射的原理衬底I的上表面生长一层金属薄 膜，例如铝等。对该层金属进行光刻和腐蚀形成电容的底电极3和4 ;再选用另一普通型硅 片，在其表面进行光刻，将锚区5之外的硅采用反应离子刻蚀技术刻蚀掉2-8微米深，该间隙减去金属电极3和4的厚度后就是差分电容的初始间距。然后将弹性膜6位置的硅采用 反应离子技术刻蚀掉3-5微米。这样，加上前面一次的刻蚀，该位置的硅的刻蚀深度达到 5-13微米。然后将硅表面和上一片已经制作了电极的玻璃进行阳极键合，再采用化学机械 抛光的方法将硅片减薄到15-20微米左右。最后在芯片的中心位置采用环氧胶粘接塑料风 杆8就完成了整个器件的制作。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为 限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权 利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种电容式风速风向传感器,其特征在于，其包括衬底(I)、设置在衬底(I)表面的绝缘体(2)、分别设在绝缘体(2)表面且相距一定距离的的第一电容底电极(3)和第二电容底电极(4)、与绝缘体(2)相连的支撑锚区(5)、与支撑锚区(5)相连的弹性膜(6)、与弹性膜(6)相连的刚性薄板(7)，和设置在刚性薄板(7)上的风杆(8)，风杆(8)位于刚性薄板(7)中心，第一电容底电极(3)和第二电容底电极(4)相对刚性薄板(7)中心对称放置，且第一电容底电极(3)和第二电容底电极(4)构成差分电容对。
2.根据权利要求1所述的电容式风速风向传感器，其特征在于，刚性薄板(7)周围通过弹性膜(6)与支撑锚区(5)相连，弹性膜(6)和刚性薄板(7)设置成封闭结构。
3.根据权利要求1或2所述的电容式风速风向传感器，其特征在于，刚性薄板(7)中心对称结构，该风向传感器还包括相对于刚性薄板(7)中心对称设置的第三底电容电极和第四底电容电极，第一电容底电极(3)、第二电容底电极(4)、第三底电容电极和第四底电容电极关于刚性薄板的中心对称设置。
4.根据权利要求3所述的电容式风速风向传感器，其特征在于，刚性薄板(7)为正多边形或圆形的中心对称结构。
全文摘要
本发明公开了一种电容式风速风向传感器，其包括衬底(1)、设置在衬底(1)表面的绝缘体(2)、分别设在绝缘体(2)表面且相距一定距离的第一电容底电极(3)和第二电容底电极(4)、与绝缘体(2)相连的支撑锚区(5)、与支撑锚区(5)相连的弹性膜(6)、与弹性膜(6)相连的刚性薄板(7)，和设置在刚性薄板(7)上的风杆(8)，风杆(8)位于刚性薄板(7)中心，第一电容底电极(3)和第二电容底电极(4)相对刚性薄板(7)中心对称放置，且第一电容底电极(3)和第二电容底电极(4)构成差分电容对。本发明具有检测灵敏度高、功耗低、体积小和温漂小等特点。
文档编号G01P5/08GK103063867SQ20121055909
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者秦明, 陈实, 胡世镔 申请人:东南大学
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