一種基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其測(cè)量方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)速風(fēng)向傳感器廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)建設(shè)、航天航空、交通旅游、氣象預(yù)報(bào)以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)所提供的信息對(duì)整個(gè)社會(huì)都起著非常重要的作用。很早之前，風(fēng)速風(fēng)向的檢測(cè)主要依靠機(jī)械式風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，之后又出現(xiàn)了基于超聲原理和多普勒原理的風(fēng)速傳感器。但是，由于體積龐大、功耗高，這些風(fēng)速傳感器無法滿足小型化、低功耗等應(yīng)用需求。微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，使得小型化、低功耗的風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)微系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向傳感器的零直流功耗。
[0004]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0005]—種基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括襯底、共面波導(dǎo)傳輸線以及懸臂梁傳感部分;所述共面波導(dǎo)傳輸線包括第一地線，以及互相垂直并相交生長在襯底表面上的第一信號(hào)線和第二信號(hào)線，所述第一信號(hào)線和第二信號(hào)線之間的交疊位置設(shè)有絕緣層，所述第一地線設(shè)置在第一信號(hào)線和第二信號(hào)線相交形成的任一象限內(nèi)；
[0006]所述懸臂梁傳感部分包括第一懸臂梁和第二懸臂梁，所述第一懸臂梁的錨區(qū)和第二懸臂梁的錨區(qū)均位于所述第一地線上，所述第一懸臂梁垂直第二信號(hào)線并于第二信號(hào)線上方形成翹曲，所述第二懸臂梁垂直第一信號(hào)線并于第一信號(hào)線上方形成翹曲，所述翹曲在風(fēng)力的作用下能夠改變相對(duì)于垂直信號(hào)線的距離。
[0007]進(jìn)一步的，還包括第三懸臂梁和第四懸臂梁;所述第一信號(hào)線和第二信號(hào)線相交形成的其余三個(gè)象限中均設(shè)置有地線，所述第三懸臂梁的錨區(qū)和第四懸臂梁的錨區(qū)分別位于所述三個(gè)象限中任意兩個(gè)地線上，所述第三懸臂梁與第一懸臂梁關(guān)于第一信號(hào)線對(duì)稱設(shè)置，所述第四懸臂梁與第二懸臂梁關(guān)于第二信號(hào)線對(duì)稱設(shè)置。
[0008]基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的測(cè)量方法，包括如下步驟:分別對(duì)第一至第四懸臂梁的翹曲相于垂直的信號(hào)線之間的距離變化所引起的共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得到實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向。有益效果:本發(fā)明的基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其測(cè)量方法，在風(fēng)力的作用下，懸臂梁的翹曲相對(duì)垂直的信號(hào)線之間的距離會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致共面波導(dǎo)傳輸線與地線之間的電容變化，通過測(cè)量正交排列的兩組共面波導(dǎo)傳輸線的微波性能即插入損耗，計(jì)算出風(fēng)速的大小和方向。本發(fā)明的基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器不但具有結(jié)構(gòu)簡單，易于測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速風(fēng)向傳感器的零直流功耗。
【附圖說明】
[0009]圖1是實(shí)施例1的基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的俯視圖；
[0010]圖2是實(shí)施例2的基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的俯視圖；
[0011]圖3是圖2中基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的A-A剖面圖；
[0012]圖4是圖2中基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的B-B剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0014]實(shí)施例1:如圖1所示，一種基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括襯底1、共面波導(dǎo)傳輸線以及懸臂梁傳感部分。共面波導(dǎo)傳輸線包括生長在襯底I表面上的第一地線7，以及互相垂直并相交生長在襯底I表面上的第一信號(hào)線2、第二信號(hào)線3，并在第一信號(hào)線2和第二信號(hào)線3之間的交疊位置設(shè)有絕緣層8，進(jìn)行電隔離;第一地線7設(shè)置在第一信號(hào)線2和第二信號(hào)線3相交形成的第二象限內(nèi)。
[0015]懸臂梁傳感部分包括生長在襯底I表面上的第一懸臂梁9和第二懸臂梁11。第一懸臂梁9的錨區(qū)和第二懸臂梁11的錨區(qū)均位于所述第一地線7上，第一懸臂梁9垂直第二信號(hào)線3并于第二信號(hào)線3上方形成翹曲，第二懸臂梁11垂直第一信號(hào)線2并于第一信號(hào)線2上方形成翹曲。
[0016]第一懸臂梁9和第二懸臂梁11均采用相同工藝制備得到，釋放之后能形成翹曲，所形成的初始翹距離其垂直的信號(hào)線的距離也相同。當(dāng)有風(fēng)作用在翹曲的上表面或下表面時(shí)，均能夠改變翹曲相對(duì)于垂直的信號(hào)線之間的距離。測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向時(shí)，分別對(duì)第一懸臂梁9和第二懸臂梁11的翹曲相對(duì)信號(hào)線之間距離變化所引起的共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得到實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向。例如，當(dāng)風(fēng)由北吹向南時(shí)，第一懸臂梁9由于受到風(fēng)力的作用產(chǎn)生向下的位移，使得懸臂梁的翹曲與第二信號(hào)線3之間的距離變小，導(dǎo)致共面波導(dǎo)傳輸線與地線之間的電容增大，測(cè)量共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗，根據(jù)測(cè)量值反推出風(fēng)速的大小。反之，當(dāng)風(fēng)從南吹向北時(shí)，第一懸臂梁9的翹曲與第二信號(hào)線3之間的距離變大，導(dǎo)致共面波導(dǎo)傳輸線與地線之間的電容減小，同樣測(cè)量共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗后計(jì)算得到風(fēng)速的大小。
[0017]實(shí)施例2:如圖2至圖4所示，一種基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括襯底1、共面波導(dǎo)傳輸線以及懸臂梁傳感部分。共面波導(dǎo)傳輸線包括生長在襯底I表面上的第一地線7，以及互相垂直并相交生長在襯底I表面上的第一信號(hào)線2、第二信號(hào)線3，在第一信號(hào)線2和第二信號(hào)線3相交形成的四個(gè)象限中分別設(shè)置的第一地線7、第二地線4、第三地線5、第四地線6。在第一信號(hào)線2和第二信號(hào)線3之間的交疊位置設(shè)有絕緣層8，進(jìn)行電隔離。
[0018]懸臂梁傳感部分包括生長在襯底I表面上的第一懸臂梁9、第二懸臂梁11、第三懸臂梁10、第四懸臂梁12。第一懸臂梁9的錨區(qū)13位于第一地線7上，第一懸臂梁9垂直第二信號(hào)線3并位于第二信號(hào)線3上方形成翹曲。第三懸臂梁10的錨區(qū)14位于第四地線6上，第三懸臂梁10與第一懸臂梁9關(guān)于第一信號(hào)線2對(duì)稱設(shè)置，即第三懸臂梁10的結(jié)構(gòu)與第一懸臂梁9完全相同。第二懸臂梁11的錨區(qū)15位于第一地線7上，第二懸臂梁11垂直第一信號(hào)線2并位于第一信號(hào)線2上方形成翹曲。第四懸臂梁12的錨區(qū)16位于第二地線4上，第四懸臂梁12與第二懸臂梁11關(guān)于第二信號(hào)線3對(duì)稱設(shè)置，即第四懸臂梁12的結(jié)構(gòu)與第二懸臂梁11完全相同。
[0019]第一至第四懸臂梁均采用相同工藝制備得到，釋放之后能形成翹曲，翹曲在風(fēng)力的作用下能夠改變相對(duì)信號(hào)線之間的距離。測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向時(shí)，分別對(duì)第一至第四懸臂梁的翹曲相對(duì)信號(hào)線之間位移變化所引起的共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得到實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向。例如，當(dāng)風(fēng)由北吹向南時(shí)，第一懸臂梁9和第三懸臂梁10由于受到風(fēng)力的作用產(chǎn)生向下的位移，使得懸臂梁的翹曲與第二信號(hào)線3之間的間隙變小，導(dǎo)致共面波導(dǎo)傳輸線與地線之間的電容增大，測(cè)量共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗，根據(jù)測(cè)量值反推出風(fēng)速的大小。反之，當(dāng)風(fēng)從南吹向北時(shí)，第一懸臂梁9和第三懸臂梁10的翹曲與第二信號(hào)線3之間的間隙變大，導(dǎo)致共面波導(dǎo)傳輸線與地線之間的電容減小，同樣測(cè)量共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗后計(jì)算得到風(fēng)速的大小。當(dāng)其他方向的風(fēng)吹過時(shí)其檢測(cè)原理同理可得，不再贅述。當(dāng)風(fēng)向不是標(biāo)準(zhǔn)的東南西北風(fēng)時(shí)，可以分解成不同方向(東西向和南北向)上的分量，之后通過三角函數(shù)的關(guān)系，可以計(jì)算出風(fēng)向。
[0020]本實(shí)施例相較于實(shí)施例1，為了增大風(fēng)速測(cè)量的靈敏度，在第二信號(hào)線3關(guān)于第一信號(hào)線2對(duì)稱設(shè)置第三懸臂梁10，從而使得靈敏度增加了一倍;在東西方向上同樣設(shè)計(jì)了兩個(gè)懸臂梁11和12，從而可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)向的測(cè)量。該方案的優(yōu)點(diǎn)是，原理簡單，芯片面積縮小，也可以實(shí)現(xiàn)零直流功耗。
[0021]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于:包括襯底(I)、共面波導(dǎo)傳輸線以及懸臂梁傳感部分;所述共面波導(dǎo)傳輸線包括第一地線(7)，以及互相垂直并相交生長在襯底(I)表面上的第一信號(hào)線(2)和第二信號(hào)線(3)，所述第一信號(hào)線(2)和第二信號(hào)線(3)之間的交疊位置設(shè)有絕緣層(8)，所述第一地線(7)設(shè)置在第一信號(hào)線(2)和第二信號(hào)線(3)相交形成的任一象限內(nèi)； 所述懸臂梁傳感部分包括第一懸臂梁(9)和第二懸臂梁(11)，所述第一懸臂梁(9)的錨區(qū)和第二懸臂梁(11)的錨區(qū)均位于所述第一地線(7)上，所述第一懸臂梁(9)垂直第二信號(hào)線(3)并于第二信號(hào)線(3)上方形成翹曲，所述第二懸臂梁(11)垂直第一信號(hào)線(2)并于第一信號(hào)線(2)上方形成翹曲，所述翹曲在風(fēng)力的作用下能夠改變相對(duì)于垂直信號(hào)線的距離。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于:還包括第三懸臂梁(10)和第四懸臂梁(12);所述第一信號(hào)線(2)和第二信號(hào)線(3)相交形成的其余三個(gè)象限中均設(shè)置有地線，所述第三懸臂梁(10)的錨區(qū)和第四懸臂梁(12)的錨區(qū)分別位于所述三個(gè)象限中任意兩個(gè)地線上，所述第三懸臂梁(10)與第一懸臂梁(9)關(guān)于第一信號(hào)線(2)對(duì)稱設(shè)置，所述第四懸臂梁(12)與第二懸臂梁(11)關(guān)于第二信號(hào)線(3)對(duì)稱設(shè)置。3.如權(quán)利要求2所述基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟:分別對(duì)第一至第四懸臂梁的翹曲相于垂直的信號(hào)線之間的距離變化所引起的共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得到實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于共面波導(dǎo)傳輸線的懸臂梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其測(cè)量方法，該傳感器包括襯底，共面波導(dǎo)傳輸線以及懸臂梁傳感部分。共面波導(dǎo)部分包括生長在襯底表面上的兩條互相垂直的信號(hào)線，四塊分立的地線，其中，信號(hào)線交疊的部分采用絕緣層進(jìn)行隔離。懸臂梁傳感部分包括四個(gè)錨區(qū)以及四個(gè)懸臂梁，其中，四個(gè)錨區(qū)位于共面波導(dǎo)傳輸線的地線上，四個(gè)懸臂梁采用相同的特定工藝制備，形成一定的翹曲，可以在風(fēng)力的作用下產(chǎn)生位移。通過測(cè)量兩段共面波導(dǎo)傳輸線的插入損耗，可以實(shí)現(xiàn)二維風(fēng)速風(fēng)向的檢測(cè)。該結(jié)果不僅結(jié)構(gòu)簡單，更無需消耗直流功耗。
【IPC分類】G01P5/08, G01P13/02
【公開號(hào)】CN105548604
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510883030
【發(fā)明人】易真翔, 秦明, 黃慶安
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月3日