一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法
【技术领域】
[00011本发明涉及传感器技术和MEMS技术。特别涉及一种插指结构电容式冰传感器原 理、结构及其制作技术，属于传感器技术领域。
【背景技术】
[0002] 航空飞行器飞到一定高度，周围空气湿度足够大，温度足够低，机体表面就可能结 冰。即使薄薄的一层冰也会显著影响飞机飞行的气动特性。可使飞行中的升力下降，阻力增 加，续航性能变差，并可引起机体抖动，使操作变得困难。结冰对起飞性能的影响也是非常 严重的，它可使飞行器的起飞过程变得艰难，可导致飞行器离地后坠毁等现象。因此，必需 对飞行器表面结冰现象进行监测预警。常规的结冰传感器分为:光学式、电学式、机械式等。 不同原理的传感器有各自的优点，同时也有各自的不足。华中科技大学[李薇，叶林，张杰， 张洪]对光纤式结冰传感器的试验研究;华中科技大学学报自然科学版2009年08期]研制的 光学式传感器根据冰、水与空气的光学性质的不同检测结冰。其优点是测量精度高，但测量 结果容易受到周围环境杂光的影响。并且该种传感器在飞机上使用时必须提高抗振动能 力，对安装条件要求很高。哈尔滨工程大学[王华，王以伦，张滨华]基于磁致伸缩原理的结 冰传感器设计理论；电工技术学报[2003年06期]等研制了谐振式结冰传感器，其工作原理 是基于磁致伸缩材料的振动特性。当传感器结冰时，振动部件表面的冰层会使轴向振动固 有频率产生偏移，通过偏移量测量，即可确定结冰状态。该种方法具有可靠性高，性能稳定 的优点。但此种结冰传感器只能非扁平的安装在飞机表面，传感器检测面和飞机表面不平 齐，传感器和飞机表面环境因素不同，会造成结冰情况的不同，结冰传感器检测到的结冰就 有可能和飞机表面结冰状况不一致。太原理工大学研制了一种电容比值式结冰传感器[电 容比值式覆冰厚度传感器及其检测方法.200810055051.9]。基于冰、空气和水介电常数的 不同来判断电极之间的介质是冰、空气还是水。将多组电极对等距排列，每个电极对最为一 个结冰检测刻度，总的结冰厚度就等于相邻电极对的距离和介质是冰的电极对的个数的乘 积。这种传感器缺点是只能以非扁平方式安装在飞机表面，并且此传感器采用传统方法制 作，体积较大，不适用于飞机表面测量。
[0003] 综上，现有结冰传感器尺寸大，难于安装，并且检测灵敏度低、准确性差。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决现有结冰传感器尺寸大，难于安装，并且检测灵敏度低、准确性 差的问题。现提供一种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法。
[0005] -种采用插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法，它包括以下步骤：
[0006] 步骤一、将参考电容、结冰测量电容、温度测量单元和湿度测量单元设在在一个N 型硅片上，采用参考电容测量空气环境的电容;采用结冰测量电容测量飞机表面上的电容； 采用温度测量单元测量空气的温度;采用湿度测量单元测量空气的湿度；
[0007] 步骤二、由控制器接收参考电容的数据、结冰测量电容的数据、温度测量单元的数 据和湿度测量单元的数据，判断结冰测量电容的数据是否等于参考电容的数据的2~78倍， 如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三；
[0008] 步骤三、飞机表面没有结冰；
[0009] 步骤四、利用采集到的温度数据和湿度数据进一步判断飞机表面是否结冰，判断 是否同时满足湿度数据为70%以上、温度数据为0°C以下;如果是，则判断飞机表面结冰;如 果否，则判断飞机表面未结冰。
[0010]本发明的有益效果为:采用该薄冰测量传感器利用冰、水和空气的介电常数明显 的差异，通过结冰后极板间介质变化而导致介电常数变化，进而引起输出电容值变化的机 理，进行被测物体表面结冰厚度的测量。由于冰的介电常数处于水与空气之间，所以通过测 量电容与参考电容的差分输出来消除水膜或高湿气体对测量结果有影响。为保证参考电容 不结冰，在传感器工作时开起参考电容下方的加热器，确保参考电容处于〇°c以上。为了增 加测量准确性，消除温度对电容值的影响，根据温度单元提供的温度信息对输出结果进行 补偿。空气的相对介电常数接近于1，冰相对介电常数大于2,水介电常数约78。在结冰测量 时，如果测量电容是参考电容的2~78倍时，表明飞机表面有结冰的可能。此时向测量电容 下方的加热器施加适当的脉冲信号，使加热器瞬间小幅升温，使冰融化成水。如果电容值突 然成数量级增加，则可判断被测物表面已经结冰。如果电容值只是略微增大，则可判断被测 物表面仍是高湿环境，并没有结冰。一般情况下，影响结冰状况的是可见湿度云、雾、雨和雪 和温度。在潮湿环境中，即使在〇°C以上，飞机也可能结冰。考虑到结冰条件的复杂性，为减 小结冰误判，通过湿度单元监测环境相对湿度，温度单元监测环境温度。满足相对湿度在 70%RH以上或温度0°C以下时，可认为传感器结出的结冰判断是可信的。在一次测量结束 后，可同时开起传感器上的2个加热器，对测量电容和参考电容进行加热除冰除水，为下一 次测量做准备。通过结冰测量电容的变化可以测出极板间隙生成的薄冰的厚度，结合参考 电容判断是否结冰，在通过温湿度测量单元，实现判断判断结果更加准确，所有器件排布于 一个N型硅片易于在飞机表面扁平安装。通过微加工技术制作的结冰传感器尺寸小、功耗 低，容易实现阵列式分布安装。
【附图说明】
[0011] 图1为【具体实施方式】一所述的一种采用插指微结构电容式薄冰传感器的原理示意 图；
[0012] 图2为【具体实施方式】一所述的一种采用插指微结构电容式薄冰传感器的结构示意 图；
[0013]图3为N型娃片的结构不意图；
[0014] 图4为在N型硅片上制作浓硼区的结构示意图；
[0015] 图5为制作热敏电阻的结构示意图；
[0016] 图6为制作湿敏电容的结构示意图； 图7为制作金薄膜，形成带孔的湿敏电容上电极的结构示意图；
[0017] 图8为对湿敏电容上电极制作光刻、刻蚀的结构示意图；
[0018] 图9为在参考电容和结冰测量电容之间制作隔离槽的结构示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0019] 一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种采 用
[0020] 插指微结构电容式薄冰传感器测量薄冰的方法，它包括以下步骤：
[0021] 步骤一、将参考电容2、结冰测量电容1、温度测量单元3和湿度测量单元4设在在一 个N型硅片上，采用参考电容2测量空气环境的电容;采用结冰测量电容1测量飞机表面上的 电容;采用温度测量单元3测量空气的温度;采用湿度测量单元4测量空气的湿度；
[0022] 步骤二、由控制器6接收参考电容2的数据、结冰测量电容1的数据、温度测量单元3 的数据和湿度测量单元4的数据，判断结冰测量电容1的数据是否等于参考电容的数据的2 ~78倍，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三；
[0023]步骤三、飞机表面没有结冰；
[0024]步骤四、利用采集到的温度数据和湿度数据进一步判断飞机表面是否结冰，判断 是否同时满足湿度数据为70%以上、温度数据为0°C以下;如果是，则判断飞机表面结冰;如 果否，则判断飞机表面未结冰。
[0025]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种采用插指微结构电 容式薄冰传感器测量薄冰的方法作进一步说明，本实施方式中，它还包括两个加热器5,两 个加热器5分别设置在参考电容2和结冰测量电容1的底部，用于分别对测量电容1和参考电 容2进行加热除冰除水，为下一次测量做准备。
【具体实施方式】 [0026] 三