专利名称：基于微机械系统的非热式流速流向传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机械非热式流速流向传感器，尤其是一种利用MEMS(微机械系统)加工的，含有支撑梁和阻流体的电容式流速流向传感器。
背景技术：
流体测量在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航空等部门都有重要的应用，其中流速流向测量作为流体测量中重要的组成部分，已经发展了很多年。先后出现了风杯和风向标测量、皮托管测量、浮子测量、力学测量、声学测量、光学测量、传热学测量、电磁测量等测量方法。基于MEMS加工技术的微型流速流向传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来流体传感器研究的热点。Van Putten(人名)在1974年提出了第一个基于硅微加工技术的流量传感器，这个传感器的工作原理是基于传热学的，即通过测量流体流动引起的热场变化来测量流速流向信息。经过30余年的发展，现在现在热式微流体传感器已经成为主流，特别是在风速计领域。但是，热式微流体传感器也有其固有的缺点。例如功耗大、衬底的热传导导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长等。另外，因为要对流体加热，所以就限制了热式微流体传感器在生物方面的应用。非热式微流体传感器则可以克服上述缺点。Kersjes(人名)提出了测量压差的方法、Oosterbroek(人名)提出了测量压降的方法、Svedi(人名)提出过测量升力的方法、Ng(人名)提出过测量粘滞力的方法。目前，基于非热式原理的流速流向传感器共同的缺点就是量程小以及不能测量二维风向。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于微机械系统的非热式流速流向传感器，具有可测量二维风向、功耗小、响应快、温漂小和可靠性好等优点。
技术方案本发明是用于测量流体流速和流向信号的电容式流速流向传感器，该传感器由数根能提供各向同性阻尼支撑梁、梁上支撑的竖直的阻流体、正交设置的竖直电极以及固定衬底和引线构成；在衬底上设有阻流体，在阻流体的圆心设有一个固定在衬底上的支柱，支柱与阻流体的内圆周之间由多根各向同性阻尼支撑梁连接；阻流体由两个同心的圆环构成，两个同心的圆环之间由四块连接板连接并将两个同心的圆环之间的环形空间分为四个子空间，第一正交固定电极、第二正交固定电极、第三正交固定电极、第四正交固定电极分别位于两个同心的圆环之间的四个子空间里。
当传感器处于流体中时，流体流动对阻流体产生压力，阻流体将压力传递到支撑梁上，支撑梁发生应变，竖直的阻流体相对于固定的竖直电极发生位移，从而两者之间的电容值发生变化。通过测量正交的四组电极之间电容的大小变化，就可以得到流速和流向信息。即通过测量流体使阻流体发生位移带来的正交电容差分变化来得到流向和流速的信息。各向同性阻尼支撑梁和阻流体既充当可动位移部件，又充当测量电容变化的电极。
有益效果本发明可采用MEMS加工技术制造，制作方法和结构都较为简单，可靠性好。传统的热式流体传感器是通过设置加热部件，再让流体流经加热部件，测量热场的变化或加热部件的温度变化来得到流速和流向信息。由于要对流体加热，所以功耗较大、温度效应明显。本发明采用力学原理测量，通过测量流体对阻流体的作用力引起的位移来得到流速和流向信息。从而避免了这个缺陷。传统的非热式流体传感器大多利用伯努力原理测量压差或压降，不能得到二维方向信息。本发明采用设置正交固定电极来解决这个问题，通过分别检测相互正交的电极之间的电容的变化，可以得到二维的方向信息。本发明采用电容式结构检测，温度漂移小，灵敏度高，抗干扰能力强。利用表面氧化的N型半导体硅片来作为结构材料，通过通过ICP(等离子增强刻蚀)来形成电极之间的空隙，然后将支柱和玻璃键合完成固定和引线，最后再通过ICP来形成支撑梁和阻流体的释放。和传统的牺牲层释放形成空隙相比，这种新颖的键合方式可以形成竖直的电极空隙，有效的增加了初始电容和灵敏度。并且因为是通过和玻璃键合实现固定和引线。可以有效的减小寄生电容。
图1是本发明的结构示意图，
以上的图中有支柱1，阻流体2，第一正交固定电极3、第二正交固定电极4、第三正交固定电极5、第四正交固定电极6，衬底7，各向同性阻尼支撑梁8。
具体实施方案本发明是一种用于测量流速流向的流体传感器。由支柱1，阻流体2，第一正交固定电极3、第二正交固定电极4、第三正交固定电极5、第四正交固定电极6，衬底7，各向同性阻尼支撑梁8构成。衬底7是玻璃，其上有引线。支柱1和玻璃键合在一起，第一正交固定电极3、第二正交固定电极4、第三正交固定电极5、第四正交固定电极6也都和玻璃键合在一起。支柱1、支撑梁8和阻流体2的材料是N型半导体硅，由双面两次腐蚀得到。如图2所示，导电的阻流体2和四个固定电极即第一正交固定电极3、第二正交固定电极4、第三正交固定电极5、第四正交固定电极6构成四个电容。阻流体2通过支撑梁8和支柱1的连接从玻璃衬底7上引线。当流体作用于阻流体2时，阻流体2受力，力的方向和流向相同，力的大小取决于流速大小。支撑梁8提供各向同性的阻尼。阻流体2在流速方向上产生平面位移。四个电容大小发生变化。变化的值取决于阻流体2位移的方向和大小。所以，测量四个电容的大小变化就可以得到流速和流向的信息。
本例传感器的制作过程为准备N型半导体硅片1#；背面刻蚀N型半导体硅片形成阻流体2的台阶；背面刻蚀N型半导体硅片形成支撑梁8的台阶；玻璃7溅射金属引线；N型半导体硅片1#背面和玻璃7键合；正面刻蚀N型半导体硅片1#形成阻流体2、支撑梁8、第一正交固定电极3、第二正交固定电极4、第三正交固定电极5、第四正交固定电极6和支柱1。
各向同性阻尼支撑梁(8)由多个空心的菱形相串接而成。
衬底(7)采用是玻璃材料，支柱(1)、阻流体(2)采用N型半导体硅材料。
权利要求
1.一种基于微机械系统的非热式流速流向传感器，其特征在于该传感器由数根能提供各向同性阻尼支撑梁(8)、梁上支撑的竖直的阻流体(2)、正交设置的竖直电极以及固定衬底(7)和引线构成；在衬底(7)上设有阻流体(2)，在阻流体(2)的圆心设有一个固定在衬底(7)上的支柱(1)，支柱(1)与阻流体(2)的内圆周之间由多根各向同性阻尼支撑梁(8)连接；阻流体(2)由两个同心的圆环构成，两个同心的圆环之间由四块连接板(21)连接并将两个同心的圆环之间的环形空间分为四个子空间，第一正交固定电极(3)、第二正交固定电极(4)、第三正交固定电极(5)、第四正交固定电极(6)分别位于两个同心的圆环之间的四个子空间里。
2.根据权利要求1或2所述的基于微机械系统的非热式流速流向传感器，其特征在于采用键合技术形成悬置支撑梁(8)和阻流体(2)结构。
全文摘要
基于微机械系统的非热式流速流向传感器是一种利用微机械系统加工的，含有支撑梁和阻流体的电容式流速流向传感器，该传感器在衬底(7)上设有阻流体(2)，在阻流体(2)的圆心设有一个固定在衬底(7)上的支柱(1)，支柱(1)与阻流体(2)的内圆周之间由多根各向同性阻尼支撑梁(8)连接；阻流体(2)由两个同心的圆环构成，两个同心的圆环之间由四块连接板(21)连接并将两个同心的圆环之间的环形空间分为四个子空间，第一正交固定电极(3)、第二正交固定电极(4)、第三正交固定电极(5)、第四正交固定电极(6)分别位于两个同心的圆环之间的四个子空间里。该传感器具有可测量二维风向、功耗小、响应快、温漂小和可靠性好等优点。
文档编号G01P13/00GK1851470SQ200610040599
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月29日 优先权日2006年5月29日
发明者魏泽文, 秦明, 黄庆安 申请人:东南大学