風(fēng)向風(fēng)速記錄儀中新型傳感器的研發(fā)設(shè)計(jì)
風(fēng)向風(fēng)速記錄儀，其關(guān)鍵部件就是傳感器的設(shè)計(jì)，所以關(guān)于風(fēng)向風(fēng)速記錄儀的研究，其核心也是關(guān)于其感應(yīng)風(fēng)向和風(fēng)速的傳感器的研究，下面我們一起看下一種新型的傳感器的研發(fā)過程。
風(fēng)速和風(fēng)向參數(shù)是氣象觀測(cè)的基本要素�；贛EMS的微型測(cè)風(fēng)傳感器具有體積小、重量輕、成本低和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足航空航天、航海和環(huán)境氣象信息探測(cè)等領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯钠惹行枨�。微型測(cè)風(fēng)傳感器的研制主要集中在熱式原理上，熱式微型測(cè)風(fēng)傳感器具有測(cè)量簡(jiǎn)單、工藝易控制、應(yīng)用廣泛、可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的單片測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是功耗大、襯底的熱傳導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差、零點(diǎn)隨環(huán)境溫度漂移、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、高風(fēng)速測(cè)量不穩(wěn)定。非熱式微型測(cè)風(fēng)傳感器是把風(fēng)速信息轉(zhuǎn)化為拖動(dòng)力、升力、壓差、振動(dòng)、粘滯力等信息，再檢測(cè)由此帶來的形變信息來檢測(cè)風(fēng)速，通過傳感器的二次封裝來實(shí)現(xiàn)風(fēng)向的測(cè)量，非熱式微型測(cè)風(fēng)傳感器具有功率小，熱損耗低等特點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的單片測(cè)量。
本文設(shè)計(jì)了一種基于MEMS的新型風(fēng)速風(fēng)向傳感器，該傳感器屬于非熱式微型測(cè)風(fēng)傳感器，可用于小量程風(fēng)速測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可同時(shí)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向等特點(diǎn)。
1 傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理
傳感器包含4個(gè)相互正交的電容器，每個(gè)電容器由可動(dòng)極板、固定極板、支撐體和引出電極構(gòu)成。可動(dòng)極板、固定極板和支撐體為MEMS體硅工藝制作的微結(jié)構(gòu)，可動(dòng)極板和固定極板構(gòu)成電容器的2個(gè)電極，可動(dòng)極板懸空設(shè)置在玻璃襯底上表面，是被風(fēng)吹動(dòng)的敏感結(jié)構(gòu)。支撐體和固定極板固置在玻璃襯底的上表面，支撐體為可動(dòng)極板提供固定支撐并和引出電極電連接，玻璃襯底作為整個(gè)傳感器的支撐結(jié)構(gòu)。
當(dāng)傳感器置于空氣流場(chǎng)中時(shí)，可動(dòng)極板形成一個(gè)阻流體，空氣流體的流動(dòng)會(huì)在阻流體上產(chǎn)生壓力，壓力的大小取決于風(fēng)速的大小和方向。可動(dòng)極板沿著壓力的方向會(huì)產(chǎn)生彎曲和形變，彎曲和形變的程度取決于壓力的大小，可動(dòng)極板的彎曲和形變引起電容器極板間距的變化，從而引起傳感器輸出電容的變化。當(dāng)空氣流體以一定的風(fēng)向吹過傳感器時(shí)，其風(fēng)速可以分解為南北和東西2個(gè)方向的風(fēng)速，通過測(cè)量電容器輸出電容的值，可以得到南北方向和東西方向的風(fēng)速，將2個(gè)方向上的風(fēng)速合成，就可以得到實(shí)際的風(fēng)速和風(fēng)向。
2 理論分析和計(jì)算
2.1 傳感器的輸出電容
考慮到可動(dòng)極板和固定極板構(gòu)成的是平行板電容器，在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平行板電容器的電容為：
式中，C為平行板電容器的電容，S為可動(dòng)極板和固定極板的相對(duì)面積，d0是風(fēng)速為零時(shí)可動(dòng)極板和固定極板的間距，ε為二極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，這里極板間的介質(zhì)為空氣。
根據(jù)流體力學(xué)原理，流體繞經(jīng)物體時(shí)，其作用在物體上的壓力可用繞流阻力來計(jì)算，根據(jù)流體力學(xué)的繞流阻力公式，有：
式中：F(x)為繞流阻力沿可動(dòng)極板長(zhǎng)度方向的分布函數(shù)，CD是繞流阻力因數(shù)，和雷諾數(shù)以及阻流體的形狀有關(guān)；ρ是空氣的密度；u(x)為風(fēng)速沿可動(dòng)極板長(zhǎng)度方向的分布函數(shù)，h為可動(dòng)極板的高度。
可動(dòng)極板為一懸臂梁，設(shè)w(x)為可動(dòng)極板沿其長(zhǎng)度方向上的撓度分布函數(shù)，可動(dòng)極板在受到沿其長(zhǎng)度方向分布的繞流阻力F(x)時(shí)，根據(jù)彈性力學(xué)中懸臂梁的撓度公式，則：
式中L為可動(dòng)極板的長(zhǎng)度，E為可動(dòng)極板材料的楊氏模量，J為可動(dòng)極板的截面慣性矩，其大小取決于可動(dòng)極板的高度和厚度。
根據(jù)式(2)和式(3)可知，當(dāng)空氣流體以速度u(x)吹向可動(dòng)極板時(shí)，可動(dòng)極板沿其長(zhǎng)度方向的撓度分布函數(shù)為：
此時(shí)，二極板間電容的變化由式(5)決定，即：
結(jié)合式(4)和式(5)，當(dāng)空氣流體以速度u(x)吹向可動(dòng)極板時(shí)，可動(dòng)極板和固定極板間的電容為：
由于可動(dòng)極板的尺寸較小，對(duì)于風(fēng)速測(cè)量而言，可認(rèn)為u(x)在微小區(qū)域內(nèi)為常量，可以得到風(fēng)速為u時(shí)可動(dòng)極板和固定極板間的電容，為：
傳感器尺寸的確定要考慮三個(gè)方面的因素，測(cè)量范圍、加工工藝的限制和檢測(cè)電路的要求。本文設(shè)計(jì)的傳感器測(cè)量范圍為0.8~10 m/s，兼顧另外二個(gè)限制因素，確定傳感器可動(dòng)極板的長(zhǎng)度為5000μm，高度為150μm，厚度為50μm，固定極板的長(zhǎng)度為5000μm，高度為170μm，厚度為50μm，可動(dòng)極板和玻璃襯底之間的間距為20μm，可動(dòng)極板和固定極板之間的間距為10μm，支撐體的長(zhǎng)度和寬度為1000μm，高度為170μm。
2.2 可動(dòng)極板的彎曲形變
可動(dòng)極板為一懸臂梁，其長(zhǎng)度同高度和厚度相比在尺寸上足夠大，并被支撐體充分支撐。因此，當(dāng)傳感器置于空氣流場(chǎng)中時(shí)，可動(dòng)極板有二個(gè)方向的撓度，一個(gè)是由于空氣流體的繞流阻力作用所產(chǎn)生的厚度方向上的撓度，另一個(gè)是由于可動(dòng)極板自身的重力所產(chǎn)生的高度方向的撓度。由式(4)可知，可動(dòng)極板由于繞流阻力而產(chǎn)生的厚度方向上的撓度為：
可動(dòng)極板自身的重力G為：
式中g(shù)為重力加速度，t為可動(dòng)極板的厚度。將可動(dòng)極板的重力作為其自由端所加載的集中力載荷，可動(dòng)極板由于重力而產(chǎn)生的高度方向的撓度為：
當(dāng)風(fēng)速為測(cè)量范圍上限10m/s時(shí)，根據(jù)式(8)可以計(jì)算出可動(dòng)極板由于繞流阻力而產(chǎn)生的厚度方向上的最大撓度為6.05μm，可以看出當(dāng)風(fēng)速為最大10 m/s時(shí)，可動(dòng)極板沿厚度方向的最大彎曲形變量小于可動(dòng)極板和固定極板的間距10μm，即可動(dòng)極板在最大風(fēng)速時(shí)不會(huì)因彎曲形變而和固定極板接觸。
根據(jù)式(10)可以計(jì)算出可動(dòng)極板由于自身重力而產(chǎn)生的高度方向上的最大撓度為0.016μm，遠(yuǎn)小于可動(dòng)極板和玻璃襯底之間的間距20μm，這說明可動(dòng)極板不會(huì)因自身重力而和玻璃襯底接觸。
2.3 輸出電容和風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系
圖2是傳感器的工作原理簡(jiǎn)圖。以正北方向?yàn)?°，可以將空氣流體的流向分為0°~90°、90°~180°、180°~270°和270°~360°4個(gè)象限，空氣流體在以風(fēng)向角θ在任何象限內(nèi)流動(dòng)時(shí)，都有2個(gè)正交的電容器來檢測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向，并且這2個(gè)正交電容器由于可動(dòng)極板受到繞流阻力作用而使極板間距變小，輸出電容值增大，另外2個(gè)正交電容器則由于可動(dòng)極板受到空氣流體剪切力作用而使極板間距變大，輸出電容值減小。風(fēng)向角θ在第一象限內(nèi)，C2和C3作為檢測(cè)電容器，第二象限內(nèi)C1和C2作為檢測(cè)電容器，第三象限內(nèi)C1和C4作為檢測(cè)電容器，第四象限內(nèi)C3和C4作為檢測(cè)電容器。
圖2可以看出，電容器C1和C3檢測(cè)的是南北方向的風(fēng)速，電容器C2和C4檢測(cè)的是東西方向的風(fēng)速。設(shè)南北方向的風(fēng)速值為uns，東西方向的風(fēng)速值為uew，則實(shí)際風(fēng)速為：
風(fēng)向角度值θ為：
式中N表示第N象限(N=1，2，3，4)，在檢測(cè)風(fēng)向時(shí)首先根據(jù)電容器C1、C2、C3和C4輸出電容值是增大或減小判斷N的值，即可根據(jù)式(12)求出風(fēng)向的角度，如當(dāng)C1和C2電容值增大時(shí)，則風(fēng)向角θ在第二象限，N的值為2。
圖3給出了風(fēng)向角為0°時(shí)，根據(jù)式(7)求出的電容器C3的輸出電容值和風(fēng)速的變化曲線，從圖中可以看出隨著風(fēng)速的增大，電容器C3的輸出電容值在增大，且和風(fēng)速近似成二次函數(shù)關(guān)系，從圖3可以看出電容的變化值在fF量級(jí)，滿足檢測(cè)電路要求。
因?yàn)橛煽諝饬黧w剪切力引起的電容器輸出電容值的減小量很小，即2個(gè)電容器作為檢測(cè)電容時(shí)，另外2個(gè)電容器的輸出電容值可用初始電容來代替，電容器的初始電容值為664.1×10-3pF。
圖4給出了風(fēng)速為5m/s時(shí)，風(fēng)向在0°~360°范圍內(nèi)變化時(shí)，電容器C1、C2、C3和C4輸出電容值隨風(fēng)向角度的變化曲線，從圖4中可以看出C1和C3輸出的電容值隨風(fēng)向角度的變化近似余弦函數(shù)關(guān)系，C2和C4輸出的電容值隨風(fēng)向近似成正弦函數(shù)關(guān)系。
3 工藝流程設(shè)計(jì)
首先對(duì)N型硅片進(jìn)行清洗，之后對(duì)硅片進(jìn)行氧化，在硅片表面生成一層二氧化硅薄層，作為腐蝕可動(dòng)極板和玻璃襯底間距的掩膜。接著在氧化后的硅片表面甩正性光刻膠，光刻后作為腐蝕二氧化硅的掩膜，氫氟酸緩沖液去除顯影后的二氧化硅犧牲層，留下形成極板間距的裸硅，發(fā)煙硝酸去除光刻膠，氫氧化鉀溶液各向異性腐蝕硅片，控制腐蝕時(shí)間形成可動(dòng)極板和玻璃襯底之間的間距，氫氟酸緩沖液去除其余部分的二氧化硅薄層。將清洗后的玻璃基片甩膠光刻，在其表面濺射一層金薄層，Lift-Off工藝形成引出電極和引線。將硅片和玻璃襯底鍵合，濕法減薄后，在硅片表面蒸鋁，作為反應(yīng)離子深刻蝕的掩膜。接著在蒸鋁后的硅片表面甩正性光刻膠，光刻后作為刻蝕鋁的掩膜，磷酸去除鋁犧牲層，去除光刻膠后，留下形成可動(dòng)極板、固定極板和支撐體結(jié)構(gòu)的鋁保護(hù)層，反應(yīng)離子深刻蝕后去除鋁保護(hù)層形成傳感器結(jié)構(gòu)。
4 結(jié)論
該風(fēng)向風(fēng)速自記儀的傳感器屬于非熱式微型測(cè)風(fēng)傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的單片測(cè)量，采用電容作為測(cè)量信號(hào)，功耗低，溫漂小、響應(yīng)快。介紹了傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了傳感器輸出電容、可動(dòng)極板的彎曲形變以及可動(dòng)極板2個(gè)方向的固有頻率，得出了可動(dòng)極板在厚度方向上比在高度方向較易彎曲形變的結(jié)論。從理論上計(jì)算了傳感器輸出電容和風(fēng)速風(fēng)向的變化關(guān)系，為傳感器設(shè)計(jì)了一套基于MEMS體硅工藝的制作流程。
