[發明專利]基于柔性電感-硅基電感結構的風速傳感器

有效

• 申請號: 201811423034.6
• 申請日: 2018-11-27
• 公開（公告）號: CN109580981B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 易真翔;萬煜;鄧文俊;王立峰
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P5/08
• 分類號: G01P5/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 熊玉瑋

本發明公開了基于柔性電感?硅基電感結構的風速傳感器，涉及MEMS器件，屬于測量測試的技術領域。該風速傳感器為柔性電感和硅基電感組成的雙層電感結構，所述柔性電感的金屬層與硅基電感的金屬層面對面且二者之間留有足夠互感電動勢的空氣腔，硅基電感金屬層中淀積有構成測定端口的接觸塊，結構輕便，響應速度快，利用伯努利效應及線圈互感效應實現風速檢測，電感自身熱損耗小，降低了傳感器功率。

技術領域

本發明公開了基于柔性電感-硅基電感結構的風速傳感器，涉及MEMS器件，屬于測量測試的技術領域。

背景技術

與人們的生活息息相關的風速測量廣泛應用在工業建設、農業生產、航天航空、交通旅游、氣象預報以及環境保護等領域。很早之前，風速的測量主要采用機械式風杯和風向標來實現，近些年來，又出現了基于超聲原理和多普勒原理的風速傳感器，但總的來說，這些風速傳感器由于體積龐大、成本高而無法滿足物聯網技術中的小型化、低功耗等應用需求。

尼爾·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”，這是在流體力學的連續介質理論方程建立之前水力學所采用的基本原理，其實質是流體的機械能守恒，即：動能+重力勢能+壓力勢能=常數。伯努利原理往往被表述為p + 1/2ρv² + ρgh = C，這個式子被稱為伯努利方程，式中，p為流體中某點的壓強，v為流體在該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。根據伯努利原理，我們可以得到一個重要的推論：等高流動時，流速越大，壓力越小。

互感現象在電路中廣泛應用，能量或信號可以由一個線圈傳遞到另外一個線圈。互感的基本原理是磁的耦合，如果有兩只線圈互相靠近，第一個線圈中電流所產生的磁通有一部分與第二個線圈相環鏈，第一個線圈中的電流變化會導致其與第二個線圈環鏈的磁通變化，在第二個線圈中產生感應電動勢。互感系數的大小取決于兩個線圈的幾何形狀、大小、相對位置、各自的匝數以及它們周圍介質的磁導率。

本申請旨在利用伯努利效應及線圈互感效應實現結構輕便、損耗小的風速傳感器。

發明內容

本發明的發明目的是針對上述背景技術的不足，提供了基于柔性電感-硅基電感結構的風速傳感器，實現了基于伯努利效應及線圈互感原理的風速測量，解決了現有風速傳感器由于體積龐大、成本高無法滿足物聯網技術中小型化、低功耗等應用需求的技術問題。

本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案：

基于柔性電感-硅基電感結構的風速傳感器，包括上層柔性電感和下層硅基電感，柔性電感由PET襯底及位于PET襯底下表面的螺旋線圈組成，硅基電感由硅襯底及位于襯底上表面的螺旋線圈、螺旋線圈兩端的接觸塊組成，上層柔性電感和下層硅基電感之間留有氣隙，硅襯底上表面的接觸塊構成測定端口。

無風時，柔性電感和硅基電感相互平行，兩者互感一定，硅基電感的中心頻率點不變；有風時，由于伯努利效應，柔性電感-硅基電感雙層結構之間形成的空氣腔內的壓強小于外界壓強，柔性電感向下彎曲，彎曲程度隨風速加大而加強，使得柔性電感與硅基電感間的互感改變，導致硅基電感的中心頻率點發生改變。

上述速度傳感器的檢測方法為：通過測定硅基電感測定端口的輸入回波損耗（S₁₁）曲線得到中心頻率點，即可轉換得到對應的風速值，實現風速的測量。

本申請公開的風速傳感器還可以通過上層硅基電感和下層柔性電感組成的雙層電感結構實現，其工作原理及檢測方法均與上層柔性電感和下層硅基電感的雙電感結構相同。

本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果：

（1）本發明通過包含柔性電感的雙層電感結構實現了風速傳感器，將具有形變即時性特點的柔性電感應用于風速傳感器，能夠使得整個風速傳感器結構輕便，響應速度快。

（2）利用伯努利效應及線圈互感效應實現風速檢測，電感自身熱損耗小，降低了傳感器功率。