风向风速记录仪，其关键部件就是传感器的设计，所以关于风向风速记录仪的研究，其核心也是关于其感应风向和风速的传感器的研究，下面我们一起看下一种新型的传感器的研发过程。

风速和风向参数是气象观测的基本要素。基于MEMS的微型测风传感器具有体积小、重量轻、成本低和灵敏度高等优点，可以满足航空航天、航海和环境气象信息探测等领域对传感器的迫切需求。微型测风传感器的研制主要集中在热式原理上，热式微型测风传感器具有测量简单、工艺易控制、应用广泛、可实现风速风向的单片测量等优点，缺点是功耗大、衬底的热传导会导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长、高风速测量不稳定。非热式微型测风传感器是把风速信息转化为拖动力、升力、压差、振动、粘滞力等信息，再检测由此带来的形变信息来检测风速，通过传感器的二次封装来实现风向的测量，非热式微型测风传感器具有功率小，热损耗低等特点，主要缺点是难以实现风速风向的单片测量。

本文设计了一种基于MEMS的新型风速风向传感器，该传感器属于非热式微型测风传感器，可用于小量程风速测量，具有结构简单、可同时测量风速和风向等特点。

1　传感器结构和工作原理

传感器包含4个相互正交的电容器，每个电容器由可动极板、固定极板、支撑体和引出电极构成。可动极板、固定极板和支撑体为MEMS体硅工艺制作的微结构，可动极板和固定极板构成电容器的2个电极，可动极板悬空设置在玻璃衬底上表面，是被风吹动的敏感结构。支撑体和固定极板固置在玻璃衬底的上表面，支撑体为可动极板提供固定支撑并和引出电极电连接，玻璃衬底作为整个传感器的支撑结构。

当传感器置于空气流场中时，可动极板形成一个阻流体，空气流体的流动会在阻流体上产生压力，压力的大小取决于风速的大小和方向。可动极板沿着压力的方向会产生弯曲和形变，弯曲和形变的程度取决于压力的大小，可动极板的弯曲和形变引起电容器极板间距的变化，从而引起传感器输出电容的变化。当空气流体以一定的风向吹过传感器时，其风速可以分解为南北和东西2个方向的风速，通过测量电容器输出电容的值，可以得到南北方向和东西方向的风速，将2个方向上的风速合成，就可以得到实际的风速和风向。

2　理论分析和计算

2.1　传感器的输出电容

考虑到可动极板和固定极板构成的是平行板电容器，在忽略边缘效应时，平行板电容器的电容为：

式中，C为平行板电容器的电容，S为可动极板和固定极板的相对面积，d0是风速为零时可动极板和固定极板的间距，ε为二极板间介质的介电常数，这里极板间的介质为空气。

根据流体力学原理，流体绕经物体时，其作用在物体上的压力可用绕流阻力来计算，根据流体力学的绕流阻力公式，有：

     式中：F(x)为绕流阻力沿可动极板长度方向的分布函数，CD是绕流阻力因数，和雷诺数以及阻流体的形状有关；ρ是空气的密度；u(x)为风速沿可动极板长度方向的分布函数，h为可动极板的高度。
可动极板为一悬臂梁，设w(x)为可动极板沿其长度方向上的挠度分布函数，可动极板在受到沿其长度方向分布的绕流阻力F(x)时，根据弹性力学中悬臂梁的挠度公式，则：

      式中L为可动极板的长度，E为可动极板材料的杨氏模量，J为可动极板的截面惯性矩，其大小取决于可动极板的高度和厚度。

     根据式(2)和式(3)可知，当空气流体以速度u(x)吹向可动极板时，可动极板沿其长度方向的挠度分布函数为：

    此时，二极板间电容的变化由式(5)决定，即：

     结合式(4)和式(5)，当空气流体以速度u(x)吹向可动极板时，可动极板和固定极板间的电容为：
由于可动极板的尺寸较小，对于风速测量而言，可认为u(x)在微小区域内为常量，可以得到风速为u时可动极板和固定极板间的电容，为：

     传感器尺寸的确定要考虑三个方面的因素，测量范围、加工工艺的限制和检测电路的要求。本文设计的传感器测量范围为0.8~10 m/s，兼顾另外二个限制因素，确定传感器可动极板的长度为5000μm，高度为150μm，厚度为50μm，固定极板的长度为5000μm，高度为170μm，厚度为50μm，可动极板和玻璃衬底之间的间距为20μm，可动极板和固定极板之间的间距为10μm，支撑体的长度和宽度为1000μm，高度为170μm。

2.2　可动极板的弯曲形变

可动极板为一悬臂梁，其长度同高度和厚度相比在尺寸上足够大，并被支撑体充分支撑。因此，当传感器置于空气流场中时，可动极板有二个方向的挠度，一个是由于空气流体的绕流阻力作用所产生的厚度方向上的挠度，另一个是由于可动极板自身的重力所产生的高度方向的挠度。由式(4)可知，可动极板由于绕流阻力而产生的厚度方向上的挠度为：

     可动极板自身的重力G为：

     式中g为重力加速度，t为可动极板的厚度。将可动极板的重力作为其自由端所加载的集中力载荷，可动极板由于重力而产生的高度方向的挠度为：

当风速为测量范围上限10m/s时，根据式(8)可以计算出可动极板由于绕流阻力而产生的厚度方向上的最大挠度为6.05μm，可以看出当风速为最大10 m/s时，可动极板沿厚度方向的最大弯曲形变量小于可动极板和固定极板的间距10μm，即可动极板在最大风速时不会因弯曲形变而和固定极板接触。

根据式(10)可以计算出可动极板由于自身重力而产生的高度方向上的最大挠度为0.016μm，远小于可动极板和玻璃衬底之间的间距20μm，这说明可动极板不会因自身重力而和玻璃衬底接触。

2.3　输出电容和风速风向的关系

图2是传感器的工作原理简图。以正北方向为0°，可以将空气流体的流向分为0°~90°、90°~180°、180°~270°和270°~360°4个象限，空气流体在以风向角θ在任何象限内流动时，都有2个正交的电容器来检测风速和风向，并且这2个正交电容器由于可动极板受到绕流阻力作用而使极板间距变小，输出电容值增大，另外2个正交电容器则由于可动极板受到空气流体剪切力作用而使极板间距变大，输出电容值减小。风向角θ在第一象限内，C2和C3作为检测电容器，第二象限内C1和C2作为检测电容器，第三象限内C1和C4作为检测电容器，第四象限内C3和C4作为检测电容器。

图2可以看出，电容器C1和C3检测的是南北方向的风速，电容器C2和C4检测的是东西方向的风速。设南北方向的风速值为uns，东西方向的风速值为uew，则实际风速为：

      风向角度值θ为：

      式中N表示第N象限(N=1，2，3，4)，在检测风向时首先根据电容器C1、C2、C3和C4输出电容值是增大或减小判断N的值，即可根据式(12)求出风向的角度，如当C1和C2电容值增大时，则风向角θ在第二象限，N的值为2。

图3给出了风向角为0°时，根据式(7)求出的电容器C3的输出电容值和风速的变化曲线，从图中可以看出随着风速的增大，电容器C3的输出电容值在增大，且和风速近似成二次函数关系，从图3可以看出电容的变化值在fF量级，满足检测电路要求。

因为由空气流体剪切力引起的电容器输出电容值的减小量很小，即2个电容器作为检测电容时，另外2个电容器的输出电容值可用初始电容来代替，电容器的初始电容值为664.1×10-3pF。

图4给出了风速为5m/s时，风向在0°~360°范围内变化时，电容器C1、C2、C3和C4输出电容值随风向角度的变化曲线，从图4中可以看出C1和C3输出的电容值随风向角度的变化近似余弦函数关系，C2和C4输出的电容值随风向近似成正弦函数关系。

3　工艺流程设计

首先对N型硅片进行清洗，之后对硅片进行氧化，在硅片表面生成一层二氧化硅薄层，作为腐蚀可动极板和玻璃衬底间距的掩膜。接着在氧化后的硅片表面甩正性光刻胶，光刻后作为腐蚀二氧化硅的掩膜，氢氟酸缓冲液去除显影后的二氧化硅牺牲层，留下形成极板间距的裸硅，发烟硝酸去除光刻胶，氢氧化钾溶液各向异性腐蚀硅片，控制腐蚀时间形成可动极板和玻璃衬底之间的间距，氢氟酸缓冲液去除其余部分的二氧化硅薄层。将清洗后的玻璃基片甩胶光刻，在其表面溅射一层金薄层，Lift-Off工艺形成引出电极和引线。将硅片和玻璃衬底键合，湿法减薄后，在硅片表面蒸铝，作为反应离子深刻蚀的掩膜。接着在蒸铝后的硅片表面甩正性光刻胶，光刻后作为刻蚀铝的掩膜，磷酸去除铝牺牲层，去除光刻胶后，留下形成可动极板、固定极板和支撑体结构的铝保护层，反应离子深刻蚀后去除铝保护层形成传感器结构。

4　结论

该风向风速自记仪的传感器属于非热式微型测风传感器，结构简单，能实现风速风向的单片测量，采用电容作为测量信号，功耗低，温漂小、响应快。介绍了传感器的结构和工作原理，分析了传感器输出电容、可动极板的弯曲形变以及可动极板2个方向的固有频率，得出了可动极板在厚度方向上比在高度方向较易弯曲形变的结论。从理论上计算了传感器输出电容和风速风向的变化关系，为传感器设计了一套基于MEMS体硅工艺的制作流程。