一种高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片，传感器包括：玻璃衬底，玻璃衬底上开设有多个玻璃通孔，玻璃通孔内设置有导热金属；测温组件，设置在玻璃衬底上表面且位于玻璃通孔顶部，用于检测电阻的变化；加热组件，设置在玻璃通孔底部，用于产生测量基准温度；以及互连组件，设置在互连组件两侧，导出测温组件的电信号。本发明专利技术的有益效果在于，本发明专利技术采用双面布局的形式，玻璃衬底上表面分布有检测单元测温，下表面设置有加热电阻加热，加热电阻发出的热量能够以最短的距离传导至石墨烯测温单元处，减少了单面布局的传感器热量由衬底表面传导至衬底背面的时间，因此能够大幅度的提高测风的精度、灵敏度以及响应速率。灵敏度以及响应速率。灵敏度以及响应速率。
【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片
[0001]本专利技术涉及流体测量
，具体涉及一种高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片。
技术介绍
[0002]人类生活水平的提高，促进了科学技术的不断发展。现如今，在日常生活中，对于气象、环境的监测要求日益增大。并且，面向军事领域的风速风向测量需求，MEMS风速风向传感器研发是我国目前未解决好的难题。尤其对于长时间恶劣环境下的测量是目前面临的重要问题之一。
[0003]无论是冷兵器、热兵器还是核武器和高技术武器，其作战性能无不例外地受到天气和气候的影响。据中国中央气象台消息，军事气象专家解释说，气象条件对战争有着直接的影响。气象条件对炮兵活动的影响主要是对火炮射击的影响。弹丸在空气中飞行，时刻都受到气象条件的影响，由于气象条件的变化，直接影响到弹丸命中目标的准确率。炮弹在空中飞行时受到空气阻力的影响。空气阻力的大小，不但决定于弹丸本身的形状和飞行方式，而且还受到风等气象条件的影响，因此地炮射击时，必须修正风引起炮弹命中目标的偏差。风能改变炮弹在大气中相对运动的速度和方向。纵风(平行于射向的风)能使弹着点偏远或偏近。顺风时，阻力减小，易产生远弹；逆风时，阻力增大，易产生近弹。横风(垂直于射向的风)能使弹着点偏左或偏右。当风从斜方向吹来时，按向量关系，分解成纵风和横风来考虑其影响。弹头飞行过程中也会受风的影响。纵风影响弹道的高低、炸点的高度和水平距离的远近。逆风时，炸点的位置就较低，距离偏近；顺风则相反。以100毫米的高炮为例，若无风时，炸点的高度为8000米，水平距离1000米，当整层空气有10米/秒的逆风时，据计算炸点可降低24米，水平距离可缩短140米。横风主要是使弹道偏离射面。
[0004]仍以上例，如有10米/秒的向右(左)吹的横风，可使炸点的位置向右(左)偏离约114米。因此，高炮射击时必须修正风的偏差量。通常，部队气象的勤务人员会对当时当地的风速风向进行精确的测量，然后根据风随高度的一种假定分布计算风的分布并对设计参数进行相应的修正，然后对射击诸元进行相应的调整。
[0005]现代战争与传统战争相比，远程精确打击是一个重要特征。对现代火炮而言精确准备射击诸元是实现这种要求的前提条件，而现代高科技则为满足或实现这种目标提供了广阔的发展空间。对远程间接瞄准的火炮来说，随着全球定位系统和各种现代侦察手段的装备和应用，确定地方炮位可以达到精确的水平，而另一方面，装备的现代火控计算机，已经足以在作战现场实现快速解算弹道(2～3秒)。在传统作战条件下，火炮通过试射来修正射击诸元，达到校正弹着点的目的。因此，风等外弹道参量对弹丸射程及精度的影响，即使不太准确，也可通过现场试射修正来弥补。而现代战争要求火炮系统对目标能实施有效的打击,具有较高的首群覆盖或首发命中率，首发炮弹的命中率已经是决定战争胜败、己方存亡的关键性因素。在炮兵阵地上一般采用风杯风速风向传感器(风杯风速风向仪)，该传感器由于采用机械传动结构，具有可动部件，长期使用会发生机械磨损，精度会受到影响，读
数不便，且由于机械惯性作用使其无法扑捉瞬时风速的微小变化，测量时误差较大，分辨率低。显然，传统的风速风向传感器是不能满足精确测量要求的。风速风向的现场实时精确测定，已成为迫在眉睫的任务。
[0006]基于石墨烯材料的温敏特性，具有快速有效感知瞬时风的变化，可以广泛应用于精确实时测量风速风向的需求。本项目主要针对石墨烯风速风向传感器进行研究，这对于突破高精度、高灵敏度、高分辨率风速风向传感器研究壁垒，实现关键技术自主化，提高武器性能和装备可靠性将会起到重大作用。
技术实现思路
[0007]为了有效解决上述
技术介绍
问题的不足，利用石墨烯材料代替金属材料和其它半导体材料，设计了一种高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片。将石墨烯温敏元件置于感风区，衬底下表面的加热电阻产生的热量通过传热的方式传导到衬底的表面，使得衬底表面测温元件处温度保持一致，被加热的石墨烯材料受电声子耦合的影响，电阻率随之改变，电阻也改变，当风吹过传感器衬底时带走一部分热量，使得石墨烯的电阻再次变化，最后通过外部检测电路检测石墨烯薄膜电导率的变化来实现对温度的测量。
[0008]一种高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片，可以在风速0-30m/s的环境下正常工作，所述传感器包括：
[0009]玻璃衬底，所述玻璃衬底上开设有多个玻璃通孔，所述玻璃通孔内设置有导热金属；
[0010]测温组件，设置在所述玻璃衬底上表面且位于玻璃通孔顶部，用于检测电阻的变化；
[0011]加热组件，设置在所述玻璃通孔底部，用于产生测量基准温度；
[0012]以及互连组件，设置在互连组件两侧，导出测温组件的电信号。
[0013]可选地，所述测温组件包括：石墨烯测温单元和第一金属电极，所述第一金属电极分别设置在所述石墨烯测温单元两端并与石墨烯测温单元通过布线连接。
[0014]可选地，所述石墨烯测温单元为温敏纳米薄膜，所述石墨烯测温单元包括：石墨烯薄膜层、分别设置在石墨烯薄膜层上下的氮化硼薄膜层和内部互连电极，所述内部互连电极分别包覆所述石墨烯薄膜层外露的两端，所述内部互连电极通过布线与位于石墨烯测温单元两侧的第一金属电极连接。
[0015]可选地，多个所述玻璃通孔呈环形阵列设置，多组所述测温组件呈环形对称设置。
[0016]可选地，所述玻璃衬底上开设有个玻璃通孔，每个玻璃通孔上均设置测温组件，组测温组件的石墨烯测温单元呈中心对称并环向均匀分布，相邻石墨烯测温单元夹角为45
°
。
[0017]可选地，所述加热组件包括：加热电阻和第二金属电极，所述加热电阻设置在所述玻璃衬底的下表面并位于所述玻璃通孔底部，所述加热电阻两端分别与所述第二金属电极连接。
[0018]可选地，所述互连组件包括：互连焊盘，引线柱和外部互连电极，所述互连焊盘设置在所述玻璃衬底上表面并与相邻的第一金属电极相连，所述外部互连电极设置在所述玻璃衬底底部，所述引线柱穿设在所述玻璃衬底内，所述引线柱两端分别连接互连焊盘与外部互连电极，通过外部互连电极与外界电路相连传出信号。
[0019]可选地，所述玻璃通孔包括单孔结构或多孔结构。
[0020]可选地，所述高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片还包括氮化硅保护层，所述氮化硅保护层分别覆盖在所述玻璃衬底的上下表面，并分别将所述测温组件和加热组件覆盖在所述玻璃衬底的上、下表面。
[0021]可选地，所述高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片还包括阻挡层，所述阻挡层设置在所述内部互连电极与玻璃衬底之间。
[0022]本专利技术的有益效果在于，本专利技术采用双面布局的形式，玻璃衬底上表面分布有检测单元测温，下表面设置有加热电阻加热，加热电阻发出的热量能够以最短的距离传导至所述石墨烯测温单元处，减少了单面布局的传感器热量由衬底表面传导至衬底背面的时间，因此能够大幅度的提高测风的精度、灵敏度以及响应速率，并且由于所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片，可以在风速0-30m/s的环境下正常工作，其特征在于，所述传感器包括：玻璃衬底(16)，所述玻璃衬底(16)上开设有多个玻璃通孔，所述玻璃通孔内设置有导热金属(11)；测温组件，设置在所述玻璃衬底(16)上表面且位于玻璃通孔顶部，用于检测电阻的变化；加热组件，设置在所述玻璃通孔底部，用于产生测量基准温度；以及互连组件，设置在互连组件两侧，导出测温组件的电信号。2.根据权利要求1所述的高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片，其特征在于，所述测温组件包括：石墨烯测温单元(4)和第一金属电极(2、5)，所述第一金属电极(2、5)分别设置在所述石墨烯测温单元(4)两端并与石墨烯测温单元(4)通过布线连接。3.根据权利要求2所述的高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片，其特征在于，所述石墨烯测温单元(4)为温敏纳米薄膜，所述石墨烯测温单元(4)包括：石墨烯薄膜层(19)、分别设置在石墨烯薄膜层(19)上下的氮化硼薄膜层(17)和内部互连电极(18)，所述内部互连电极(18)分别包覆所述石墨烯薄膜层(19)外露的两端，所述内部互连电极(18)通过布线与位于石墨烯测温单元(4)两侧的第一金属电极(2、5)连接。4.根据权利要求1所述的高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片，其特征在于，多个所述玻璃通孔呈环形阵列设置，多组所述测温组件呈环形对称设置。5.根据权利要求4所述的高灵敏度MEMS石墨烯风速风向传感器芯片，其特征在于，所述玻璃衬底(16)上开设有(8)个玻璃通孔，每个玻璃通孔上均设置测温组件，(8)组测温组件的石墨烯测温单元(4)呈中心对称并环向均匀分布，相邻石墨烯测温单元(4)夹角为45<...
【专利技术属性】
技术研发人员：王俊强，李孟委，高经武，刘佳政，
申请(专利权)人：中北大学南通智能光机电研究院，
类型：发明
国别省市：
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