本發(fā)明涉及一種基于MEMS的海洋湍流傳感器，是基于MEMS感測原理來實現(xiàn)海洋湍流信號采集的。

背景技術：

海洋湍流是一種高度復雜的非穩(wěn)態(tài)、不規(guī)則流動體，海洋湍流混合過程是海洋大中尺度運動能量向小尺度級串并最終耗散的主要途徑，提升對海洋湍流的檢測能力，具有重要的理論和應用價值。目前湍流檢測主要使用剪切流傳感器，該類傳感器前端是由橡膠材料組成的翼型探針，探針體積相對較大，當作用在探針上的剪切力傳遞給壓電陶瓷片時，壓電陶瓷片會發(fā)生彎曲變形并產(chǎn)生電荷，測量精度不高，空間分辨率低，電荷數(shù)量與變形量呈近似線性關系，根據(jù)傳感器輸出的電荷信號確定與探針軸線垂直方向上的湍流大小，這種測量方式靈敏度差，響應速度慢。而且這種壓電式傳感器由于其材料本身屬性，長時間連續(xù)使用會產(chǎn)生較大誤差，耐疲勞性差，不適用于長期觀測海洋湍流數(shù)據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是如何克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于MEMS的海洋湍流傳感器。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術方案是：一種基于MEMS的海洋湍流傳感器，包括傳感單元和信號處理單元，所述傳感單元為壓阻式膜梁結(jié)構(gòu)，包括中央硅膜、敏感梁和支撐基，所述中央硅膜為薄片狀硅基材料，所述敏感梁的一端與中央硅膜連接，敏感梁另一端與支撐基內(nèi)側(cè)邊相連，所述敏感梁表面設有四個壓敏電阻R₁、R₂、R₃、R₄，四個壓敏電阻根據(jù)所在區(qū)域的應力分布規(guī)律對電阻進行布置，連接成一個惠斯通電橋，所述信號處理單元可自動處理信號并計算得到所需數(shù)據(jù)。

進一步地，所述中央硅膜在海流中受到力的作用可發(fā)生形變。

進一步地，所述壓敏電阻通過離子注入的方式形成于敏感梁表面。

進一步地，所述傳感單元可直接感測海流，中央硅膜對海流的力的作用產(chǎn)生響應后，信號處理單元把流速參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和湍流感測。

本發(fā)明的有益效果在于采用了基于壓阻式感測原理的MEMS梁膜結(jié)構(gòu)，在靈敏度增強的同時也提高了傳感器的響應速度；應用MEMS微型化設計制造工藝，減小了傳感器的核心部件尺寸，能夠大幅度提升傳感器的空間分辨率；相比于陶瓷等壓電材料，硅基具有高耐疲勞性，可滿足長時間觀測需求。傳感器可通過微型化模塊化搭載和集成，實現(xiàn)高精度和高靈敏度的海洋湍流檢測。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細說明，其中：

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是敏感梁2上的電阻布放圖。

具體實施方式

如圖1～3所示，一種基于MEMS的海洋湍流傳感器，包括傳感單元和信號處理單元，所述傳感單元為壓阻式膜梁結(jié)構(gòu)，包括中央硅膜1、敏感梁2和支撐基3，所述中央硅膜1為薄片狀硅基材料，所述敏感梁2的一端與中央硅膜1連接，敏感梁2另一端與支撐基3內(nèi)側(cè)邊相連，所述敏感梁2表面設有四個壓敏電阻R₁、R₂、R₃、R₄，四個壓敏電阻根據(jù)所在區(qū)域的應力分布規(guī)律進行布置，連接成一個惠斯通電橋，所述信號處理單元可自動處理信號并計算得到所需數(shù)據(jù)。所述中央硅膜1在海流中受到力的作用可發(fā)生形變。所述壓敏電阻通過離子注入的方式形成于敏感梁2表面。所述傳感單元可直接感測海流，中央硅膜1對海流的力的作用產(chǎn)生響應后，信號處理單元把流速參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和湍流感測。

本發(fā)明的測量原理是：在不受力狀態(tài)下電橋達到平衡狀態(tài)，輸出電壓U_o＝0；當傳感單元在海流中受到力的作用發(fā)生形變時，惠斯通電橋打破原有的平衡狀態(tài)，使得兩橋臂之間產(chǎn)生電位差輸出，水流沖擊使中央硅膜1的上表面和下表面產(chǎn)生壓力差并發(fā)生形變，使得敏感梁上的壓敏電阻出現(xiàn)ΔR的變化量。根據(jù)壓敏電阻的特性：

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=\mathrm{\π}F$

其中，π為壓阻系數(shù)，F(xiàn)為水流沖擊中央硅膜1的作用力。MEMS(微機電系統(tǒng))輸出的電壓為：

$U_o=U_i\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=U_i\mathrm{\π}F$

其中U_i是MEMS的供電電壓。根據(jù)伯努利方程可得海洋流場參數(shù)與電壓關系，并根據(jù)流場梯度變化計算湍流動能耗散率。

$U_o=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2+C$

圖3中,坐標為晶向指數(shù)，表示電阻布放方式。為精確獲取湍流流場應變引起的電阻變化，在敏感梁上布放惠斯通全橋電路。敏感梁上設有4個敏感電阻條分別沿圖示晶向布放，共同構(gòu)成一個惠斯通全橋電路。當敏感梁發(fā)生形變時，惠斯通電橋失衡從而產(chǎn)生差動電壓輸出。

本發(fā)明將MEMS工藝和前沿技術引入海洋湍流的觀測中，并對傳感器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，與傳統(tǒng)機械加工相比，基于微機械加工技術和微電子技術相結(jié)合的工藝技術即MEMS技術，提升了傳感器的精度和微型化程度。針對耗散尺度域內(nèi)微結(jié)構(gòu)湍流的精確測量和高頻脈動信號快速測量兩個技術挑戰(zhàn)，實現(xiàn)了傳感器的一體化設計。采用梁膜式結(jié)構(gòu)設計，易于實現(xiàn)傳感器的模塊化搭載和集成，實現(xiàn)了高靈敏度的剪切傳感測量，有利于對海洋湍流的觀測與研究。

上述實施例只是為了說明本發(fā)明的技術構(gòu)思及特點，其目的是在于讓本領域內(nèi)的普通技術人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡是根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的實質(zhì)所作出的等效的變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。