一种基于热敏电阻及热电堆的热式风速风向传感器及其工作方法

本发明涉及微电子机械系统(mems)的，尤其涉及一种基于热敏电阻及热电堆的热式风速风向传感器及其工作方法。

背景技术：

1、随着工农业发展，执行风速风向检测任务的传感器品类不断扩大，其中mems风速风向传感器具有传统的机械式、超声式、电容式等风速风向传感器不具备的小体积、低功耗、可批量生产等优点，受到了更加广泛的关注与研究。

2、热式的mems风速风向传感器通过测量流场引起的热场变化得到风速风向的信息，其测温结构简单，采用cmos、mems工艺制造，可与测控ic进行单片集成，进一步缩小体积。然而其测量精度的提高仍有赖于对结构进行创新。

3、工农业的不断发展不仅带动了风速风向检测需求的扩大，也对执行风速风向检测的传感器在体积、功耗、精度和批量生产等方面提出了更高要求。

4、然而现有的热式mems风速风向传感器多数仍采用pcb板级电路处理信号，不利于进一步缩小体积和批量生产。并且其测量风向时多采用量热模式，这种模式下传感芯片传感结构多为中心放置加热元件，四周正交方向排布测温电阻对或热电偶对的中心对称布局。这种布局精度不够。申请号为201711380409的专利公开了一种用于增加传感器精度的8边形热电堆结构的风速传感器，然而其传感结构相对复杂，占用面积较大，无法为测控ic的单片集成流下充足空间。

技术实现思路

1、本发明目的是针对微型化及提高精度的需求，提供一种基于热敏电阻与热电堆的热式风速风向传感器及其工作方法，其测量原理简单且容易实现，可靠性高。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方法如下：

3、本发明所述的一种基于热敏电阻与热电堆的热式风速风向传感器，包括硅衬底；在硅衬底上集成加热电阻、热电堆、热敏电阻，以及测控ic；所述加热电阻为正方形，位于硅衬底中心，加热电阻的四个边外侧都平行分布两个热敏电阻与一个热电堆，热电堆位于热敏电阻外侧；所述加热电阻的上下平行边两侧的热电堆串联为一个热电堆测温结构，加热电阻的左右平行边两侧的热电堆串联为一个热电堆测温结构，两个热电堆测温结构相互正交；上下四个热敏电阻构成一个惠斯通全桥测温结构，左右四个热敏电阻构成一个惠斯通全桥测温结构，这两个惠斯通全桥测温结构相互正交；测控ic位于衬底四角，呈中心对称分布；所述的加热电阻、热电堆、热敏电阻构成的测温结构与测控ic单片集成，采用cmos工艺实现，通过金属层引线互连。

4、进一步的，所述热电堆排布方向与硅衬底的边平行，热冷端位于热电堆排布方向的两侧；热电堆靠近衬底边缘。

5、进一步的，热电堆为方形。

6、本发明还公开了一种基于热敏电阻与热电堆的热式风速风向传感器的工作方法，包括以下步骤：

7、测控ic控制加热电阻功率，使加热电阻升温并高于环境温度；无风时，以加热电阻为中心产生一个均匀对称分布的热场；热电堆测温结构及热敏电阻惠斯通全桥测温结构测得温差为零，无信号输出；当流场发生变化，热场发生偏移，热电堆测温结构及热敏电阻惠斯通全桥测温结构所测方向产生温差，测控ic检测正交的热电堆测温结构和正交的惠斯通全桥测温结构两种结构输出的电信号并换算为相应方向的风速，将正交的两个热电堆测温结构测得的风速与正交的热敏电阻惠斯通全桥测温结构测得的风速分别进行矢量计算，得到两对风速、风向信息；由于加热电阻两平行侧边外的热电堆测温结构与热敏惠斯通全桥测温结构测得温差方向垂直，两结构覆盖面积、所处位置不同，若热电堆测温结构测得风速为v1,风向为θ1,热敏惠斯通全桥测温结构测得风速为v2，风向为θ2，取v＝(v1+v2)/2，θ＝(θ1+θ2)/2为最终测得的风速和风向。

8、本发明的一种基于热敏电阻与热电堆的热式风速风向传感器及其工作方法，具有以下优点：

9、本发明热电堆位于加热电阻外侧。正交的两组热电堆测得的电压信号、正交的两组热敏电阻构成的惠斯通全桥测温结构测得电压信号通过集成的测控ic进行矢量合并计算可分别得到两个风速风向，将其进行平均即可降低测量误差、提高精度。

10、本发明热敏电阻及热电堆均可测量风速风向，其中一个损坏并不影响另一个结构的测量，两者互为结构冗余，提高了传感器的可靠性。测温结构和测控ic单片集成，可缩小体积、降低功耗和制造成本。

技术特征：

1.一种基于热敏电阻及热电堆的热式风速风向传感器，其特征在于，包括硅衬底(1)；在硅衬底(1)上集成加热电阻(2)、热电堆(3)、热敏电阻(4)，以及测控ic(5)；所述加热电阻(2)为正方形，位于硅衬底(1)中心，加热电阻(2)的四个边外侧都平行分布两个热敏电阻(4)与一个热电堆(3)，热电堆(3)位于热敏电阻(4)外侧；所述加热电阻(2)的上下平行边两侧的热电堆(3)串联为一个热电堆测温结构，加热电阻(2)的左右平行边两侧的热电堆(3)串联为一个热电堆测温结构，两个热电堆测温结构相互正交；上下四个热敏电阻构成一个惠斯通全桥测温结构，左右四个热敏电阻构成一个惠斯通全桥测温结构，这两个惠斯通全桥测温结构相互正交；测控ic(5)位于衬底四角，呈中心对称分布；所述的加热电阻(2)、热电堆(3)、热敏电阻(4)构成的测温结构与测控ic(5)单片集成，采用cmos工艺实现，通过金属层引线互连。

2.根据权利要求1所述的基于热敏电阻与热电堆的热式风速风向传感器，其特征在于，所述热电堆(3)排布方向与硅衬底(1)的边平行，热冷端位于热电堆(3)排布方向的两侧；热电堆(3)靠近衬底边缘。

3.根据权利要求1所述的基于热敏电阻与热电堆的热式风速风向传感器，其特征在于，热电堆(3)为方形。

4.一种用于权利要求1所述的基于热敏电阻与热电堆的热式风速风向传感器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于热敏电阻及热电堆的热式风速风向传感器及其工作方法，该传感器结构包括热敏电阻、热电堆、加热电阻、硅衬底、测控IC。所述加热电阻为方形，位于衬底中心。加热电阻四侧分布与其侧边平行的两个热敏电阻及一个热电堆。平行的四个热敏电阻相连接构成一个惠斯通全桥测温结构，平行的两个热电堆相连接构成一个热电堆测温结构。测控IC分布于衬底四角，与加热电阻、热电堆、热敏电阻构成的测温结构相连，用于驱动检测结构并处理其输出信号。本发明采用CMOS工艺，热敏电阻及热电堆结构互为冗余，可提高风速风向检测精度。

技术研发人员：易真翔,段思存,秦明,黄庆安
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5