CN101349708A - 微机械二维风速风向传感器及其信号处理电路 - Google Patents

Abstract

二维风速风向传感器及其信号处理电路涉及一种基于微机械(MEMS)剥离工艺的二维热膜风速风向传感器，以及恒温差控制和热温差测量电路。该传感器中央的芯片温度测量电阻Rs，和参考电阻Rr连接成惠斯通电桥形式，然后进行差分放大，最后利用电压/电流转换元件对加热电阻Rh进行驱动，利用电学和热学负反馈实现传感器的恒温差控制。8个对称分布且阻值一致的测温电阻分为两组组成惠斯通全桥电路测量X和Y方向风速。电桥输出通过放大后，经多路选择器Mux和A/D转换器转成数字量进入MCU，并通过计算可以得到风速和风向值，最后实现LCD显示和数字输出。该传感器具有工艺简单可靠，灵敏度高，低功耗，响应时间快等优点。

Description

微机械二维风速风向传感器及其信号处理电路

技术领域

本发明涉及一种基于微机械(MEMS)剥离工艺的二维热膜风速风向传感器，恒温差控制和测量电路。

背景技术

风速、风向是气象测量中非常重要的组成部分。众所周知，利用机械加工的风杯和风向标虽然也能测量风速和风向，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积较大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。基于MEMS加工技术的微型流速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来流体传感器研究的热点。Van Putten(人名)在1974年提出了第一个基于硅微加工技术的热线式流量传感器。为了同时测量风速和风向信息，Honeywell(公司名)等提出了基于热温差原理的热流量传感器。Huijsing(人名)等人提出了正方形加热条结构的风速传感器，其采用热电堆测量温差，可以测量二维的风速和风向。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种微机械二维风速风向传感器及其信号处理电路，本发明利采用低热导率，低热容的玻璃衬底，用两次金属剥离工艺就可以完成传感器的加工，工艺步骤简单可靠，而大大提高了灵敏度，减小了功耗和响应时间。

技术方案：本发明的微机械二维风速风向传感器包括衬底、加热电阻、芯片温度测量电阻、8个热温差测量电阻、压焊块；位于传感器芯片中央的芯片温度测量电阻和加热电阻完全对称且紧密缠绕，用于芯片温度表征；位于传感器芯片四周的8个对称分布的热温差测量电阻的电阻值完全一致，压焊块分别与加热电阻、芯片温度测量电阻、8个热温差测量电阻相连接。

所述8个热温差测量电阻分为两组：其中第一热温差测量电阻、第二热温差测量电阻、第三热温差测量电阻、第四热温差测量电阻组成一组全桥电路，测量X方向的风速；第五热温差测量电阻、第六热温差测量电阻、第七热温差测量电阻、第八热温差测量电阻组成一组全桥电路，测量Y方向的风速。所述压焊块在传感器芯片周围对称分布，对加热电阻、芯片温度测量电阻和8个热温差测量电阻分别引出。

所述8个热温差测量电阻通过版图设计使得其电阻值完全一致。

所述衬底采用玻璃、陶瓷或其它低热导率的材料。

所述加热电阻，芯片温度测量电阻，和8个热温差测量电阻采用剥离工艺制作的铂、镍或其它高温度系数的金属电阻制成。

微机械二维风速风向传感器的信号处理电路包括：恒温差控制电路、信号检测电路，

恒温差控制电路包括位于传感器芯片中央的加热电阻与芯片温度测量电阻和位于传感器芯片外的参考电阻连接成的惠斯通电桥，用于产生差分信号，并将其传输给差分放大器，差分放大器用于差分放大，并将放大后的信号传输给电压/电流转换元件，电压/电流转换元件产生驱动信号对加热电阻进行驱动，利用电学和热学负反馈实现对传感器的恒温差控制；

信号检测电路包括位于传感器芯片四周的8个对称分布的热温差测量电阻阻值完全一致，并分为两组组成惠斯通全桥电路并进行差分放大，然后通过多路选择器AMux和A/D转换器转成数字量进入MCU，并通过计算得到风速和风向值，实现LCD显示和数字输出。

有益效果：为了提高热式风速传感器的灵敏度，需要利用标准IC工艺和MEMS后处理的方法形成隔热薄膜。本发明利采用了低热导率，低热容的玻璃衬底，用两次金属剥离工艺就可以完成传感器的加工，工艺步骤简单可靠，而大大提高了灵敏度，减小了功耗和响应时间。此外，本专利提出的风速传感器结构高度对称，避免了结构设计不对称引起的误差。

与传统的热丝风速计恒温差控制电路相比，本发明通过测温模块和加热模块分开设计，提出在芯片中央设计一个与加热电阻Rh相互缠绕并完全对称的芯片测温电阻Rs，从而可以降低驱动电压和整体功耗。

在本发明中提出的风速传感器中设计了离加热条距离不同的两组热温差测量电阻并组成全桥电路，这不但可以使得电阻匹配性更佳，而且使得传感器整体的灵敏度和量程得到最大优化。

附图说明

图1是本发明提出的风速传感器结构示意图，图中有：加热电阻Rh，芯片温度测量电阻Rs，第一热温差测量电阻R11、第二热温差测量电阻R12、第三热温差测量电阻R31、第四热温差测量电阻R32、第五热温差测量电阻R21、第六热温差测量电阻R22、第七热温差测量电阻R41、第八热温差测量电阻R42。

各引脚与热温差测量电阻对应关系为：

引脚1和16之间的电阻为Rs；

引脚6和11之间的电阻为Rh；

引脚18和19之间的电阻为R11；

引脚17和20之间的电阻为R12；

引脚3和4之间的电阻为R21；

引脚2和5之间的电阻为R22；

引脚8和9之间的电阻为R31；

引脚7和10之间的电阻为R32；

引脚13和14之间的电阻为R41；

引脚12和15之间的电阻为R42；

图2是本发明提出的恒温差控制电路示意图，图中有：加热电阻Rh，芯片温度测量电阻Rs，参考电阻Rr，惠斯通电桥电阻R1和R2，运算放大器A1，电压/电流转换器G。

图3是测温电阻与加热电阻距离变化时，芯片内部的热温差与风速之间的关系。横坐标为风速，纵坐标为芯片内部的热温差。

图4是芯片热温差测量电阻组成的全桥电路，放大及MCU处理电路。图中有：运算放大器A2和A3，多路选择器AMUX，模数转换器ADC，单片机MCU以及LCD显示和数字输出模块。

具体实施方式

本发明提出的二维风速风向传感器采用恒温差工作方式，利用热温差原理测量风速和风向。为了减小热膜风速传感器的衬底热传导，提高传感器的灵敏度，芯片采用低热导率的玻璃衬底。同时，采用物理特性稳定的铂作为加热和测温元件，其可以通过剥离工艺进行加工。为了便于压焊和引线，在焊盘处淀积一层金。

本发明的微机械二维风速风向传感器包括加热电阻，芯片温度测量电阻，8个热温差测量电阻和压焊块；芯片中央的芯片温度测量电阻和加热电阻完全对称且紧密缠绕，用于芯片温度表征；加热电阻四周为8个对称分布的热温差测量电阻，通过版图设计可以使得其电阻完全一致；这8个热温差测量电阻分为两组：其中第一热温差测量电阻、第二热温差测量电阻、第三热温差测量电阻、第四热温差测量电阻为一组组成全桥电路，测量X方向的风速；第五热温差测量电阻、第六热温差测量电阻、第七热温差测量电阻、第八热温差测量电阻为一组组成全桥电路，测量Y方向的风速；在传感器芯片周围对称分布的20个压焊块，对加热电阻、芯片温度测量电阻和8个热温差测量电阻分别引出。

在芯片中央设计的加热电阻与芯片温度测量电阻和参考电阻连接成惠斯通电桥形式，然后进行差分放大，最后利用电压/电流转换元件对加热电阻进行驱动，利用电学和热学负反馈实现传感器的恒温差控制；8个热温差测量电阻对称分布，阻值完全一致，并分为两组组成惠斯通全桥电路分别测量X和Y方向的风速，然后通过多路选择器AMux和A/D转换器转成数字量进入MCU，并通过计算得到风速和风向值，实现LCD显示和数字输出。

本发明提出的二维风速风向传感器包括加热电阻，芯片温度测量电阻，热温差测量电阻和压焊块(图1)。芯片中央的加热电阻Rh和芯片温度测量电阻Rs完全对称并紧密缠绕，两者的温度可以视为一致的。本发明提出的恒温差控制电路(图2)利用Rs测量芯片温度，然后连接成惠斯通电桥形式有运算放大器A1进行差分放大，最后利用电压/电流转换元件G对加热电阻Rh进行驱动。当风速增大时，芯片温度下降，考虑到Pt电阻为正温度系数，Rs上的电压会减小，从而使得放大器输出电压增大，通过电压/电流转换，Rh上的电流和加热功率增大，从而保持芯片温度高于环境温度一个设定值，形成整个的电学与热学反馈，即实现传感器的恒温差控制。

芯片四周为8个对称分布的测温电阻，通过版图设计可以使得其电阻完全一致。这8个测温电阻分为两组：第一热温差测量电阻R11、第二热温差测量电阻R12、第三热温差测量电阻R31、第四热温差测量电阻R32为一组，测量X方向的风速；第五热温差测量电阻R21、第六热温差测量电阻R22、第七热温差测量电阻R41、第八热温差测量电阻R42为一组测量Y方向的风速。同时，由于温差测量电阻距离中央加热条的距离不一样，热温差原理测量风速具有不同的灵敏度和量程(图3)。离加热条距离较近时，可以在小风速下获得较高的灵敏度；而离加热条距离较远时，可以获得较大的量程。对于半桥电路形式的热温差原理测量风速，量程与灵敏度在优化设计时是一组不可调和的矛盾。在本发明提出的热温差测量电路(图4)中，将热温差测量电阻组成全桥电路，可以将两者的输出进行叠加，灵敏度可以变为原来的两倍。此外，由于敏感电阻采用全芯片集成，可以避免外接电阻，从而使得桥路电阻的匹配性和温度特性更佳。

在传感器芯片周围对称分布的20个压焊块，对加热电阻，芯片测温电阻和8个热温差测量电阻进行分别引出。

本发明提出的二维风速风向传感器衬底采用玻璃、陶瓷或其它低热导率的材料，所有加热电阻和测温电阻均为利用剥离工艺制作的铂、镍或其它高温度系数的金属电阻。一个具体的加工过程实例为：准备Pyrex7740玻璃衬底；在Pyrex7740玻璃衬底上淀积50nm的钛和200nm的铂，利用金属剥离工艺形成加热电阻，芯片温度测量电阻和热温差测量电阻图形；利用剥离工艺形成300nm的金压焊块。

本发明提出的二维风速风向传感器采用恒温差工作方式，利用热温差原理测量风速和风向。为了实现低工作电压和低功耗情况下的恒温差控制，本发明在芯片中央设计了一个与加热电阻Rh完全对称并紧密缠绕的芯片温度测量电阻Rs，两者的温度可以视为一致的。对应于该传感器结构，本发明提出了一种新型的恒温差电路。如图2所示，将芯片温度测量电阻Rs和参考电阻Rr连接成惠斯通电桥形式，然后进行差分放大，最后利用电压/电流转换元件对加热电阻Rh进行驱动。当风速增大时，芯片温度下降时，考虑到Pt电阻为正温度系数，Rs上的电压会减小，使得放大器输出电压增大，通过电压/电流转换，Rh上的电流和加热功率增大，从而保持芯片温度高于环境温度一个设定值，形成整个的电学与热学反馈，即实现传感器的恒温差控制。

为了避免外接电阻导致的匹配性问题，本发明提出的风速传感器设计了8个对称分布的测温电阻，并通过版图设计可以使得其电阻完全一致。由于热温差测量电阻距离中央加热条的距离不一样，热温差原理测量风速具有不同的灵敏度和量程(图3)。离加热条距离较近时，可以在小风速下获得较高的灵敏度；而离加热条距离较远时，可以获得较大的量程。对于半桥电路形式的热温差原理测量风速，量程与灵敏度在优化设计时是一组不可调和的矛盾。在本专利提出的测量电路中，由于热温差测量电阻成全桥电路(图4)，可以将两者的输出进行叠加，灵敏度可以变为原来的两倍，量程也可以得到优化。通过放大以后的电桥输出可以通过多路选择器AMux和A/D转换器转成数字量进入MCU，并通过计算可以得到风速和风向值，最后实现LCD显示和数字输出。

Claims (6)

1.一种微机械二维风速风向传感器，其特征在于该传感器包括衬底、加热电阻(Rh)、芯片温度测量电阻(Rs)、8个热温差测量电阻、压焊块(1-20)；位于传感器芯片中央的芯片温度测量电阻(Rs)和加热电阻(Rh)完全对称且紧密缠绕，用于芯片温度表征；位于传感器芯片四周的8个对称分布的热温差测量电阻的电阻值完全一致，压焊块(1-20)分别与加热电阻(Rh)、芯片温度测量电阻(Rs)、8个热温差测量电阻相连接。

2.如权利要求1所述的微机械二维风速风向传感器，其特征在于：所述8个热温差测量电阻分为两组：其中第一热温差测量电阻(R11)、第二热温差测量电阻(R12)、第三热温差测量电阻(R31)、第四热温差测量电阻(R32)组成一组全桥电路，测量X方向的风速；第五热温差测量电阻(R21)、第六热温差测量电阻(R22)、第七热温差测量电阻(R41)、第八热温差测量电阻(R42)组成一组全桥电路，测量Y方向的风速。所述压焊块在传感器芯片周围对称分布，对加热电阻(Rh)、芯片温度测量电阻(Rs)和8个热温差测量电阻分别引出。

3.如权利要求2所述的微机械二维风速风向传感器，其特征在于：所述8个热温差测量电阻通过版图设计使得其电阻值完全一致。

4.如权利要求1所述的微机械二维风速风向传感器，其特征在于：所述衬底采用玻璃、陶瓷或其它低热导率的材料。

5.如权利要求1所述的微机械二维风速风向传感器，其特征在于：所述加热电阻(Rh)，芯片温度测量电阻(Rs)，和8个热温差测量电阻采用剥离工艺制作的铂、镍或其它高温度系数的金属电阻制成。

6.一种如权利要求1所述的微机械二维风速风向传感器的信号处理电路，其特征在于该电路包括：恒温差控制电路、信号检测电路，

恒温差控制电路包括位于传感器芯片中央的加热电阻(Rh)与芯片温度测量电阻(Rs)和位于传感器芯片外的参考电阻(Rr)连接成的惠斯通电桥，用于产生差分信号，并将其传输给差分放大器(A1)，差分放大器用于差分放大，并将放大后的信号传输给电压/电流转换元件(G)，电压/电流转换元件(G)产生驱动信号对加热电阻(Rh)进行驱动，利用电学和热学负反馈实现对传感器的恒温差控制；

信号检测电路包括位于传感器芯片四周的8个对称分布的热温差测量电阻阻值完全一致，并分为两组组成惠斯通全桥电路并进行差分放大，然后通过多路选择器AMux和A/D转换器转成数字量进入MCU，并通过计算得到风速和风向值，实现LCD显示和数字输出。

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