CN104282643B - 基于tec的微型传感器温控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于TEC的微型传感器温控系统，该系统包含ARM模块，驱动电路模块，TEC与微机电陀螺仪热封装模块。ARM模块接收来自微机电陀螺仪内部的温度监测数据，并将其与预设温度比较，通过控制算法决定ARM模块输出PWM波的占空比和频率；将ARM输出的PWM波输入驱动放大电路，增益为可以激发常用MOS管通断的PWM波；通过由MOS管组成的H桥来控制TEC的通断及其电流的反向，进而实现微机电陀螺仪的恒温控制。本发明所公开的温控系统具有响应快，控制精度高，温度控制范围广，可靠性高等优点，可以应用于其他微型传感器件及器件组。
Description
技术领域
本发明属于微型传感器的温度控制技术领域，涉及基于TEC的微型传感器温控系统。
背景技术
TEC是利用半导体材料的Peltier效应制成的既能制冷又能加热的电子器件。Pelitier效应是指直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。在TEC的制冷量和制热量足够大时，可以调节通过TEC的电流值大小保持一端温度在一定范围内保持恒定。TEC以其体积小、响应快、精度高、无振动噪声、无运动部件、无磨损、控制灵活等优势，广泛应用于具有空间有限和高可靠性要求的场合，诸如激光器的温控，PCR的温控，甚至LED的温控。
随着新兴设计、制造、封装技术的出现，微机电陀螺仪等微型传感器的集成度越来越高，热密度急剧升高，由此而产生的热处理问题亟待解决。微型传感器对工作环境的温度有很高的要求，恶劣的温度工作环境严重影响其工作性能甚至导致其不能正常工作，所以维持微型传感器工作环境温度的稳定性是是保证其正常工作的基础，高精度的温度控制系统显得十分重要。
微机电陀螺仪在实际的工作过程中，除了承受内部的的热荷载，还要面对外界的温度环境，结合传感器的自身特点与工况，将TEC应用于微机电陀螺仪的温度控制是极好的选择，基于此，本专利发明了基于TEC的微机电陀螺仪的温控装置。
发明内容
本发明的目的在于提供基于TEC的微机电陀螺仪温控系统装置，可以为微机电陀螺仪(或其它微型传感器)提供高低成本、尺寸小、无振动噪声、集成化、控制精度高、高可靠性的温控系统，使其能够在稳定的最优温度环境下工作，从而保证其性能稳定和优良。
本发明所采用的技术方案是包括TEC和微型传感器热封装模块，TEC和微型传感器热封装模块一端分别与MOS管Q1的源级、MOS管Q3的漏极连接在一起，TEC和微型传感器热封装模块的另一端分别与MOS管Q2的源级和MOS管Q4的漏极连接在一起，MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极连接8V外接电源，MOS管Q3的源级和MOS管Q4的源级直接接地，MOS管Q1的基极连接第一放大电路，MOS管Q3的基极连接第二放大电路，MOS管Q2的基极连接第三放大电路，MOS管Q4的基极连接第四放大电路，第一放大电路、第二放大电路、第三放大电路和第四放大电路分别连接6V外接电源，第一放大电路、第二放大电路、第三放大电路和第四放大电路分别连接ARM控制模块，ARM控制模块连接TEC和微型传感器热封装模块。
进一步，所述第一放大电路、第二放大电路、第三放大电路和第四放大电路结构相同；放大电路连接结构为电阻R1一端连接ARM控制模块，另一端连接三极管M1的基极，三极管M1的集电极、电阻R2的一端、三极管M2的基极、三极管M3的基极连接在一起，电阻R2的另一端和三极管M3的集电极连接6V外接电源，三极管M3的发射极、三极管M2的集电极、电阻R3的一端连接在一起，三极管M1的发射极、三极管M2的发射极和电阻R4的一端连接在一起并且接地，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和MOS管的基极连接在一起。
进一步，所述TEC和微型传感器热封装模块的结构有两种：
第一种：金属外壳由侧壁和底面组成的一面开口的壳体，金属外壳壳体内部侧壁涂有一层绝热胶，PCB板被铆钉固定在壳体内部底面、且PCB板与壳体内部底面之间涂覆有绝热胶，PCB板上安装有微型传感器，微型传感器接触TEC的一面、且接触面之间涂覆薄的导热胶，TEC另一面接触铝制热沉或铜质热沉、且接触面之间涂覆薄的导热胶，铝制热沉或铜质热沉将金属外壳的开口封闭、且铝制热沉或铜质热沉与金属外壳顶端接触面之间由绝热胶隔离；导热胶的作用是减小热阻，使TEC产生的热更加有效地传递到空气环境中；绝热胶的作用是隔离两侧的热交换，使环境中的热量不能传递到模块内部，增强TEC这温控效果。
第二种：金属外壳由侧壁构成两端开口的壳体，壳体内部涂有一层绝热胶，金属外壳两面开口均被铝制热沉或铜质热沉封闭，接触面之间涂覆有绝热胶，两面的铝制热沉或铜质热沉分别接触TEC，其中一面的TEC接触PCB板的一面，PCB板的另一面接触微型传感器一端，微型传感器另一端接触另一面的TEC，接触面之间涂覆有导热胶。
进一步，所述TEC和微型传感器热封装模块中封装的微型传感器，包括微型陀螺仪，微型加速度计，微型压力计。
进一步，所述ARM控制模块采用芯片型号为STM32F103V；控制算法可以是PID-PWM，也可以是Fuzzy-PWM；
本发明的有益效果是具模块集成、响应快、控制精度高等优点。
附图说明
图1是本发明基于TEC的微型传感器温控系统结构示意图；
图2是本发明温控系统驱动电路的放大电路图；
图3是本发明温控系统驱动电路的H桥电路图；
图4是本发明温控系统TEC和微型传感器热封装模块的两种热封装结构示意图。
图中，1.TEC和微型传感器热封装模块，2.8V外接电源，3.第一放大电路，4.第二放大电路，5.第三放大电路，6.第四放大电路，7.6V外接电源，8.ARM控制模块，101.金属外壳，102.绝热胶，103.PCB板，104.铆钉，105.微型传感器，106.TEC，107.铝制热沉或铜质热沉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于TEC的微型传感器温控系统，如图1所示，包括TEC和微型传感器热封装模块1，TEC和微型传感器热封装模块1一端分别与MOS管Q1的源级、MOS管Q3的漏极连接在一起，TEC和微型传感器热封装模块1的另一端分别与MOS管Q2的源级和MOS管Q4的漏极连接在一起，MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极连接8V外接电源2，MOS管Q3的源级和MOS管Q4的源级直接接地，MOS管Q1的基极连接第一放大电路3，MOS管Q3的基极连接第二放大电路4，MOS管Q2的基极连接第三放大电路5，MOS管Q4的基极连接第四放大电路6，第一放大电路3、第二放大电路4、第三放大电路5和第四放大电路6分别连接6V外接电源7，第一放大电路3、第二放大电路4、第三放大电路5和第四放大电路6分别连接ARM控制模块8，ARM控制模块8连接TEC和微型传感器热封装模块1；
本发明TEC和微型传感器热封装模块1中可封装各种微型传感器，包括微型陀螺仪，微型加速度计，微型压力计等。可以是单个微型传感器器件，也可以是微型传感器组。
本温控系统的核心部件ARM控制模块8，可采用芯片型号为STM32F103V；控制算法可以是PID-PWM，也可以是Fuzzy-PWM；
本发明的驱动电路包括脉冲放大电路(即第一放大电路3、第二放大电路4、第三放大电路5和第四放大电路6)，四个MOS管及MOS管组成的H桥；MOS管的型号可选用IRF540N。微型传感器模块可以是微型陀螺仪，微型加速度计和微型压力计。
其中，第一放大电路3、第二放大电路4、第三放大电路5和第四放大电路6结构相同，电阻R1一端连接ARM控制模块8，另一端连接三极管M1的基极，三极管M1的集电极、电阻R2的一端、三极管M2的基极、三极管M3的基极连接在一起，电阻R2的另一端和三极管M3的集电极连接6V外接电源7，三极管M3的发射极、三极管M2的集电极、电阻R3的一端连接在一起，三极管M1的发射极、三极管M2的发射极和电阻R4的一端连接在一起并且接地，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和MOS管的基极连接在一起。
TEC和微型传感器热封装模块1的结构有两种：
第一种：如图4(a)所示，金属外壳101由侧壁和底面组成的一面开口的壳体，金属外壳101壳体内部侧壁涂有一层绝热胶102，PCB板103被铆钉104固定在壳体内部底面、且PCB板103与壳体内部底面之间涂覆有绝热胶102，PCB板103上安装有微型传感器105，微型传感器105接触TEC106的一面、且接触面之间涂覆薄的导热胶，TEC106另一面接触铝制热沉或铜质热沉107、且接触面之间涂覆薄的导热胶，铝制热沉或铜质热沉107将金属外壳101的开口封闭、且铝制热沉或铜质热沉107与金属外壳101顶端接触面之间由绝热胶102隔离；导热胶的作用是减小热阻，使TEC产生的热更加有效地传递到空气环境中；绝热胶的作用是隔离两侧的热交换，使环境中的热量不能传递到模块内部，增强TEC这温控效果。
第二种：如图4(b)所示，为了达到更加优异的温控效果，如稳定时间更短、控制温度范围更广等，可以采用多个TEC进行制冷或加热，可用用两个TEC与微型传感器组的热封装。金属外壳101由侧壁构成两端开口的壳体，壳体内部涂有一层绝热胶102，金属外壳101两面开口均被铝制热沉或铜质热沉107封闭，接触面之间涂覆有绝热胶102，两面的铝制热沉或铜质热沉107分别接触TEC106，其中一面的TEC106接触PCB板103的一面，PCB板103的另一面接触微型传感器105一端，微型传感器105另一端接触另一面的TEC106，接触面之间涂覆有导热胶。
在其他条件相同的情况下，图4(b)所示热封装结构制冷或加热效果比图4(a)增加了将近一倍。也可以再增加TEC的数量，使用高性能的TEC，减小密封空间，使用高导热率的导热胶，使用高性能绝热胶等来提升系统的温控效果，但也要考虑整个温控系统的小型化。
本发明的温控系统具模块集成、响应快、控制精度高等优点。其中，ARM控制模块8接收来自微型传感器内部的温度监测数据，将其与预设温度比较，利用控制算法决定输出电压PWM波的占空比与频率。然后，将由ARM控制模块8产生的PWM波传递到放大电路，将其电压放大到可以控制MOS管通断的电压PWM波；最后，用MOS管产生的电压PWM波就可以控制TEC的通断，从而进行微型传感器的温度控制。
因为ARM控制模块8产生的是幅值为3.3V的PWM波，不足以激发常见MOS管的通断，所以需要放大电路。如图2所示，将由ARM控制模块8产生的①3.3V的PWM波输入到放大电路，要使其激发常见MOS管的通断。放大电路外接提升电压Vp可以将①3.3V的PWM波提升到电压峰值为Vp的PWM波，如提升到②6.0V的PWM波，这样就可以控制MOS管的通断。TEC的工作电压为8.0V，所以控制TEC的电压峰值为③8.0V的PWM波。值得注意的是，在本驱动电路中，3.3V的PWM波与8.0V的PWM波相位相反，即3.3V的PWM波通时，8.0V的PWM波断；3.3V的PWM波断时，8.0V的PWM波通。
峰值为8.0V的PWM可以控制TEC工作电压的通断，而不能改变TEC的电流方向，即不能进行制冷与加热的方向调换，本发明由MOS管组成H桥，而H桥具有改变电流方向的作用，所以本发明将H桥应用于TEC的制冷与加热方向的对调，如图3所示，当需要制冷时，桥Q1,Q4通，桥Q2,Q3断；当需要加热时，桥Q2,Q3通，桥Q1,Q4断。PWM1波同时控制桥Q1,Q4的通断，PWM2波同时控制桥Q2,Q3的通断。由于只有PWM1波和PWM2波，所以只需要两个相同的放大电路，只要PWM1波和PWM2波不同时接通就能避免H桥出现短路。至此，通过ARM和驱动放大电路可以有效地管理TEC的通断和制冷与加热方向的改变，还要对TEC和微型传感器进行热封装设计，保证控制算法的有效实现。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.基于TEC的微型传感器温控系统，其特征在于：包括TEC和微型传感器热封装模块(1)，TEC和微型传感器热封装模块(1)一端分别与MOS管Q1的源级、MOS管Q3的漏极连接在一起，TEC和微型传感器热封装模块(1)的另一端分别与MOS管Q2的源级和MOS管Q4的漏极连接在一起，MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极连接8V外接电源(2)，MOS管Q3的源级和MOS管Q4的源级直接接地，MOS管Q1的基极连接第一放大电路(3)，MOS管Q3的基极连接第二放大电路(4)，MOS管Q2的基极连接第三放大电路(5)，MOS管Q4的基极连接第四放大电路(6)，第一放大电路(3)、第二放大电路(4)、第三放大电路(5)和第四放大电路(6)分别连接6V外接电源(7)，第一放大电路(3)、第二放大电路(4)、第三放大电路(5)和第四放大电路(6)分别连接ARM控制模块(8)，ARM控制模块(8)连接TEC和微型传感器热封装模块(1)。
2.按照权利要求1所述基于TEC的微型传感器温控系统，其特征在于：所述第一放大电路(3)、第二放大电路(4)、第三放大电路(5)和第四放大电路(6)结构相同；放大电路连接结构为电阻R1一端连接ARM控制模块(8)，另一端连接三极管M1的基极，三极管M1的集电极、电阻R2的一端、三极管M2的基极、三极管M3的基极连接在一起，电阻R2的另一端和三极管M3的集电极连接6V外接电源(7)，三极管M3的发射极、三极管M2的集电极、电阻R3的一端连接在一起，三极管M1的发射极、三极管M2的发射极和电阻R4的一端连接在一起并且接地，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和MOS管的基极连接在一起。
3.按照权利要求1所述基于TEC的微型传感器温控系统，其特征在于：所述TEC和微型传感器热封装模块(1)的结构有两种：
第一种：金属外壳(101)由侧壁和底面组成的一面开口的壳体，金属外壳(101)壳体内部侧壁涂有一层绝热胶(102)，PCB板(103)被铆钉(104)固定在壳体内部底面、且PCB板(103)与壳体内部底面之间涂覆有绝热胶(102)，PCB板(103)上安装有微型传感器(105)，微型传感器(105)接触TEC(106)的一面、且接触面之间涂覆薄的导热胶，TEC(106)另一面接触铝制热沉或铜质热沉(107)、且接触面之间涂覆薄的导热胶，铝制热沉或铜质热沉(107)将金属外壳(101)的开口封闭、且铝制热沉或铜质热沉(107)与金属外壳(101)顶端接触面之间由绝热胶(102)隔离；导热胶的作用是减小热阻，使TEC产生的热更加有效地传递到空气环境中；绝热胶的作用是隔离两侧的热交换，使环境中的热量不能传递到模块内部，增强TEC这温控效果；
第二种：金属外壳(101)由侧壁构成两端开口的壳体，壳体内部涂有一层绝热胶(102)，金属外壳(101)两面开口均被铝制热沉或铜质热沉(107)封闭，接触面之间涂覆有绝热胶(102)，两面的铝制热沉或铜质热沉(107)分别接触TEC(106)，其中一面的TEC(106)接触PCB板(103)的一面，PCB板(103)的另一面接触微型传感器(105)一端，微型传感器(105)另一端接触另一面的TEC(106)，接触面之间涂覆有导热胶。
4.按照权利要求1所述基于TEC的微型传感器温控系统，其特征在于：所述TEC和微型传感器热封装模块(1)中封装的微型传感器，包括微型陀螺仪，微型加速度计，微型压力计。
5.按照权利要求1所述基于TEC的微型传感器温控系统，其特征在于：所述ARM控制模块(8)，采用芯片型号为STM32F103V；控制算法为PID-PWM或Fuzzy-PWM。
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