CN104535792A - 一种高灵敏热风速传感器结构和风速风向测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏热风速传感器结构和风速风向测定方法，高灵敏热风速传感器结构，包括基板、发热单元、两根以上支撑杆、顶盖和四个温度传感器；基板和顶盖为直径相等的圆板结构，基板和顶盖通过支撑杆固定，且基板和顶盖之间存在间隙，基板和顶盖均垂直于直线l，基板和顶盖的中心均在直线l上，支撑杆均匀分布在直线l的周侧；发热单元设置在基板上表面的中心位置，发热单元和基板之间绝热；四个温度传感器设置在顶盖的下表面，四个温度传感器均匀分布在顶盖中心的周侧。该传感器结构简单、灵敏度高、体积小、安装方便、成本低，适合便携和移动测量需要。

Description

一种高灵敏热风速传感器结构和风速风向测定方法

技术领域

本发明涉及一种高灵敏热风速传感器结构和风速风向测定方法，是一种发热单元和测温单元不在同一个平面上的热风速传感器结构及其使用方法。

背景技术

风速、风向是反应气象形势的非常重要的参数，风速和风向的检测对环境监测、空气调节和工农业的生产有着十分深远的影响，因此能够快速准确测量出风速以及风向具有重要的实际意义。传统的风杯和风向标是目前仍广泛使用的检测器件，但这些机械装置因具有转动部件而易磨损，同时具有体积大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。典型超声风速传感器发射和探测接收头位置固定，因此相对结构也较大。基于MEMS加工技术的微型热流速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来热风速传感器研究的热点。但是，由于硅衬底的高热导率，这类传感器的功耗较大，灵敏度较低。采用背面腐蚀或者正面腐蚀的方法形成绝热薄膜，可以提高灵敏度，但是结构易损坏，不利于后道工艺和封装。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高灵敏热风速传感器结构和风速风向测定方法，该传感器结构简单、灵敏度高、体积小、安装方便、成本低，适合便携和移动测量需要。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高灵敏热风速传感器结构，包括基板、发热单元、两根以上支撑杆、顶盖和四个温度传感器；基板和顶盖为直径相等的圆板结构，基板和顶盖通过支撑杆固定，且基板和顶盖之间存在间隙，基板和顶盖均垂直于直线l，基板和顶盖的中心均在直线l上，支撑杆均匀分布在直线l的周侧；发热单元设置在基板上表面的中心位置，发热单元和基板之间绝热；四个温度传感器设置在顶盖的下表面，四个温度传感器均匀分布在顶盖中心的周侧，沿顺时针方向，四个温度传感器分别记为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器。

上述高灵敏热风速传感器结构，基板上设置有发热单元，在流道的上方相对发热单元对称分布四个温度传感器；工作时，发热单元加热周围空气，热空气上升碰到流道顶部后开始向四周扩散，形成一个温度场，四个温度传感器可以反映出上升的热空气的温度分布：在无风情况下，由于对称性，四个温度传感器检测到的温度基本相等；当周围环境有水平风吹过，发热单元产生的热空气将随风移动，造成通道上方的温度场不再对称，四个温度传感器将产生不同的温度输出，利用四个温度传感器检测的数据，即可计算得到风速和风向。

优选的，所述发热单元的上表面和基板的上表面尽可能处于同一高度。

优选的，所述四个温度传感器的下表面和顶盖的下表面尽可能处于同一高度。

一种高灵敏热风速传感器结构的风速风向测定方法，包括如下步骤：

(1)竖直设置高灵敏热风速传感器结构，即保证直线l竖直，同时顶盖位于基板的正上方；将第一温度传感器和第三温度传感器的连线定为X向，将第二温度传感器和第四温度传感器的连线定为Y向；

(2)启动发热单元，检测四个温度传感器的温度；

(3)根据下式计算风速W和风向D：

$W=a\sqrt{{(T_{x3}-T_{x1})}^2+{(T_{y2}-T_{y4})}^2}$

$D=\mathrm{arctg}\frac{(T_{x3}-T_{x1})}{(T_{y2}-T_{y4})}$

其中，T_x1表示第一温度传感器的测量温度，T_y2表示第二温度传感器的测量温度，T_x3表示第三温度传感器的测量温度，T_y4表示第四温度传感器的测量温度；a表示系数，在高灵敏热风速传感器结构进行标定时确定。

有益效果：本发明提供的高灵敏热风速传感器结构和风速风向测定方法，具有如下优势：1、采用温度传感器测量温度差，一定程度上降低了温漂；2、下基板上安装有热源，产生的热量向上方扩散，温度传感器的位置可以很好地检测热分布的变化，因此整个结构灵敏度高；3、发热单元和温度传感器都制作在基板的表面，整个流道没有机械结构，因此对称性高，对流体的影响下；4、结构没有可动部件，维护简单，可靠性高；5、该装置结构简单，可以微型化和降低成本。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为温度传感器的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种高灵敏热风速传感器结构，包括基板1、发热单元2、两根以上支撑杆3、顶盖4和四个温度传感器；基板1和顶盖4为直径相等的圆板结构，基板1和顶盖4通过支撑杆3固定，且基板1和顶盖4之间存在间隙，基板1和顶盖4均垂直于直线l，基板1和顶盖4的中心均在直线l上，支撑杆3均匀分布在直线l的周侧；发热单元2设置在基板1上表面的中心位置，发热单元2和基板1之间绝热；如图2所示，四个温度传感器设置在顶盖4的下表面，四个温度传感器均匀分布在顶盖4中心的周侧，沿顺时针方向，四个温度传感器分别记为第一温度传感器51、第二温度传感器52、第三温度传感器53和第四温度传感器54。所述发热单元2的上表面和基板1的上表面尽量处于同一高度；所述四个温度传感器的下表面和顶盖4的下表面尽量处于同一高度。

一种高灵敏热风速传感器结构的风速风向测定方法，包括如下步骤：

(1)竖直设置高灵敏热风速传感器结构，即保证直线l竖直，同时顶盖4位于基板1的正上方；将第一温度传感器51和第三温度传感器53的连线定为X向，将第二温度传感器52和第四温度传感器54的连线定为Y向；

(2)启动发热单元2，检测四个温度传感器的温度；

(3)当风沿某一水平方向吹过基板1和顶盖4之间的流道时，沿直角坐标轴对称分布的两对温度传感器将在X方向和Y方向上输出两个温度差，实际的风速和风向信息与这两个温度差相关，根据下式计算风速W和风向D：

$W=a\sqrt{{(T_{x3}-T_{x1})}^2+{(T_{y2}-T_{y4})}^2}$

$D=\mathrm{arctg}\frac{(T_{x3}-T_{x1})}{(T_{y2}-T_{y4})}$

其中，T_x1表示第一温度传感器51的测量温度，T_y2表示第二温度传感器52的测量温度，T_x3表示第三温度传感器53的测量温度，T_y4表示第四温度传感器54的测量温度；a表示系数，在高灵敏热风速传感器结构进行标定时确定。

一种高灵敏热风速传感器结构的制作方法，包括如下步骤：

(1)制作发热单元2和四个温度传感器：首先选择一片氧化后的硅片，通过光刻工艺在该硅片的表面定义发热单元2和四个温度传感器的结构；然后在该硅片表面采用磁控溅射技术淀积一层铂金属薄膜；最后采用剥离技术将发热单元2和四个温度传感器释放出来；

(2)制作基板1：首先选择一片表面平整的材料(比如塑料)加工成圆板结构，然后在圆板结构上表面中心位置开设一浅槽，最后通过胶粘硅芯片的方法将步骤(1)中制作出的发热单元2安装在浅槽位置，尽量使基板1的上表面和发热单元2的上表面位于同一高度；

(3)制作顶盖4：首先选择一片表面平整的材料(比如塑料)加工成圆板结构，然后在圆板结构上表面中心位置周围均匀开设四浅槽，最后通过胶粘硅芯片的方法将步骤(1)中制作出的温度传感器安装在浅槽位置，尽量使顶盖4的下表面和温度传感器的下表面位于同一高度；

(4)将基板1和顶盖4通过支撑杆3固定，可以采用螺纹等结构进行固定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高灵敏热风速传感器结构，其特征在于：包括基板(1)、发热单元(2)、两根以上支撑杆(3)、顶盖(4)和四个温度传感器；基板(1)和顶盖(4)为直径相等的圆板结构，基板(1)和顶盖(4)通过支撑杆(3)固定，且基板(1)和顶盖(4)之间存在间隙，基板(1)和顶盖(4)均垂直于直线l，基板(1)和顶盖(4)的中心均在直线l上，支撑杆(3)均匀分布在直线l的周侧；发热单元(2)设置在基板(1)上表面的中心位置，发热单元(2)和基板(1)之间绝热；四个温度传感器设置在顶盖(4)的下表面，四个温度传感器均匀分布在顶盖(4)中心的周侧，沿顺时针方向，四个温度传感器分别记为第一温度传感器(51)、第二温度传感器(52)、第三温度传感器(53)和第四温度传感器(54)。

2.根据权利要求1所述的高灵敏热风速传感器结构，其特征在于：所述发热单元(2)的上表面和基板(1)的上表面处于同一高度。

3.根据权利要求1所述的高灵敏热风速传感器结构，其特征在于：所述四个温度传感器的下表面和顶盖(4)的下表面处于同一高度。

4.一种高灵敏热风速传感器结构的风速风向测定方法，其特在于：包括如下步骤：

(1)竖直设置高灵敏热风速传感器结构，即保证直线l竖直，同时顶盖(4)位于基板(1)的正上方；将第一温度传感器(51)和第三温度传感器(53)的连线定为X向，将第二温度传感器(52)和第四温度传感器(54)的连线定为Y向；

(2)启动发热单元(2)，检测四个温度传感器的温度；

(3)根据下式计算风速W和风向D：

$W=a\sqrt{{(T_{x3}-T_{x1})}^2+{(T_{y2}-T_{y4})}^2}$

$D=\mathrm{arctg}\frac{(T_{x3}-T_{x1})}{(T_{y2}-T_{y4})}$

其中，T_x1表示第一温度传感器(51)的测量温度，T_y2表示第二温度传感器(52)的测量温度，T_x3表示第三温度传感器(53)的测量温度，T_y4表示第四温度传感器(54)的测量温度；a表示系数，在高灵敏热风速传感器结构进行标定时确定。