CN107907707B - 一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器及检测方法 - Google Patents

一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器及检测方法，该传感器结构简单，且易于测量，具有高灵敏度。所述基于双层热电堆结构的风速风向传感器，所述风速风向传感器包括硅衬底、位于硅衬底上方的二氧化硅层，以及位于二氧化硅层中的加热电阻、上层热电堆组和下层热电堆组；上层热电堆组和下层热电堆组上下布设；加热电阻分别与第一加热电阻接触块和第二加热电阻接触块连接。

Description

一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器及检测方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域，具体来说，涉及一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器及检测方法。
背景技术
风速风向信息与人们的生活息息相关，并广泛应用在工业建设、农业生产、航天航空、交通旅游、气象预报以及环境保护等领域。以前，风速风向的测量主要采用机械式风杯和风向标来实现。近期，又出现了基于超声原理和多普勒原理的风速风向传感器。但是，由于体积庞大、成本高，这些风速风向传感器无法满足物联网技术中的小型化、低成本等应用需求。最近，微电子机械系统技术的出现颠覆了传统的风速风向传感器，使得小型化、低功耗的风速风向检测微系统成为现实。
MEMS风速传感器主要基于风场导致热场不对称的原理，分别在加热电阻的上下游对称地设计一个温度传感器，当无风时，温度传感器的温度相等，而当有风吹过时，上游的热量带到下游，从而导致上游温度下降，下游温度上升，通过电路读取两个温度传感器的温差，最终可以实现风速和风向的测量。
发明内容
技术问题：本发明提供一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器及检测方法，该传感器结构简单，且易于测量，具有高灵敏度。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器，所述风速风向传感器包括硅衬底、位于硅衬底上方的二氧化硅层，以及位于二氧化硅层中的加热电阻、上层热电堆组和下层热电堆组；上层热电堆组和下层热电堆组上下布设；加热电阻分别与第一加热电阻接触块和第二加热电阻接触块连接。
作为优选例，所述上层热电堆组包括第一上层热电堆、第二上层热电堆、第三上层热电堆和第四上层热电堆；第一上层热电堆两端分别与第一上层热电堆接触块和第二上层热电堆接触块连接，第二上层热电堆两端分别与第三上层热电堆接触块和第四上层热电堆接触块连接，第三上层热电堆两端分别与第五上层热电堆接触块和第六上层热电堆接触块连接，第四上层热电堆两端分别与第七上层热电堆接触块和第八上层热电堆接触块连接。
作为优选例，所述下层热电堆组包括第一下层热电堆、第二下层热电堆、第三下层热电堆和第四下层热电堆，第一下层热电堆两端分别与第一下层热电堆接触块和第二下层热电堆接触块连接，第二下层热电堆两端分别与第三下层热电堆接触块和第四下层热电堆接触块连接，第三下层热电堆两端分别与第五下层热电堆接触块和第六下层热电堆接触块连接，第四下层热电堆两端分别与第七下层热电堆接触块和第八下层热电堆接触块连接。
作为优选例，第一下层热电堆和第一上层热电堆相对布设，第二下层热电堆和第二上层热电堆相对布设，第三下层热电堆和第三上层热电堆相对布设，第四下层热电堆和和第四上层热电堆相对布设。
本发明实施例还提供一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器的检测方法，包括：
通过第一加热电阻接触块和第二加热电阻接触块向加热电阻3施加电信号，加热电阻3产生热量；通过第一上层热电堆接触块和第二上层热电堆接触块采集第一上层热电堆两端直流电压信号，记为V5；通过第三上层热电堆接触块和第四上层热电堆接触块采集第二上层热电堆两端直流电压信号，记为V6；通过第五上层热电堆接触块和第六上层热电堆接触块采集第三上层热电堆两端直流电压信号，记为V7；通过第七上层热电堆接触块和第八上层热电堆接触块采集第四上层热电堆两端直流电压信号，记为V8；通过第一下层热电堆接触块和第二下层热电堆接触块采集第一下层热电堆两端直流电压信号，记为V1；通过第三下层热电堆接触块和第四下层热电堆接触块采集第二下层热电堆两端直流电压信号，记为V2；通过第五下层热电堆接触块和第六下层热电堆接触块采集第三下层热电堆两端直流电压信号，记为V3；通过第七下层热电堆接触块和第八下层热电堆接触块采集第四下层热电堆两端直流电压信号，记为V4；通过V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7和V8，测算风速和风向。
有益效果：与现有技术相比，本发明实施例的风速风向传感器，在不提高加热功率的条件下，使得输出的电压增大一倍，提高风速风向测量的灵敏度，同时可以扩展传感器的量程。本发明实施例的基于双层热电堆结构的风速风向传感器，包括上下布设的上层热电堆组和下层热电堆组。该热电堆组为双层。这样，在同样的面积条件下，将电压增大了一倍，从而提高灵敏度。现有的传感器中，到达一定风速时，输出电压趋向饱和，电压表无法分辨电压变化。本发明中，双层结构的传感器，可以使得输出电压增大一倍，从而有效提高饱和风速，扩展传感器的量程。
附图说明
图1是本发明实施例的侧视图；
图2是图1中A-A’剖面图；
图3是本发明实施例的俯视图。
图中包括：硅衬底1、二氧化硅层2、加热电阻3、第一下层热电堆4、第二下层热电堆5、第三下层热电堆6、第四下层热电堆7、第一上层热电堆8、第二上层热电堆9、第三上层热电堆10、第四上层热电堆11、第一加热电阻接触块12、第二加热电阻接触块13、第一下层热电堆接触块14、第二下层热电堆接触块15、第三下层热电堆接触块16、第四下层热电堆接触块17、第五下层热电堆接触块18、第六下层热电堆接触块19、第七下层热电堆接触块20、第八下层热电堆接触块21、第一上层热电堆接触块22、第二上层热电堆接触块23、第三上层热电堆接触块24、第四上层热电堆接触块25、第五上层热电堆接触块26、第六上层热电堆接触块27、第七上层热电堆接触块28、第八上层热电堆接触块29。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至图3所示，本发明实施例的一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器，包括硅衬底1、位于硅衬底1上方的二氧化硅层2，以及位于二氧化硅层2中的加热电阻3、上层热电堆组和下层热电堆组；上层热电堆组和下层热电堆组上下布设；加热电阻3分别与第一加热电阻接触块12和第二加热电阻接触块13连接。
上述实施例的风速风向传感器中，上层热电堆组包括第一上层热电堆8、第二上层热电堆9、第三上层热电堆10和第四上层热电堆11；第一上层热电堆8两端分别与第一上层热电堆接触块22和第二上层热电堆接触块23连接，第二上层热电堆9两端分别与第三上层热电堆接触块24和第四上层热电堆接触块25连接，第三上层热电堆10两端分别与第五上层热电堆接触块26和第六上层热电堆接触块27连接，第四上层热电堆11两端分别与第七上层热电堆接触块28和第八上层热电堆接触块29连接。作为优选例，所述下层热电堆组包括第一下层热电堆4、第二下层热电堆5、第三下层热电堆6和第四下层热电堆7，第一下层热电堆4两端分别与第一下层热电堆接触块14和第二下层热电堆接触块15连接，第二下层热电堆5两端分别与第三下层热电堆接触块16和第四下层热电堆接触块17连接，第三下层热电堆6两端分别与第五下层热电堆接触块18和第六下层热电堆接触块19连接，第四下层热电堆7两端分别与第七下层热电堆接触块20和第八下层热电堆接触块21连接。
作为优选例，第一下层热电堆4和第一上层热电堆8相对布设，第二下层热电堆5和第二上层热电堆9相对布设，第三下层热电堆6和第三上层热电堆10相对布设，第四下层热电堆7和和第四上层热电堆11相对布设。
利用上述结构的风速风向传感器进行风速风向的检测方法，包括：
通过第一加热电阻接触块12和第二加热电阻接触块13向加热电阻3施加电信号，加热电阻3产生热量；通过第一上层热电堆接触块22和第二上层热电堆接触块23采集第一上层热电堆8两端直流电压信号，记为V5；通过第三上层热电堆接触块24和第四上层热电堆接触块25采集第二上层热电堆9两端直流电压信号，记为V6；通过第五上层热电堆接触块26和第六上层热电堆接触块27采集第三上层热电堆10两端直流电压信号，记为V7；通过第七上层热电堆接触块29和第八上层热电堆接触块20采集第四上层热电堆11两端直流电压信号，记为V8；通过第一下层热电堆接触块14和第二下层热电堆接触块15采集第一下层热电堆4两端直流电压信号，记为V1；通过第三下层热电堆接触块16和第四下层热电堆接触块17采集第二下层热电堆5两端直流电压信号，记为V2；通过第五下层热电堆接触块18和第六下层热电堆接触块19采集第三下层热电堆6两端直流电压信号，记为V3；通过第七下层热电堆接触块20和第八下层热电堆接触块21采集第四下层热电堆7两端直流电压信号，记为V4；通过V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7和V8，测算风速和风向。具体来说，
风速其中K表示系数。
风向与相关。
使用上述结构的风速风向传感器工作时，当在第一加热电阻接触块12和第二加热电阻接触块13之间施加电信号时，加热电阻3产生热量。无风时，加热电阻3产生的热场是对称分布的。当有风吹过时，上游的热量被带到下游，导致上游温度下降，下游温度升高。下层热电堆组和上层热电堆组同时感测上下游温度的变化，基于赛贝克效应，八个热电堆产生八个电压。根据这些电压的大小可以表征上下游温差大小，最终可以实现风速和风向的测量。
本发明实施例中，上层热电堆组和下层热电堆组上下布设，形成双层结构。本发明实施例中，采用上、下两层热电堆同时测量由风导致的上下游温差，使得热电堆的输出电压变化量增加一倍，增大输出信号，从而提高风速风向测量的灵敏度，并增大量程。
相对于传统的MEMS风速传感器，在不增加功率的基础上，该基于双层热电堆结构的高灵敏度风速风向传感器的输出电压增加一倍，使其灵敏度得到有效提高，同时扩展风速测量的量程。
上述实施例的风速风向传感器的制备流程如下：
(1)准备硅衬底；
(2)氧化，在硅衬底上方生长一层二氧化硅层；
(3)溅射、刻蚀，形成加热电阻、下层热电堆的金属热偶臂及其接触块；
(4)蒸发，刻蚀，形成下层热电堆的多晶硅热偶臂；
(5)再次生长一层二氧化硅层；
(6)溅射、刻蚀，形成上层热电堆的金属热偶臂及其接触块；
(7)蒸发、刻蚀，形成上层热电堆的多晶硅热偶臂。
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)

1.一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器，其特征在于，所述风速风向传感器包括硅衬底(1)、位于硅衬底(1)上方的二氧化硅层(2)，以及位于二氧化硅层(2)中的加热电阻(3)、上层热电堆组和下层热电堆组；上层热电堆组和下层热电堆组上下布设；加热电阻(3)分别与第一加热电阻接触块(12)和第二加热电阻接触块(13)连接；
所述上层热电堆组包括第一上层热电堆(8)、第二上层热电堆(9)、第三上层热电堆(10)和第四上层热电堆(11)；第一上层热电堆(8)两端分别与第一上层热电堆接触块(22)和第二上层热电堆接触块(23)连接，第二上层热电堆(9)两端分别与第三上层热电堆接触块(24)和第四上层热电堆接触块(25)连接，第三上层热电堆(10)两端分别与第五上层热电堆接触块(26)和第六上层热电堆接触块(27)连接，第四上层热电堆(11)两端分别与第七上层热电堆接触块(28)和第八上层热电堆接触块(29)连接。
2.按照权利要求1所述的基于双层热电堆结构的风速风向传感器，其特征在于，所述下层热电堆组包括第一下层热电堆(4)、第二下层热电堆(5)、第三下层热电堆(6)和第四下层热电堆(7)，第一下层热电堆(4)两端分别与第一下层热电堆接触块(14)和第二下层热电堆接触块(15)连接，第二下层热电堆(5)两端分别与第三下层热电堆接触块(16)和第四下层热电堆接触块(17)连接，第三下层热电堆(6)两端分别与第五下层热电堆接触块(18)和第六下层热电堆接触块(19)连接，第四下层热电堆(7)两端分别与第七下层热电堆接触块(20)和第八下层热电堆接触块(21)连接。
3.按照权利要求2所述的基于双层热电堆结构的风速风向传感器，其特征在于，第一下层热电堆(4)和第一上层热电堆(8)相对布设，第二下层热电堆(5)和第二上层热电堆(9)相对布设，第三下层热电堆(6)和第三上层热电堆(10)相对布设，第四下层热电堆(7)和和第四上层热电堆(11)相对布设。
4.一种基于双层热电堆结构的风速风向传感器的检测方法，其特征在于，包括：
通过第一加热电阻接触块(12)和第二加热电阻接触块(13)向加热电阻3施加电信号，加热电阻(3)产生热量；
通过第一上层热电堆接触块(22)和第二上层热电堆接触块(23)采集第一上层热电堆(8)两端直流电压信号，记为V5；通过第三上层热电堆接触块(24)和第四上层热电堆接触块(25)采集第二上层热电堆(9)两端直流电压信号，记为V6；通过第五上层热电堆接触块(26)和第六上层热电堆接触块(27)采集第三上层热电堆(10)两端直流电压信号，记为V7；通过第七上层热电堆接触块(28)和第八上层热电堆接触块(29)采集第四上层热电堆(11)两端直流电压信号，记为V8；
通过第一下层热电堆接触块(14)和第二下层热电堆接触块(15)采集第一下层热电堆(4)两端直流电压信号，记为V1；通过第三下层热电堆接触块(16)和第四下层热电堆接触块(17)采集第二下层热电堆(5)两端直流电压信号，记为V2；通过第五下层热电堆接触块(18)和第六下层热电堆接触块(19)采集第三下层热电堆(6)两端直流电压信号，记为V3；通过第七下层热电堆接触块(20)和第八下层热电堆接触块(21)采集第四下层热电堆(7)两端直流电压信号，记为V4；
通过V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7和V8，测算风速和风向。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109116050B (zh) * 2018-06-21 2020-01-31 东南大学 一种超小型高灵敏度二维风速计及其制作方法
CN109580981B (zh) * 2018-11-27 2020-03-31 东南大学 基于柔性电感-硅基电感结构的风速传感器
CN113466488B (zh) * 2021-07-19 2022-05-27 东南大学 二维温度平衡模式mems风速风向传感器及其制备方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60166868A (ja) * 1984-02-09 1985-08-30 Nippon Denso Co Ltd 風向風速検出装置
CN1141585C (zh) * 2002-01-11 2004-03-10 东南大学 采用多晶硅温度二极管的集成风速计及其制造方法
CN1325879C (zh) * 2005-04-13 2007-07-11 东南大学 温度、风速、风向和气压集成传感器
CN100568022C (zh) * 2007-03-28 2009-12-09 哈尔滨理工大学 阵列式多参数风传感器芯片基板
CN100460875C (zh) * 2007-05-11 2009-02-11 东南大学 十字架结构的二维风速风向传感器及其制备方法
JP2013195085A (ja) * 2012-03-15 2013-09-30 Sharp Corp 風速計
CN102998479B (zh) * 2012-12-31 2014-08-13 哈尔滨理工大学 氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器及其制造方法
CN204359814U (zh) * 2014-12-17 2015-05-27 哈尔滨理工大学 一种镍铬合金膜加热的高精度风速风向集成传感器
CN106483327B (zh) * 2016-11-30 2023-01-31 国家海洋技术中心 一种超声波测风系统及方法

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