CN109900924A - 基于htcc工艺的热膜式风速传感单元、传感器及传感单元的制备方法 - Google Patents

Abstract

基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元、传感器及传感单元的制备方法，涉及风速传感器技术领域。本发明是为了解决现有风速传感器测量准确性低、易受风向干扰的问题。本发明采用热膜式风速测量原理，用放置在流场中具有加热电流的敏感元件来测量气体流速。采用芯片多方向排布，消除风向对风速准确测量带来的影响；将单一芯片排布在不同的方向上，通过测得不同位置数据消除风向对风速准确测量带来的影响，提高测量的准确性；通过底部增加气流通道结构设计，解决了动态测风过程中的气流不稳定的问题，提高传感器测量精度。本发明适用于制备热膜式风速传感器。

Description

基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元、传感器及传感单元的 制备方法

技术领域

本发明属于风速传感器技术领域。

背景技术

风速作为气象探测的一个重要参数，与人们的日常生产、生活密不可分。被广泛地应用在航空航天、科学实验、现代农业及气象科学等重要的科研、生产、生活领域。随着工业自动化的飞速发展，人们对风速、风量的测量要求也日益提高，研制测量准确性高、微型化、集成化的风速传感器成为了未来风速传感器的发展趋势。

按照风速测量的不同工作原理，风速传感器可分为机械式、动压式、超声式和热式等。

机械式以风杯式为主，这种传感器体积大，可靠性较低，误差较大，且不适合高空气象探测。

动压式以皮托管为主，在测量微小风速时，误差较大。

超声波风速变送器价格昂贵，性价比低。

热式风速传感器具有灵敏度高、压损低、测量范围大、可用于极低气体流速检测的优点，但热式风速传感器检测的准确性受风向影响较大。

发明内容

本发明是为了解决现有风速传感器测量准确性低、易受风向干扰等问题，现提供基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元、传感器及传感单元的制备方法。

基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元，包括：两个基片和五个电阻，所述五个电阻分别为：一个加热电阻、两个控制电阻和两个感温电阻；

两个基片层叠固定，五个电阻沿一条直线均固定在上层基片的上表面，

两个控制电阻呈镜像对称结构分布在加热电阻两侧，两个感温电阻呈镜像对称结构分布在两个控制电阻的外侧，

两个基片的交界处开有两端开口的导流槽，该导流槽沿五个电阻排布方向设置，

每个电阻下方均沿基片厚度方向开有一个过孔，过孔内填充有导电介质，电阻通过导电介质与下层基片底面的引出端电气连接。

具体的，上述基片为陶瓷基片。

具体的，上述五个电阻的材料均为贵金属材料，所述贵金属材料为Pt、Au或Ag。

具体的，上述导流槽的长度、宽度和厚度分别为3mm～8mm、2mm～3mm和20μm～100μm。

基于HTCC工艺的热膜式风速传感器，包括：两个基片和2n+1个电阻，2n+1个电阻包括：一个加热电阻和n对电阻对，每对电阻对均包括一个控制电阻和一个感温电阻，n为正整数；

两个基片层叠固定，2n+1个电阻均固定在上层基片的上表面，

n对电阻对分布在加热电阻的周围，n对电阻对两两一组，每组中的两个电阻对呈镜像对称结构分布在加热电阻两侧，

每对电阻对中的控制电阻和感温电阻均与加热电阻呈一条直线排布，且感温电阻位于控制电阻与加热电阻之间，

两个基片的交界处开有多条两端开口的导流槽，每条导流槽沿一组镜像对称的电阻对排布方向设置，

每个电阻下方均沿基片厚度方向开有一个过孔，过孔内填充有导电介质，电阻通过导电介质与下层基片底面的引出端电气连接。

具体的，上述n对电阻对均匀分布在加热电阻的周围。

具体的，上述2n+1个电阻的材料均为贵金属材料，所述贵金属材料为Pt、Au或Ag。

上述传感单元的制备方法，

分别在两个基片上制作过孔，

采用丝网印刷法利用铂浆料对上层基片的过孔进行填孔，并在上层基片上表面分别印。

利用铂浆料对下层基片的过孔进行填孔，并在下层基片下表面每个过孔的出口处印刷引出端，

利用碳浆料在下层基片的上表面印刷导流线，其中碳浆料厚度为20μm～100μm，

将两个基片层叠贴合，使得五个电阻排布方向与导流线方向一致，且上层基片的过孔与下层基片的过孔一一正对，并对两个基片进行叠压，

将两个基片进行高温烧结，待碳浆料全部挥发后，完成传感单元的制备。

具体的，上述碳浆料型号为4550，铂浆料型号为5574。

具体的，上述高温烧结的温度为1000℃～1250℃，高温烧结之后保温2h～3h。

本发明通过对基于共烧结构的风传感器的结构设计，制作出风向影响小、测量精度高的风传感器，具体的有益效果为：

1、采用热膜式风速测量原理，用放置在流场中具有加热电流的敏感元件来测量气体流速。较传统的风杯式风速传感器，具有易实现传感器微型化，易与其他传感器集成、适用于高空气象测量的优点；

2、采用芯片多方向排布，消除风向对风速准确测量带来的影响；将单一芯片排布在不同的方向上，通过测得不同位置芯片输出数据，融合后续的算法，消除风向对风速准确测量带来的影响，提高测量的准确性；

3、通过底部增加气流通道结构设计，解决了动态测风过程中的气流不稳定的问题，提高传感器测量精度。

本发明适用于制备热膜式风速传感器。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖面图；

图3为图2的B部放大图；

图4为具体实施方式二所述的基于HTCC工艺的热膜式风速传感器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于HTCC(高温共烧陶瓷)工艺的热膜式风速传感单元，包括：两个陶瓷基片和五个电阻，两个陶瓷基片分别为上基片2和下基片1，五个电阻分别为：一个加热电阻3、两个控制电阻4和两个感温电阻5；

两个基片层叠固定，五个电阻沿一条直线均固定在上基片2的上表面，

两个控制电阻4呈镜像对称结构分布在加热电阻3两侧，两个感温电阻5呈镜像对称结构分布在两个控制电阻4的外侧，

两个基片的交界处开有两端开口的导流槽6，该导流槽6沿五个电阻排布方向设置，

每个电阻下方均沿基片厚度方向开有一个过孔7，过孔7内填充有导电介质，电阻通过导电介质与下基片1底面的引出端71电气连接。

在实际应用时，上述五个电阻的材料均为贵金属材料，所述贵金属材料为Pt、Au或Ag。

导流槽宽度小于其上方电阻宽度，使得过孔7与导流槽6不会出现重叠。具体的，导流槽6的长度、宽度和厚度分别为3mm～8mm、2mm～3mm和20μm～100μm。本实施方式通过增加导流槽6，即气流通道结构，解决了动态测风过程中的气流不稳定的问题，提高了传感器的测量精度。

具体实施方式二：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于HTCC工艺的热膜式风速传感器，包括：两个基片和2n+1个电阻，2n+1个电阻包括：一个加热电阻3和n对电阻对，每对电阻对均包括一个控制电阻4和一个感温电阻5，n为正整数；

本实施方式中，n＝8，在8对电阻对、上基片2的上表面为长方形结构的条件下，传感器的结构如下：

两个基片层叠固定，17个电阻均固定在上基片2的上表面，

加热电阻3位于上基片2上表面的中心位置，8对电阻对分布在加热电阻3的周围，8对电阻对两两一组，共构成4个组，每组中的两个电阻对呈镜像对称结构分布在加热电阻3两侧，每对电阻对中的控制电阻4和感温电阻5均与加热电阻3呈一条直线排布，且感温电阻5位于控制电阻4与加热电阻3之间，两个基片的交界处开有两端开口的导流槽6，该导流槽6沿两个镜像对称的电阻对排布方向设置。

即：如图4所示，两个基片交界处开有4条导流槽6，4条导流槽分别沿长方形基片的中线和对角线方向设置。呈镜像对称的两个电阻对和加热电阻3的排布方向与导流槽6的方向一致。

每个电阻下方均沿基片厚度方向开有一个过孔7，过孔7内填充有导电介质，电阻通过导电介质与下基片1底面的引出端71电气连接。

在实际应用时，还能够根据测量需要将n对电阻对均匀分布在加热电阻3的周围。

上述电阻的材料均为贵金属材料，所述贵金属材料为Pt、Au或Ag。

本实施方式中，电阻采用多方向排布，消除风向对风速准确测量带来的影响；将单一芯片排布在不同的方向上，通过测得不同位置芯片输出数据，融合后续的算法，消除风向对风速准确测量带来的影响，提高测量的准确性。

具体实施方式三：本实施方式是具体实施方式一所述的传感单元的制备方法，具体制备方法如下：

使用冲孔机分别在两个基片上制作过孔7，

采用丝网印刷法利用铂浆料对上基片2的过孔7进行填孔，并在上基片2上表面分别印刷五个电阻，

利用铂浆料对下基片1的过孔7进行填孔，并在下基片1下表面每个过孔7的出口处印刷引出端71，

利用碳浆料在下基片1的上表面印刷导流线，其中碳浆料厚度为20μm～100μm，

将两个基片层叠贴合，使得五个电阻排布方向与导流线方向一致，且上基片2的过孔7与下基片1的过孔7一一正对，并使用温水等静压机对两个基片进行叠压，

在温度为1000℃～1250℃的条件下对两个基片进行高温烧结，待碳浆料全部挥发后，保温2h～3h，完成传感单元的制备。

上述碳浆料型号为4550，铂浆料型号为5574。

本实施方式通过阵列化的电阻排布和导流槽结构的设计，提高了传感器的测量准确性，解决了目前热式风速传感器存在的测量受风向影响大的问题。

Claims (10)

1.基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元，其特征在于，包括：两个基片和五个电阻，所述五个电阻分别为：一个加热电阻(3)、两个控制电阻(4)和两个感温电阻(5)；

两个基片层叠固定，五个电阻沿一条直线均固定在上层基片的上表面，

两个控制电阻(4)呈镜像对称结构分布在加热电阻(3)两侧，两个感温电阻(5)呈镜像对称结构分布在两个控制电阻(4)的外侧，

两个基片的交界处开有两端开口的导流槽(6)，该导流槽(6)沿五个电阻排布方向设置，

每个电阻下方均沿基片厚度方向开有一个过孔(7)，过孔(7)内填充有导电介质，电阻通过导电介质与下层基片底面的引出端(71)电气连接。

2.根据权利要求1所述的基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元，其特征在于，基片为陶瓷基片。

3.根据权利要求1所述的基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元，其特征在于，五个电阻的材料均为贵金属材料，所述贵金属材料为Pt、Au或Ag。

4.根据权利要求1所述的基于HTCC工艺的热膜式风速传感单元，其特征在于，导流槽(6)的长度、宽度和厚度分别为3mm～8mm、2mm～3mm和20μm～100μm。

5.基于HTCC工艺的热膜式风速传感器，其特征在于，包括：两个基片和2n+1个电阻，2n+1个电阻包括：一个加热电阻(3)和n对电阻对，每对电阻对均包括一个控制电阻(4)和一个感温电阻(5)，n为正整数；

两个基片层叠固定，2n+1个电阻均固定在上层基片的上表面，

n对电阻对分布在加热电阻(3)的周围，n对电阻对两两一组，每组中的两个电阻对呈镜像对称结构分布在加热电阻(3)两侧，

每对电阻对中的控制电阻(4)和感温电阻(5)均与加热电阻(3)呈一条直线排布，且感温电阻(5)位于控制电阻(4)与加热电阻(3)之间，

两个基片的交界处开有多条两端开口的导流槽(6)，每条导流槽(6)沿一组镜像对称的电阻对排布方向设置，

每个电阻下方均沿基片厚度方向开有一个过孔(7)，过孔(7)内填充有导电介质，电阻通过导电介质与下层基片底面的引出端(71)电气连接。

6.根据权利要求5所述的基于HTCC工艺的热膜式风速传感器，其特征在于，n对电阻对均匀分布在加热电阻(3)的周围。

7.根据权利要求5所述的基于HTCC工艺的热膜式风速传感器，其特征在于，2n+1个电阻的材料均为贵金属材料，所述贵金属材料为Pt、Au或Ag。

8.权利要求1所述的传感单元的制备方法，其特征在于，

分别在两个基片上制作过孔(7)，

采用丝网印刷法利用铂浆料对上层基片的过孔(7)进行填孔，并在上层基片上表面分别印刷五个电阻，

利用铂浆料对下层基片的过孔(7)进行填孔，并在下层基片下表面每个过孔(7)的出口处印刷引出端(71)，

利用碳浆料在下层基片的上表面印刷导流线，其中碳浆料厚度为20μm～100μm，

将两个基片层叠贴合，使得五个电阻排布方向与导流线方向一致，且上层基片的过孔(7)与下层基片的过孔(7)一一正对，并对两个基片进行叠压，

将两个基片进行高温烧结，待碳浆料全部挥发后，完成传感单元的制备。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，碳浆料型号为4550，铂浆料型号为5574。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，高温烧结的温度为1000℃～1250℃，高温烧结之后保温2h～3h。