CN111060715A - 一种基于热电堆的加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于热电堆的加速度传感器，该加速度传感器包括封装体、键合层、基板、左热电堆、右热电堆和发热单元；所述发热单元产生热量，其热量会通过质量块与发热单元之间的空气传递给左右热电堆，当有加速度时，两个热电堆感受到的热量为稳态，当存在加速度时，质量块的移动会导致质量块与发热单元之间的间隙发生变化或质量块与左右热电堆的间隙发生变化，从而影响间隙空间中的空气量，进而导致热量传递的变化，使得左右热电堆的热结果发生变化，通过所述变化计算、推算或映射获得加速度。本发明结构简单，成本低，易于加工，原理简单，体积小，集成性好，灵敏度高，不易受到电磁环境的干扰，可采用微加工工艺进行大批量生产。

Description

一种基于热电堆的加速度传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于热电堆的加速度传感器。
背景技术
加速度计是惯性系统中用于测量加速度的关键元器件，基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-System)加工制作的微型加速度传感器因其体积小、成本低、集成性好、性能优良等诸多优点已在工业、医疗、民用、军事等非常广泛的领域得到了越来越多的应用。目前，在各类移动终端、相机、游戏手柄、导航仪等产品的应用中，在一定程度上，已经成为标准配置。在研制过程中，电容式、压阻式、压电式作为检测加速度的方式是主要应用的机理。然而，电容式加速度传感器虽然结构简单，但是容易受到电磁干扰，且其自身存在的寄生电容对测量精度具有较大的影响，压阻式及压电式加速度传感器结构复杂，研发过程中需要考虑的因素较多，导致研发周期及成本提高。本发明利用热传递的原理，设计一种结构简单，成本低，容易加工的加速度传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：简化结构，降低成本，易于加工，用于解决现有加速度传感器易受干扰、结构复杂、研发周期长等问题。
技术方案：
本发明提供一种基于热电堆的加速度传感器，该加速度传感器包括封装体、键合层、基板、左热电堆、右热电堆和发热单元；
所述封装体分为封装左支撑、封装右支撑、左悬浮梁、右悬浮梁和质量块，左悬浮梁和右悬浮梁分别位于所述质量块左右两边，质量块通过左悬浮梁和右悬浮梁悬吊在封装左支撑与封装右支撑之间，且封装左支撑和封装右支撑均通过键合层固化封装在基板上端面；所述左悬浮梁和右悬浮梁对质量块形成弹性支撑，所述封装体的运动会导致左悬浮梁和右悬浮梁形变，同时使得质量块随动；
所述左悬浮梁下方的基板上端面设置有左热电堆，所述右悬浮梁下方的基板上端面设置有右热电堆，质量块下方的基板上端面设置有发热单元；
所述发热单元产生热量，其热量会通过质量块与发热单元之间的空气传递给左右热电堆，当有加速度时，两个热电堆感受到的热量为稳态，当存在加速度时，质量块的移动会导致质量块与发热单元之间的间隙发生变化或质量块与左右热电堆的间隙发生变化，从而影响间隙空间中的空气量，进而导致热量传递的变化，使得左右热电堆的热结果发生变化，通过所述变化计算、推算或映射获得加速度。
进一步的，当有向下的加速度时，根据牛顿第三定律，质量块上浮，质量块与发热单元之间的间隙增加，传递到两个热电堆的热量减少，根据热量的减少量获得向下加速度的值。
进一步的，当有向上的加速度时，根据牛顿第三定律，质量块下沉，质量块与发热单元之间的间隙减少，传递到两个热电堆的热量增加，根据热量的增加量获得向下加速度的值。
进一步的，当有向左加速度时，根据牛顿第三定律，质量块右移，使得部分热量被质量块带到右热电堆，使得右热电堆感热量大于左热电堆感热量，根据大于的热量，获得向左加速度值。
进一步的，当有向右加速度时，根据牛顿第三定律，质量块左移，使得部分热量被质量块带到左热电堆，使得右热电堆感热量小于左热电堆感热量，根据小于的热量，获得向左加速度值。
进一步的，所述发热单元为加热片，优选为电阻加热片。
进一步的，所述基板的下端面形成基板封装。
进一步的，所述封装体为硅晶体。
进一步的，所述封装体的封装左支撑、封装右支撑、左悬浮梁、右悬浮梁和质量块通过微加工工艺制备，所述微加工工艺为激光、电镀、溅射或者气相沉积工艺。
本发明的有益效果：本发明结构简单，成本低，易于加工，原理简单，体积小，集成性好，灵敏度高，不易受到电磁环境的干扰，可采用微加工工艺进行大批量生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图(实施例1)；
图2a为实施例2中封装体的俯视图；
图2b为实施例2中封装体的侧视图；
图3a和图3b均为垂直向加速度状态下的示意图；
图4a和图4b均为水平向加速度状态下的示意图；
其中：1-封装体；2-基板；3-左悬浮梁；4-右悬浮梁；5-质量块；6-左热电堆；7-右热电堆；8-发热单元；9-键合层；10-基板封装；11-封装左支撑；12-封装右支撑。
具体实施方式
结合附图给出如下实施例
实施例1，参见图1-3b，提供一种基于热电堆的加速度传感器，该加速度传感器包括封装体、键合层、基板、左热电堆、右热电堆和发热单元；
所述封装体分为封装左支撑、封装右支撑、左悬浮梁、右悬浮梁和质量块，左悬浮梁和右悬浮梁分别位于所述质量块左右两边，质量块通过左悬浮梁和右悬浮梁悬吊在封装左支撑与封装右支撑之间，且封装左支撑和封装右支撑均通过键合层固化封装在基板上端面；所述左悬浮梁和右悬浮梁对质量块形成弹性支撑，所述封装体的运动会导致左悬浮梁和右悬浮梁形变，同时使得质量块随动；
所述左悬浮梁下方的基板上端面设置有左热电堆，所述右悬浮梁下方的基板上端面设置有右热电堆，质量块下方的基板上端面设置有发热单元；
所述发热单元产生热量，其热量会通过质量块与发热单元之间的空气传递给左右热电堆，当有加速度时，两个热电堆感受到的热量为稳态，当存在加速度时，质量块的移动会导致质量块与发热单元之间的间隙发生变化或质量块与左右热电堆的间隙发生变化，从而影响间隙空间中的空气量，进而导致热量传递的变化，使得左右热电堆的热结果发生变化，通过所述变化计算、推算或映射获得加速度。
当有向下的加速度时，根据牛顿第三定律，质量块上浮，质量块与发热单元之间的间隙增加，传递到两个热电堆的热量减少，根据热量的减少量获得向下加速度的值。
当有向上的加速度时，根据牛顿第三定律，质量块下沉，质量块与发热单元之间的间隙减少，传递到两个热电堆的热量增加，根据热量的增加量获得向下加速度的值。
所述发热单元为加热片，优选为电阻加热片。
所述基板的下端面形成基板封装。
所述封装体为硅晶体。
所述封装体的封装左支撑、封装右支撑、左悬浮梁、右悬浮梁和质量块通过微加工工艺制备，所述微加工工艺为激光、电镀、溅射或者气相沉积工艺。
实施例2，参见图1-2b，4a和4b，提供一种基于热电堆的加速度传感器，该加速度传感器包括封装体、键合层、基板、左热电堆、右热电堆和发热单元；
所述封装体分为封装左支撑、封装右支撑、左悬浮梁、右悬浮梁和质量块，左悬浮梁和右悬浮梁分别位于所述质量块左右两边，质量块通过左悬浮梁和右悬浮梁悬吊在封装左支撑与封装右支撑之间，且封装左支撑和封装右支撑均通过键合层固化封装在基板上端面；所述左悬浮梁和右悬浮梁对质量块形成弹性支撑，所述封装体的运动会导致左悬浮梁和右悬浮梁形变，同时使得质量块随动；
所述左悬浮梁下方的基板上端面设置有左热电堆，所述右悬浮梁下方的基板上端面设置有右热电堆，质量块下方的基板上端面设置有发热单元；
所述发热单元产生热量，其热量会通过质量块与发热单元之间的空气传递给左右热电堆，当有加速度时，两个热电堆感受到的热量为稳态，当存在加速度时，质量块的移动会导致质量块与发热单元之间的间隙发生变化或质量块与左右热电堆的间隙发生变化，从而影响间隙空间中的空气量，进而导致热量传递的变化，使得左右热电堆的热结果发生变化，通过所述变化计算、推算或映射获得加速度。
当有向左加速度时，根据牛顿第三定律，质量块右移，使得部分热量被质量块带到右热电堆，使得右热电堆感热量大于左热电堆感热量，根据大于的热量，获得向左加速度值。
当有向右加速度时，根据牛顿第三定律，质量块左移，使得部分热量被质量块带到左热电堆，使得右热电堆感热量小于左热电堆感热量，根据小于的热量，获得向左加速度值。
所述发热单元为加热片，优选为电阻加热片。
所述基板的下端面形成基板封装。
所述封装体为硅晶体。
所述封装体的封装左支撑、封装右支撑、左悬浮梁、右悬浮梁和质量块通过微加工工艺制备，所述微加工工艺为激光、电镀、溅射或者气相沉积工艺。

Claims (9)

1.一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：该加速度传感器包括封装体、键合层、基板、左热电堆、右热电堆和发热单元；
所述封装体分为封装左支撑、封装右支撑、左悬浮梁、右悬浮梁和质量块，左悬浮梁和右悬浮梁分别位于所述质量块左右两边，质量块通过左悬浮梁和右悬浮梁悬吊在封装左支撑与封装右支撑之间，且封装左支撑和封装右支撑均通过键合层固化封装在基板上端面；所述左悬浮梁和右悬浮梁对质量块形成弹性支撑，所述封装体的运动会导致左悬浮梁和右悬浮梁形变，同时使得质量块随动；
所述左悬浮梁下方的基板上端面设置有左热电堆，所述右悬浮梁下方的基板上端面设置有右热电堆，质量块下方的基板上端面设置有发热单元；
所述发热单元产生热量，其热量会通过质量块与发热单元之间的空气传递给左右热电堆，当有加速度时，两个热电堆感受到的热量为稳态，当存在加速度时，质量块的移动会导致质量块与发热单元之间的间隙发生变化或质量块与左右热电堆的间隙发生变化，从而影响间隙空间中的空气量，进而导致热量传递的变化，使得左右热电堆的热结果发生变化，通过所述变化计算、推算或映射获得加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：当有向下的加速度时，根据牛顿第三定律，质量块上浮，质量块与发热单元之间的间隙增加，传递到两个热电堆的热量减少，根据热量的减少量获得向下加速度的值。
3.根据权利要求1所述的一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：当有向上的加速度时，根据牛顿第三定律，质量块下沉，质量块与发热单元之间的间隙减少，传递到两个热电堆的热量增加，根据热量的增加量获得向下加速度的值。
4.根据权利要求1所述的一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：当有向左加速度时，根据牛顿第三定律，质量块右移，使得部分热量被质量块带到右热电堆，使得右热电堆感热量大于左热电堆感热量，根据大于的热量，获得向左加速度值。
5.根据权利要求1所述的一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：当有向右加速度时，根据牛顿第三定律，质量块左移，使得部分热量被质量块带到左热电堆，使得右热电堆感热量小于左热电堆感热量，根据小于的热量，获得向左加速度值。
6.根据权利要求1所述的一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：所述发热单元为加热片，优选为电阻加热片。
7.根据权利要求1所述的一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：进一步的，所述基板的下端面形成基板封装。
8.根据权利要求1所述的一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：所述封装体为硅晶体。
9.根据权利要求8所述的一种基于热电堆的加速度传感器，其特征在于：所述封装体的封装左支撑、封装右支撑、左悬浮梁、右悬浮梁和质量块通过微加工工艺制备，所述微加工工艺为激光、电镀、溅射或者气相沉积工艺。
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