CN111323090B - 基于热反馈的微型流量传感器、气流测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于热反馈的微型流量传感器、气流测量系统及测量方法，其中，基于热反馈的微型流量传感器包括：传感单元、加热单元、运算放大器、电压输出端及稳压电源。本发明的基于热反馈的微型流量传感器采用简单的电路设计结构，可基于热反馈机制对气流速度进行精确测量，相比现有技术中的微型流量传感器，可大幅缩短响应时间，且对气流的测量基于热反馈机制，具有测量范围较宽的特点，尤其是对于大流速的气流具有更高的测量灵敏度。解决了传统的微型流量传感器所存在的测量灵敏度较小、测量范围较窄且响应时间较长的问题。

Description

基于热反馈的微型流量传感器、气流测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及气流传感器的技术领域，尤其涉及一种基于热反馈的微型流量传感器、气流测量系统及测量方法。
背景技术
微型热流量传感器作为一种无可移动部件且具有良好的CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)兼容性的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)器件，量热式微型流量传感器为一种基于热对流的测量装置，其由微型加热器和温度传感器组成，可用于对微型流量传感器周围因气流而导致的温度变化进行检测，并基于温度变化进一步测量得到气流速度及气流方向，对于流速较小的气流，具有测量精度及测量灵敏度较高的特点，近年来越来越多地作为电子元器件应用于电器设备中。
量热式微型流量传感器通常采用两种工作模式，一种是以恒定电流或恒定电压驱动微型加热器进行加热，随着气流速度增大，微型加热器温度随之降低，通过温度传感器检测微型加热器的温度变化以获取气流速度；另一种是采用电反馈机制，通过调节微型加热器的加热功率以使微型加热器保持在恒温或恒温差的状态，加热功率随气流速度增大而增大。但量热式微型流量传感器的大流量测量灵敏度较小、测量范围较窄且动态响应时间较长。
基于热反馈机制的微型流量传感器可通过调节微型流量传感器的加热功率，消除由气流而导致的温度梯度(温度差)，以此测量得到气流速度，相比传统技术方法中的量热式微型流量传感器可显著提升测量范围与大流量下的器件灵敏度。然而现有技术中的基于热反馈机制的微型流量传感器均包含复杂的热功率控制与调配电路，导致闭环负反馈系统下的信号输出出现显著延迟，因此其响应时间较长，且CMOS兼容性较低。
因而，现有技术方法中的微型流量传感器存在测量灵敏度较小、测量范围较窄且响应时间较长的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于热反馈的微型流量传感器、气流测量系统及测量方法，旨在解决现有技术中的微型流量传感器所存在的测量灵敏度较小、测量范围较窄且响应时间较长的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于热反馈的微型流量传感器，其中，包括：传感单元、加热单元、运算放大器、电压输出端及稳压电源；
所述稳压电源分别连接所述传感单元的输入电压端、所述加热单元的输入电压端及所述运算放大器的输入电压端，以输出标准稳压电压至所述传感单元、所述加热单元及所述运算放大器；
所述运算放大器的信号同向输入端连接所述传感单元的第一电压检测节点，其信号反向输入端连接所述传感单元的第二电压检测节点，其放大器输出端连接所述加热单元的电压输入节点及所述电压输出端；
所述运算放大器，用于获取所述第一电压检测节点的第一电压值及所述第二电压检测节点的第二电压值，以调整所述放大器输出端的输出电压值；
所述传感单元，用于将随气流速度及气流方向而产生变化的所述第一电压值及所述第二电压值输出至所述运算放大器；
所述加热单元，用于接收所述输出电压值并根据所述输出电压值调整加热功率；
所述电压输出端，用于将所检测得到的输出电压值作为所述微型流量传感器的测量电压进行输出。
所述的基于热反馈的微型流量传感器，其中，所述传感单元包括第一热敏电阻、第四热敏电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻；
所述第一电阻的一端作为所述传感单元的输入电压端连接所述稳压电源，所述第一电阻的另一端同时连接所述第二电阻的一端及所述第三电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述第一热敏电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接所述第四热敏电阻的一端，所述第一热敏电阻的另一端同时连接所述第四电阻的一端及所述第四热敏电阻的另一端，所述第四电阻的另一端接地；
所述第二电阻与所述第一热敏电阻的连接处作为所述第一电压检测节点；所述第三电阻与所述第四热敏电阻的连接处作为所述第二电压检测节点。
所述的基于热反馈的微型流量传感器，其中，所述加热单元包括第二热敏电阻及第三热敏电阻，所述第三热敏电阻的一端作为所述加热单元的输入电压端连接所述稳压电源，所述第三热敏电阻的另一端连接所述第二热敏电阻的一端，所述第二热敏电阻的另一端接地，所述第二热敏电阻与所述第三热敏电阻的连接处作为所述电压输入节点同时连接所述放大器输出端及所述电压输出端。
所述的基于热反馈的微型流量传感器，其中，所述第一热敏电阻、所述第二热敏电阻、所述第三热敏电阻及所述第四热敏电阻均平行架设于硅基座的刻蚀凹槽上。
所述的基于热反馈的微型流量传感器，其中，所述第二热敏电阻及所述第三热敏电阻均设置于所述第一热敏电阻与所述第四热敏电阻之间。
所述的基于热反馈的微型流量传感器，其中，所述第二热敏电阻设置于所述第一热敏电阻的一侧，所述第三热敏电阻设置于所述第四热敏电阻的一侧。
所述的基于热反馈的微型流量传感器，其中，所述第一热敏电阻、所述第二热敏电阻、所述第三热敏电阻及所述第四热敏电阻均由包覆有氧化硅的多晶硅制成。
所述的基于热反馈的微型流量传感器，其中，所述运算放大器的公共接地端或接所述稳压电源的负极，其第一增益端与其第二增益端之间设有增益调整电阻，其参考电压输入端的输入电压为所述标准稳压电压的一半。
一种气流测量系统，包括如上述的基于热反馈的微型流量传感器及计算单元，其中，所述计算单元用于接收所述微型流量传感器所输出的测量电压，并基于所述测量电压计算得到对应的气流速度及气流方向。
一种气流测量方法，所述气流测量方法应用于上述的气流测量系统，其中，所述气流测量方法包括：
所述计算单元接收所述微型流量传感器所输出的测量电压并对所述测量电压是否位于预置的电压区间内进行判断；
若所述测量电压位于所述电压区间内，根据预存的拟合函数对所述测量电压进行计算以得到对应的计算值；
若所述测量电压不位于所述电压区间内，发送气流速度超出测量范围的提示信息；
根据所述计算值确定与所述测量电压对应的气流速度及气流方向。
有益效果
与现有的技术相比，本发明具有以下突出优点和效果：本发明的基于热反馈的微型流量传感器采用简单的电路设计结构，可基于热反馈机制对气流速度进行精确测量，相比现有技术中的微型流量传感器，可大幅缩短响应时间，且对气流的测量基于热反馈机制，具有测量范围较宽的特点，尤其是对于大流速的气流具有更高的测量灵敏度。解决了传统的微型流量传感器所存在的测量灵敏度较小、测量范围较窄且响应时间较长的问题。
附图说明
图1为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的整体电路结构图；
图2为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的电路结构图；
图3为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的整体结构图；
图4为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的剖面结构图；
图5为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的剖面结构图；
图6为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的测试结构示意图；
图7为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的测试结构示意图；
图8为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的效果示意图；
图9为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的效果示意图；
图10为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的效果示意图。
图11为本发明的气流测量系统的示意性框图。
图12为本发明的气流测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
本发明提供一种基于热反馈的微型流量传感器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-图5，图1为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的整体电路结构图；图2为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的电路结构图；图3为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的整体结构图；图4为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的剖面结构图；图5为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的剖面结构图。如图所示，本发明实施例提供一种基于热反馈的微型流量传感器10，其中，包括：传感单元1、加热单元2、运算放大器3、电压输出端4及稳压电源5；所述稳压电源5分别连接所述传感单元1的输入电压端U1 +、所述加热单元2的输入电压端U2 +及所述运算放大器3的输入电压端U3 +，以输出标准稳压电压VDD至所述传感单元1、所述加热单元2及所述运算放大器3；所述运算放大器3的信号同相输入端Uin +连接所述传感单元1的第一电压检测节点UVa，其信号反相输入端Uin -连接所述传感单元1的第二电压检测节点UVb，其放大器输出端UVout连接所述加热单元2的电压输入节点UVc及所述电压输出端4。
所述运算放大器3用于获取所述第一电压检测节点UVa的第一电压值Va及所述第二电压检测节点UVb的第二电压值Vb，以调整所述放大器输出端UVout的输出电压值Vout；所述传感单元1用于将随气流速度及气流方向而产生变化的所述第一电压值Va及所述第二电压值Vb输出至所述运算放大器3；所述加热单元2用于接收所述输出电压值Vout并根据所述输出电压值Vout调整加热功率；所述电压输出端4用于将所检测得到的输出电压值Vout作为所述微型流量传感器的测量电压进行输出。通过电压输出端4即可对输出电压值Vout进行测量，也即是得到微型流量传感器的测量电压。
在实际应用过程中，若传感单元1的表面没有气流流过，传感单元1输出至运算放大器3的第一电压值Va与第二电压值Vb相等，也即是Va＝Vb；当气流以一定速度和方向流过传感单元1的表面时，气流会使传感单元1的局部的温度发生变化，温度变化导致传感单元1输出至运算放大器3的第一电压值Va及第二电压值Vb产生变化，则电压差ΔV＝Va-Vb，若ΔV＞0，则表明气流方向为正向，若ΔV＜0，则表明气流方向为反向，运算放大器3获取到电压差ΔV之后，基于ΔV进行放大调整，并将调整后的输出电压值Vout输出至加热单元2，加热单元2所产生的加热功率用于对传感单元1的加热功率进行补偿，以平衡传感单元1产生的局部温度差，这一功能也即是基于热反馈机制实现的。加热单元2接收输出电压值Vout并对其自身的加热功率进行调整，通过上述的自动反馈调节方式，调整加热单元2的加热功率以平衡因气流而导致传感单元1产生的局部的温度差，从而实现传感单元1的温差最小化，对电压输出端4的输出电压值Vout进行测量，即可获取所测量气流的气流速度及气流方向。相比现有技术中的微型流量传感器，本实施例中的基于热反馈的微型流量传感器采用简单的电路设计结构，可大幅缩短响应时间，且对气流的测量基于热反馈机制，因此对气流速度进行测量测量范围较宽，且大流速下灵敏度较高。
在更具体的实施例中，所述传感单元1包括第一热敏电阻Rs1、第四热敏电阻Rs4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4；所述第一电阻R1的一端作为所述传感单元1的输入电压端U1 +连接所述稳压电源5，所述第一电阻R1的另一端同时连接所述第二电阻R2的一端及所述第三电阻R3的一端，所述第二电阻R2的另一端连接所述第一热敏电阻Rs1的一端，所述第三电阻R3的另一端连接所述第四热敏电阻Rs4的一端，所述第一热敏电阻Rs1的另一端同时连接所述第四电阻R4的一端及所述第四热敏电阻Rs4的另一端，所述第四电阻R4的另一端接地。其中，所述第二电阻R2与所述第一热敏电阻Rs1的连接处作为所述传感单元1的第一电压检测节点UVa；所述第三电阻R3与所述第四热敏电阻Rs4的连接处作为所述传感单元1的第二电压检测节点UVb。第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4均可安装于PCB板9上或芯片硅基底上。
在更具体的实施例中，所述加热单元2包括第二热敏电阻Rs2及第三热敏电阻Rs3，所述第三热敏电阻Rs3的一端作为所述加热单元2的输入电压端U2 +连接所述稳压电源5，所述第三热敏电阻Rs3的另一端连接所述第二热敏电阻Rs2的一端，所述第二热敏电阻Rs3的另一端接地，所述第二热敏电阻Rs2与所述第三热敏电阻Rs3的连接处作为所述加热单元2的电压输入节点UVc同时连接所述放大器输出端UVout及所述电压输出端4。
在更具体的实施例中，所述第一热敏电阻Rs1、第二热敏电阻Rs2、第三热敏电阻Rs3及所述第四热敏电阻Rs4均平行架设于硅基座6的刻蚀凹槽61上。具体的，所述第一热敏电阻Rs1、第二热敏电阻Rs2、第三热敏电阻Rs3及所述第四热敏电阻Rs4均由包覆有氧化硅62的多晶硅63制成。更具体的，第一热敏电阻Rs1、第二热敏电阻Rs2、第三热敏电阻Rs3及第四热敏电阻Rs4可采用CMOS兼容制造工艺进行微加工，以使微型流量传感器可与其它任意CMOS设备进行兼容，所得到的第一热敏电阻Rs1、第二热敏电阻Rs2、第三热敏电阻Rs3、第四热敏电阻Rs4及硅基座6共同组成一个微型流量传感器测量芯片8，可将该测量芯片8平整地嵌入PCB板9中，微型流量传感器10所包含的运算放大器3等其它电子元器件均可安装于PCB板9上，这一采用简单的接口电路设计具有良好的CMOS兼容，使得可以很容易开发出与微型流量传感器测量芯片8相结合的微型集成流量传感器。微型流量传感器测量芯片8中还包括一个中间电阻RZ，其可用作测量芯片8的加热部件。
例如，在具体实施过程中，四个1μm厚的n-型多晶硅被经过两次低温氧化(lowtemperature oxide，LTO)工艺制造得到的3μm厚的二氧化硅介电保护层夹在中间形成四个薄膜微桥结构，也即是所得到的四个热敏电阻，则热敏电阻的总厚度为1μm+3μm＝4μm，热敏电阻设置于硅基座6上，通过二氧化硅刻蚀在热敏电阻和硅基座6上进行刻蚀开窗，这一蚀刻开窗过程可采用深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching，DRIE)实现，以达到高深宽比的蚀刻效果，之后可将薄层金属铝7沉积在热敏电阻的刻蚀开窗上，薄层金属铝7可作为导电材料将热敏电阻与PCB板9上所安装的其它电子元器件进行电连接；采用氟化氙(XeF2)各向同性硅刻蚀的方法对硅基座6上的刻蚀开窗进行进一步蚀刻以得到刻蚀凹槽61，刻蚀凹槽61的平均深度Hs约为300μm，也即是最终得到的四个热敏电阻均平行架设于硅基座6的刻蚀凹槽61上设置方式。其中，每个热敏电阻的尺寸均为800μm×65μm×4μm(长×宽×高)，热敏电阻的阻值为10kΩ，其温敏系数(TCR)α为1520ppm/K。
在更具体的实施例中，所述第二热敏电阻Rs2及所述第三热敏电阻Rs3均设置于所述第一热敏电阻Rs1与所述第四热敏电阻Rs4之间。具体的，所述第二热敏电阻Rs2设置于所述第一热敏电阻Rs1的一侧，所述第三热敏电阻Rs3设置于所述第四热敏电阻Rs4的一侧，第二热敏电阻Rs2靠近第一热敏电阻Rs1，以通过调整第二热敏电阻Rs2的加热功率平衡因气流而导致第一热敏电阻Rs1产生的温度变化，同理，通过调整第三热敏电阻Rs3的加热功率以平衡因气流而导致第四热敏电阻Rs4产生的温度变化，其中，若气流方向为正向，则第四热敏电阻Rs4的温度高于第一热敏电阻Rs1；若气流方向为负向，则第一热敏电阻Rs1的温度高于第四热敏电阻Rs4。第一热敏电阻Rs1、第二热敏电阻Rs2、第三热敏电阻Rs3及第四热敏电阻Rs4的具体设置方式如图3所示。
在更具体的实施例中，所述运算放大器3的公共接地端Uss接地或接所述稳压电源5的负极，公共接地端Uss的电压值为零，其第一增益端UG1与其第二增益端UG2之间设有增益调整电阻RG，其参考电压输入端UVRef的输入电压VRef为所述标准稳压电压VDD的一半，也即是VRef＝VDD/2。具体的，运算放大器3可采用仪表放大器或负反馈运算放大器，增益调整电阻RG为运算放大器3外接的电阻，可通过增益调整电阻RG的阻值对运算放大器3的增益系数进行调整，以运算放大器3采用仪表放大器INA114为例，对应的增益系数G的计算公式可采用下式进行表示：
G＝1+50kΩ/RG (1)；
式(1)中的50kΩ是运算放大器3内部的两个反馈电阻的阻值之和。
基于(1)式中的增益系数G，对应输出电压值Vout的计算公式可采用下式进行表示：
Vout＝VRef+G×ΔV (2)；
在更具体的实施例中，还可在微型流量传感器10中设置第五电阻R5，第五电阻R5的一端与放大器输出端UVout连接，另一端同时连接所述电压输入节点UVc及所述电压输出端4。
图6为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的测试结构示意图，可基于上述测试结构对本发明实施例中的微型流量传感器10的性能进行测试，为方便进行对比测试，还可在微型流量传感器10中设置一个开关K，开关K的一端同时连接放大器输出端UVout及电压输出端4(若设置第五电阻R5，则开关K的一端同时连接第五电阻R5及电压输出端4)，其另一端连接加热单元2的电压输入节点UVc。如图6所示，微型流量传感器测量芯片8平整地嵌入PCB板9中，PCB板9中四周设置有围挡91，围挡91上侧设有气流入口92及气流出口93，PCB板9顶部的围挡91与PCB板之间的高度差H＝2mm。
图8为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的效果示意图，图8也即是基于图6中的测试结构所得到的测试结果。在具体测试过程中，可设置VDD＝10V，则参考电压输入端UVRef的输入电压VRef＝5V，接通开关K，则可作为基于热反馈的微型流量传感器进行测试，所得的测试结果为图8中的深色曲线；断开开关K，则可作为量热式微型流量传感器进行对比测试(未采用热反馈机制的微型流量传感器)，所得的测试结果为图8中的浅色曲线，横坐标数值表示气流速度，气流速度范围为-6m/s至6m/s，横坐标数值为正表示气流方向为从左至右，横坐标数值为负表示气流方向为从右至左，测试所用气流为氮气流。如图8中的浅色曲线所示，未采用热反馈机制的微型流量传感器在气流速度范围为4.6至6m/s及-6至-3.3m/s的范围内的测量结果不准确，其可保证测量结果准确性的前提下所覆盖的测量范围为-3.3至4.6m/s，导致其测量范围无法覆盖-6m/s至6m/s；如图8中的深色曲线所示，基于热反馈的微型流量传感器的测量范围可覆盖-6m/s至6m/s，因此热反馈的微型流量传感器的测量范围更宽。
接通开关K，若传感单元1的表面没有气流流过，传感单元1输出至运算放大器3的第一电压值Va与第二电压值Vb相等，也即是Va＝Vb，则计算得到ΔV＝Va-Vb＝0，最终微型流量传感器所输出的测量电压Vout＝VRef＝5V，也即是Vout-VDD/2＝0，此时第三热敏电阻Rs3两端的电压值为VDD-Vout＝5V，第二热敏电阻Rs2两端的电压值为Vout＝5V，由于第二热敏电阻Rs2与第三热敏电阻Rs3的阻值相等，则第二热敏电阻Rs2与第三热敏电阻Rs3的加热功率相等；当气流以一定速度和方向流过传感单元1的表面时，气流会使传感单元1的局部的温度发生变化，导致第一热敏电阻Rs1与第四热敏电阻Rs4之间产生温度差，温度差会进一步导致传感单元1输出至运算放大器3的第一电压值Va及第二电压值Vb产生变化，则电压差ΔV＝Va-Vb，运算放大器3获取到电压差ΔV后基于ΔV进行放大调整，并将调整后的输出电压值Vout输出至加热单元2，加热单元2的加热功率根据输出电压值Vout进行自动调整以平衡因气流而导致传感单元1产生的局部的温度差，也即是调整第二热敏电阻Rs2与第三热敏电阻Rs3的加热功率，此时第三热敏电阻Rs3两端的电压值为VDD-Vout，第二热敏电阻Rs2两端的电压值为Vout，则此时第二热敏电阻Rs2与第三热敏电阻Rs3的加热功率不相等，测量电压Vout与气流速度呈正相关。
例如，以图6中的气流方向为例，当气流速度不为零时，气流流过传感单元1的表面，导致第一热敏电阻Rs1的温度低于第四热敏电阻Rs4，则此时运算放大器3获取到的电压差ΔV＝Va-Vb＞0，则Vout-VDD/2＞0，VDD＝10V，也即是Vout＞5V。加热单元2的加热功率根据输出电压值Vout进行自动调整，则靠近第一热敏电阻Rs1的第二热敏电阻Rs2的加热功率由(5V)2/Rs2调整为Vout 2/Rs2，由于Vout＞5V，则调整过程中第二热敏电阻Rs2的加热功率增大；对应的，靠近第四热敏电阻Rs1的第三热敏电阻Rs3的加热功率由(5V)2/Rs3减小至(VDD-Vout)2/Rs3，调整第二热敏电阻Rs2与第三热敏电阻Rs3的加热功率即可平衡因气流而导致传感单元1产生的局部的温度差，获取输出电压值Vout作为对应的测量电压，此时Vout-VDD/2＞0，表示气流方向为从左至右(正向)。
对基于热反馈的微型流量传感器进行测试，对所得到的多个测试点的数值进行拟合，即可得到如图8中所示的深色曲线，深色曲线也即是与拟合函数对应的函数曲线，基于该拟合函数即可获取与测量电压对应的气流速度及气流方向。
图9为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的效果示意图，基于图8中所得到的测试结果进行计算即可得到图9中的测试结果，图9用于反映微型流量传感器10接通开关K时的灵敏度Sf及断开开关K时的灵敏度S0，其中，基于图8的深色曲线中横坐标大于等于零的部分，将深色曲线对应的纵坐标数值除以其横坐标的数值，即可得到对应的灵敏度Sf，灵敏度Sf在图9中采用深色曲线进行表示；采样同样的方式对图8的浅色曲线进行计算，即可得到对应的灵敏度S0，灵敏度S0在图9中采用浅色曲线进行表示，图9(b)为对图9(a)中的虚线区域进行放大所得到的效果示意图。如图9所示，在气流速度范围为0-2m/s时，S0＞Sf，在气流速度范围为2-6m/s时，Sf＞S0，因此对于大流速(气流速度＞2m/s)，基于热反馈的微型流量传感器具有更高的测量灵敏度。
图7为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的测试结构示意图，可基于上述测试结构对本发明实施例中的微型流量传感器10的性能进行测试。如图7所示，微型流量传感器测量芯片8平整地嵌入PCB板9中，PCB板9中四周设置有围挡91，围挡91的左侧设有气流入口94，围挡91的右侧设有气流出口95，PCB板9顶部的围挡91与PCB板之间的高度差H＝2mm，右侧的气流出口95与注射器96的入口相连，注射器96设有滑块97，滑块97与注射器96的内壁之间密封，测量滑块97从注射器96中瞬态脱离时电压输出端4所测量得到的测量电压的突变量来测试微型流量传感器10的瞬态响应时间。
图10为本发明的基于热反馈的微型流量传感器的效果示意图，图10也即是基于图7中的测试结构所得到的测试结果。在具体测试过程中，接通开关K，则可作为基于热反馈的微型流量传感器进行测试，所得的测试结果为图10(a)中的曲线；断开开关K，则可作为量热式微型流量传感器进行对比测试(未采用热反馈机制的微型流量传感器)，所得的测试结果为图10(b)中的曲线，测试时气流速度均为2m/s，其中，横坐标数值为时间，横坐标数值为测量电压Vout。
具体的，根据图10(a)中的曲线，计算滑块97未脱离注射器96时的第一稳态时间ta内测量电压Vout的平均值Vout(a)＝5.014V，计算滑块97从注射器96内脱离后的第二稳态时间ta’内测量电压Vout的平均值Vout(a)’＝7.238V，则测试过程中测量电压Vout的振幅为Vout(a)’-Vout(a)＝2.224V，其中ta＝ta’＝30ms。图10(a)的曲线中a1点即为测量电压Vout首次超过10％振幅时的坐标点，a1纵坐标数值为Vout(a)+10％×(Vout(a)’-Vout(a))，也即是此时的测量电压Vout为5.2354V；图10(a)的曲线中a2点即为测量电压Vout首次超过90％振幅时的坐标点，也即是此时的测量电压Vout为7.0156V，计算坐标点a1的横坐标数值与坐标点a2的横坐标数值之间的差值即为对应的响应时间tra＝3.1ms。根据图10(b)中的曲线，计算滑块97未脱离注射器96时的第一稳态时间tb内测量电压Vout的平均值Vout(b)＝4.093V，计算滑块97从注射器96内脱离后的第二稳态时间tb’内测量电压Vout的平均值Vout(b)’＝7.523V，则测试过程中测量电压Vout的振幅为Vout(b)’-Vout(b)＝3.430V，其中tb＝tb’＝30ms，根据上述方法对应计算得到坐标点b1与坐标点b2之间的响应时间trb＝4.39ms。根据图10中的测试结果计算得到的响应时间可知，基于热反馈的微型流量传感器的响应时间(3.10ms)明显短于未采用热反馈机制的微型流量传感器的响应时间(4.39ms)。
请参阅图11，图11为本发明的气流测量系统的示意性框图。如图11所示，本发明实施例还提供一种气流测量系统100，该气流测量系统100包括上述的基于热反馈的微型流量传感器10及计算单元20。
如图11所示，该气流测量系统100包括微型流量传感器10及计算单元20，其中，所述计算单元20用于接收所述微型流量传感器10所输出的测量电压，并基于所述测量电压计算得到对应的气流速度及气流方向。计算单元20可以是具有计算功能的电子设备，例如单片机、台式电脑、笔记本电脑或工作站等。
本发明实施例还提供一种气流测量方法，该气流测量方法应用于上述的气流测量系统100中，该方法通过安装于计算单元20中的应用软件进行执行，具体地请参阅图12，图12为本发明的气流测量方法的流程示意图。
如图12所示，该气流测量方法包括步骤S110-S140。
S110、所述计算单元接收所述微型流量传感器10所输出的测量电压并对所述测量电压是否位于预置的电压区间内进行判断。预置的电压区间即为计算单元中预存的范围值，该电压区间两端的电压值可以是拟合函数中气流速度边界值对应的输出电压值。
例如，如图8中的深色曲线所示，该深色曲线对应的拟合函数中气流速度的边界值分别为-6m/s至6m/s，则对应的电压区间为[-2.3V，2.3V]。
S120、若所述测量电压位于所述电压区间内，根据预存的拟合函数对所述测量电压进行计算以得到对应的计算值。若测量电压位于电压区间内，则表明根据该拟合函数对测量电压进行计算所得到的计算值准确可信，可将测量电压输入拟合函数进行求解得到的数值即为与该测量电压对应的计算值。
S130、若所述测量电压不位于所述电压区间内，发送气流速度超出测量范围的提示信息。若测量电压不位于电压区间内，则表明根据该拟合函数对测量电压进行计算所得到的计算值不准确，当前气流速度超出可测量范围，可发送对应的提示信息。
S140、根据所述计算值确定与所述测量电压对应的气流速度及气流方向。计算值中的数值即为对应的气流速度，计算值的正或负即为对应的气流方向，具体的，若计算值为正，则表明气流方向为正向；若计算值为负，则表明气流方向为反向，所得到的气流速度及气流方向即为对气流进行测量的测量结果。
本发明公开了一种基于热反馈的微型流量传感器、气流测量系统及测量方法，上述基于热反馈的微型流量传感器采用简单的电路设计结构，可基于热反馈机制对气流速度进行精确测量，相比现有技术中的微型流量传感器，可大幅缩短响应时间，且对气流的测量基于热反馈机制，具有测量范围较宽的特点，尤其是对于大流速的气流具有更高的测量灵敏度。解决了传统的微型流量传感器所存在的测量灵敏度较小、测量范围较窄且响应时间较长的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于热反馈的微型流量传感器，其特征在于，包括：传感单元、加热单元、运算放大器、电压输出端及稳压电源；
所述稳压电源分别连接所述传感单元的输入电压端、所述加热单元的输入电压端及所述运算放大器的输入电压端，以输出标准稳压电压至所述传感单元、所述加热单元及所述运算放大器；
所述运算放大器的信号同向输入端连接所述传感单元的第一电压检测节点，其信号反向输入端连接所述传感单元的第二电压检测节点，其放大器输出端连接所述加热单元的电压输入节点及所述电压输出端；
所述运算放大器用于获取所述第一电压检测节点的第一电压值及所述第二电压检测节点的第二电压值，以调整所述放大器输出端的输出电压值；
所述传感单元用于将随气流速度及气流方向而产生变化的所述第一电压值及所述第二电压值输出至所述运算放大器；所述传感单元包括第一热敏电阻及第四热敏电阻；
所述加热单元用于接收所述输出电压值并根据所述输出电压值调整加热功率；所述加热单元包括第二热敏电阻及第三热敏电阻；
由所述第一热敏电阻、所述第二热敏电阻、所述第三热敏电阻及所述第四热敏电阻组合成的微型流量传感器测量芯片还包括中间电阻；所述第一热敏电阻、所述第二热敏电阻、所述第三热敏电阻及所述第四热敏电阻均由单独包覆有氧化硅的多晶硅制成；
所述电压输出端用于将所检测得到的输出电压值作为所述微型流量传感器的测量电压进行输出。
2.如权利要求1所述的基于热反馈的微型流量传感器，其特征在于，所述传感单元还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻；
所述第一电阻的一端作为所述传感单元的输入电压端连接所述稳压电源，所述第一电阻的另一端同时连接所述第二电阻的一端及所述第三电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述第一热敏电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接所述第四热敏电阻的一端，所述第一热敏电阻的另一端同时连接所述第四电阻的一端及所述第四热敏电阻的另一端，所述第四电阻的另一端接地；
所述第二电阻与所述第一热敏电阻的连接处作为所述第一电压检测节点；所述第三电阻与所述第四热敏电阻的连接处作为所述第二电压检测节点。
3.如权利要求2所述的基于热反馈的微型流量传感器，其特征在于，所述第三热敏电阻的一端作为所述加热单元的输入电压端连接所述稳压电源，所述第三热敏电阻的另一端连接所述第二热敏电阻的一端，所述第二热敏电阻的另一端接地，所述第二热敏电阻与所述第三热敏电阻的连接处作为所述电压输入节点同时连接所述放大器输出端及所述电压输出端。
4.如权利要求3所述的基于热反馈的微型流量传感器，其特征在于，所述第一热敏电阻、所述第二热敏电阻、所述第三热敏电阻及所述第四热敏电阻均平行架设于硅基座的刻蚀凹槽上。
5.如权利要求4所述的基于热反馈的微型流量传感器，其特征在于，所述第二热敏电阻及所述第三热敏电阻均设置于所述第一热敏电阻与所述第四热敏电阻之间。
6.如权利要求5所述的基于热反馈的微型流量传感器，其特征在于，所述第二热敏电阻设置于所述第一热敏电阻的一侧，所述第三热敏电阻设置于所述第四热敏电阻的一侧。
7.如权利要求1-3任一项所述的基于热反馈的微型流量传感器，其特征在于，所述运算放大器的公共接地端或接所述稳压电源的负极，其第一增益端与其第二增益端之间设有增益调整电阻，其参考电压输入端的输入电压为所述标准稳压电压的一半。
8.一种气流测量系统，包括如权利要求1-7任一项所述的基于热反馈的微型流量传感器及计算单元，其特征在于，所述计算单元用于接收所述微型流量传感器所输出的测量电压，并基于所述测量电压计算得到对应的气流速度及气流方向。
9.一种气流测量方法，所述气流测量方法应用于如权利要求8所述的气流测量系统，其特征在于，所述气流测量方法包括：
所述计算单元接收所述微型流量传感器所输出的测量电压并对所述测量电压是否位于预置的电压区间内进行判断；
若所述测量电压位于所述电压区间内，根据预存的拟合函数对所述测量电压进行计算以得到对应的计算值；
若所述测量电压不位于所述电压区间内，发送气流速度超出测量范围的提示信息；
根据所述计算值确定与所述测量电压对应的气流速度及气流方向。
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