CN115598373A - 基于珀尔帖效应的风速风向传感器、检测装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于珀尔帖效应的风速风向传感器、风速风向检测装置及电子设备。风速风向传感器包括衬底；热电堆，热电堆设置于衬底中心，并连接用于连接外部电路的加热电极；多个感应元件，多个感应元件在衬底的上下两侧均匀分布于热电堆周围；每一感应元件对应连接一感应电极，感应电极用于连接外部电路。当热电堆中有电流通过时，由于珀尔帖效应，热电堆会在一端制冷，另一端制热，使得该风速风向传感器芯片的一侧形成热场，另一侧形成冷场，从而通过感应元件同时对冷场和热场的检测来测量风速风向。相比传统仅测量热场的传感器，提高了风速测量精度，且热电堆制热和制冷的速度快，使得传感器的响应速度更快，灵敏度更高。
Description
技术领域
本申请涉及测量测试技术领域，特别是涉及一种基于珀尔帖效应的风速风向传感器、风速风向检测装置及电子设备。
背景技术
风能作为清洁无污染和可持续发展的能源一直是资源开放利用的重点。风速、风向是反应风影响的气象情况的重要参数，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响。随着物联网信息和集成电路的快速发展，风速风向监测的需求正逐渐增加，从传统的气象预报、交通旅游、航空航天等领域逐渐扩大到城市建设、农业生产等领域。应用领域的扩大导致了对低成本、低功耗、小型化风速风向传感器的需求进一步扩大，而MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)风速风向传感器正满足了相应的需求。
MEMS热式风速风向传感器相比于传统的测风仪器(机械式、超声式)，具有体积小、功耗低等优点。其原理是利用芯片中心的加热元件产生热场，通过热敏元件对随风而变化的热场进行检测。但是，传统的MEMS热式风速风向传感器只能通过热场进行检测，依然很难实现更高的测量精度。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种测量精度更高的的基于珀尔帖效应的风速风向传感器、风速风向检测装置及电子设备。
一种基于珀尔帖效应的风速风向传感器，包括：
衬底；
热电堆，所述热电堆设置于所述衬底中心，并连接用于连接外部电路的加热电极；
多个感应元件，多个感应元件在所述衬底的上下两侧均匀分布于所述热电堆周围；每一所述感应元件对应连接一感应电极，所述感应电极用于连接外部电路。
在其中一个实施例中，所述热电堆包括多个N型半导体、多个P型半导体和多个电连接组件；所述N型半导体和所述P型半导体垂直贯穿于所述衬底的中心区域，且间隔设置，相邻的所述N型半导体和所述P型半导体通过所述电连接组件连接，位于首位和末位的半导体分别通过所述电连接组件连接一加热电极。
在其中一个实施例中，所述N型半导体和所述P型半导体的数量相同。
在其中一个实施例中，所述电连接组件为铜连接组件。
在其中一个实施例中，所述感应元件的数量为八个，其中四个所述感应元件在所述衬底的一侧以所述热电堆为中心，均等围绕分布在所述热电堆四周；其余四个所述感应元件在所述衬底的另一侧以所述热电堆为中心，均等围绕分布在所述热电堆四周。
在其中一个实施例中，所述感应元件为热敏电阻。
在其中一个实施例中，所述衬底为玻璃衬底。
在其中一个实施例中，还包括设置于所述衬底两侧的陶瓷层，所述陶瓷层覆盖所述热电堆和所述感应元件。
一种风速风向检测装置，包括：处理电路以及如上述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器；所述风速风向传感器用于感应风的应力，并输出对应的应力信号；所述处理电路与所述风速风向传感器连接，根据所述应力信号确定对应的风速和风向信息。
一种电子设备，包括如上述的风速风向检测装置。
上述基于珀尔帖效应的风速风向传感器、风速风向检测装置及电子设备，该风速风向传感器包括衬底；热电堆，热电堆设置于衬底中心，并连接用于连接外部电路的加热电极；多个感应元件，多个感应元件在衬底的上下两侧均匀分布于热电堆周围；每一感应元件对应连接一感应电极，感应电极用于连接外部电路。当热电堆中有电流通过时，由于珀尔帖效应，热电堆会在一端制冷，另一端制热，使得该芯片的一侧形成热场，另一侧形成冷场。无风时，芯片上下表面的冷热温度场稳定且对称分布，周围感应元件的检测值不发生改变；当有风时，风使冷热温度场发生偏移，各感应元件灵敏地测量到温度变化即可得到相应的风速分量。从而通过同时对冷场和热场的检测来测量风速风向，相比传统仅测量热场的传感器，提高了风速测量精度，且热电堆制热和制冷的速度快，使得传感器的响应速度更快，灵敏度更高。
附图说明
图1为一个实施例中基于珀尔帖效应的风速风向传感器的结构剖视示意图；
图2为一个实施例中基于珀尔帖效应的风速风向传感器在无风时的温度场示意图；
图3为一个实施例中基于珀尔帖效应的风速风向传感器在有风时的温度场示意图；
图4为一个实施例中基于珀尔帖效应的风速风向传感器的第一视角示意图；
图5为一个实施例中基于珀尔帖效应的风速风向传感器的第二视角示意图；
图6为一个实施例中基于珀尔帖效应的风速风向传感器的热电堆结构示意图；
图7为一个实施例中风速风向检测装置的模块示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，提供了一种基于珀尔帖效应的风速风向传感器，如图1所示，该风速风向传感器包括衬底1、热电堆7和多个感应元件2。热电堆7设置于衬底1中心，并连接用于连接外部电路的加热电极(未示出)；多个感应元件2在衬底1的上下两侧均匀分布于热电堆7周围；每一感应元件2对应连接一感应电极(未示出)，感应电极用于连接外部电路。
本实施例中，该风速风向传感器集成为芯片结构，热电堆7设置于衬底1的中心区域，且贯穿于衬底1的上下两侧，热电堆7的两端分别连接用于连接外部电路的加热电极。可以理解的，热电堆7是一种由热电偶构成的器件，具有珀尔帖效应，珀耳帖效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。因此，如图2所示，当热电堆7中有电流通过时，热电堆7会在一端制冷，另一端制热，使得该芯片的一侧形成热场，另一侧形成冷场。
感应元件2的数量为多个，在衬底1的上侧面，多个感应元件2均匀分布于热电堆7周围；在衬底1的下侧面，多个感应元件2也均匀分布于热电堆7周围，感应元件2均连接用于连接外部电路的感应电极。无风时，芯片上下表面的冷热温度场稳定且对称分布，热电堆7周围的感应元件2的检测值不发生改变；当有风时，如图3所示，风使冷、热温度场发生偏移，各感应元件2灵敏地测量到冷场和热场的温度变化，外部连路通过采样各感应元件2的检测值确定风速和风向。外部电路的结构不需要限定，本领域技术人员参照现有技术能够实现即可。
上述基于珀尔帖效应的风速风向传感器包括衬底1；热电堆7，热电堆7设置于衬底1中心，并连接用于连接外部电路的加热电极；多个感应元件2，多个感应元件2在衬底的上下两侧均匀分布于热电堆7周围；每一感应元件2对应连接一感应电极，感应电极用于连接外部电路。当热电堆7中有电流通过时，由于珀尔帖效应，热电堆7会在一端制冷，另一端制热，使得该芯片的一侧形成热场，另一侧形成冷场。无风时，芯片上下表面的冷热温度场稳定且对称分布，周围感应元件2的检测值不发生改变；当有风时，风使冷热温度场发生偏移，各感应元件2灵敏地测量到温度变化即可得到相应的风速分量。从而通过同时对冷场和热场的检测来测量风速风向，相比传统仅测量热场的传感器，提高了风速测量精度，且热电堆制热和制冷的速度快，使得传感器的响应速度更快，灵敏度更高。
感应元件2的数量可以根据实际需要选择，根据感应元件2数量的不同，排布方式也会不同；分布于衬底1两侧的感应元件2的数量可以相同也可以不相同，需要结合实际需要设置。
在一个实施例中，如图4-图5所示，感应元件2的数量为八个，其中四个感应元件2在衬底1的上侧以热电堆7为中心，均等围绕分布在热电堆7四周；其余四个感应元件2在衬底1的下侧以热电堆7为中心，均等围绕分布在热电堆7四周，从而构成双热温差式结构，分布对冷热温度场进行测量，得到相应的风场信息。
进一步地，分布在衬底1的两侧的感应元件2分布与热电堆7的两端位于同一平面，每一侧的感应元件2两两平行构成一组，两组感应元件2相互正交，从而构成差分结构的。有风吹过时，冷场和热场分布随风向以及风速发生偏移，在两组感应元件2所处的相互正交的方向上形成温度梯度，测量该温度梯度即可得到相应的风速分量。因此，通过两对感应元件2测量因风产生的冷热温度梯度的测量值就可以得到相应的风场信息，测量更准确可靠。
感应元件2为温度敏感元件，如光纤光栅温度传感器等。在一个实施例中，感应元件2为热敏电阻，热敏电阻对温度感应灵敏、电路结构简单、成本低。
上述衬底的材料可以根据实际需要选择，如陶瓷、碳化硅、氮化镓等。在一个实施例中，衬底为玻璃衬底，玻璃为低热导率材料，使得该传感器的测量准确性更高。并且玻璃衬底具备价格低廉、无生产尺寸限制、应用场景广泛等优势，使基于玻璃衬底的风速风向传感器的制作工艺简单，成本低、易于批量生产。
在一个实施例中，再次参照图1和图6，热电堆7包括多个N型半导体4、多个P型半导体5和多个电连接组件3；N型半导体4和P型半导体5垂直贯穿于衬底1的中心区域，且N型半导体4和P型半导体5间隔设置，相邻的N型半导体4和P型半导体5通过电连接组件3连接，位于首位和末位的半导体分别通过电连接组件3连接一加热电极。其中，电连接组件3具体可设置在衬底1的两侧，将N型半导体4和P型半导体5交替间隔设置在衬底1的中心区域，且通过电连接组件3首尾相连。以位于中间位置的N型半导体4为例，则N型半导体4的一端通过位于衬底1第一侧的电连接组件3与位于N型半导体4一侧的P型半导体5连接，N型半导体4的另一端通过位于衬底1第二侧的电连接组件3与位于N型半导体4另一侧的P型半导体5连接。
本实施例中，由N型半导体4、P型半导体5和电连接组件3构成热电堆7，按照与外部电路连接时的电流流向，位于首位的半导体为P型半导体5，其一端在衬底1的第一侧与电连接组件3连接，电连接组件3通过导线连接加热电极；其另一端在衬底1的第二侧通过电连接组件3与N型半导体4的一端连接，N型半导体4的另一端连接在衬底1的第一侧通过电连接组件3与另一P型半导体5的一端连接，如此，多个N型半导体4、P型半导体5依次连接，位于末位的半导体通过电连接组件3和导线连接加热电极。根据实际需要，加热电极可以延伸出衬底，便于连接外部电路。衬底1的第一侧和第二侧为上侧和下侧，具体不需要限定。
进一步地，N型半导体4和P型半导体5的数量相同，用于连接加热电极的两个电连接组件3设置于衬底1的同一侧，更便于设计和实现。
其中，电连接组件的材质为具有导电特性的金属，在一个实施例中，电连接组件3为铜连接组件。利用铜质导体的高导电性、高柔韧性、高抗拉强度、高延展性和散热好、易于焊接的特性，提高该风速风向传感器的性能。具体的，电连接组件3可以为铜片，以减小该风速风向传感器芯片的厚底和体积。
本申请提供的基于珀尔帖效应的风速风向传感器，采用热敏电容测量温度梯度，可有效提高测量灵敏度和可靠性，降低传感器的功耗。该风速风向传感器结构简单、体积小、成本较低、易于批量加工生产。
还需要说明的是，基于珀尔帖效应的风速风向传感器还包括设置于衬底两侧的陶瓷层6，陶瓷层6覆盖热电堆7和感应元件2。陶瓷6覆盖在芯片的外侧，起到保护作用。
在一个实施例中，制备上述风速风向传感器的方法包括如下步骤：
(1)制备热电堆，将热电堆安装于衬底中心；
(2)分别在衬底的上、下两侧形成多个感应元件，使多个热敏电阻在衬底的上下两侧均匀分布于热电堆周围；
(3)通过导线将热电堆连接加热电极，将感应元件连接感应电极。
具体的，准备n型半导体和p型半导体材料，利用铜片将n型半导体和p型半导体材料焊接成为热电堆；在玻璃衬底上淀积Pt，形成多个热敏电阻；将热电堆嵌入到玻璃衬底中，并利用粘接胶固定；最后在芯片上下表面粘接一层陶瓷层，形成更稳定的结构。
该风速传感器工作时，热电堆7以及热敏电阻分别连入外部电路中。当热电堆7中有电流通过时，由于珀尔帖效应，热电堆7会在一端制冷，另一端制热。由于周围温度的变化会导致热敏电阻阻值发生改变，可以通过惠斯通电桥将电阻阻值的变化转变为电压信号，方便测量。无风时，芯片产生的温度场在上下表面稳定且对称分布，周围热敏电阻的阻值不发生改变；当有风时，由于风会带走热量，使芯片上下表面的温度场发生偏移，上下游热敏电阻的阻值均发生变化，通过外部惠斯通电桥即可检测其变化，最终可得到风速风向值。
相比于传统的MEMS热式风速传感器，该基于珀尔帖效应的双热温差式风速风向传感器通过同时对热场和冷场进行测量，具有响应速度快，灵敏度高、测量精度高等优点。通过在芯片上表面制冷，下表面制热的方法，使温度场能够保持在芯片的上下表面，减少了温度场向外的散失，同时也进一步地提高了传感器的灵敏度。
在一个实施例中，如图7所示，提供一种风速风向检测装置，包括基于珀尔帖效应的风速风向传感器100和处理电路200，风速风向传感器100用于感应风的应力，并输出对应的应力信号；处理电路200与风速风向传感器100连接，根据应力信号确定对应的风速和风向信息。该风速风向检测装置的响应速度快，灵敏度高、测量精度高。
在一个实施例中，基于珀尔帖效应的风速风向传感器100包括：衬底；热电堆，热电堆设置于衬底中心，并连接用于连接外部电路的加热电极；多个感应元件，多个感应元件在衬底的上下两侧均匀分布于热电堆周围；每一感应元件对应连接一感应电极，感应电极用于连接外部电路。
当热电堆中有电流通过时，由于珀尔帖效应，热电堆会在一端制冷，另一端制热，使得该芯片的一侧形成热场，另一侧形成冷场。无风时，芯片上下表面的冷热温度场稳定且对称分布，周围感应元件的检测值不发生改变；当有风时，风使冷热温度场发生偏移，各感应元件灵敏地测量到温度变化即可得到相应的风速分量。从而通过同时对冷场和热场的检测来测量风速风向，相比传统仅测量热场的传感器，提高了风速测量精度，且热电堆制热和制冷的速度快，使得传感器的响应速度更快，灵敏度更高。
在一个实施例中，热电堆包括多个N型半导体、多个P型半导体和多个电连接组件；N型半导体和P型半导体垂直贯穿于衬底的中心区域，且间隔设置，相邻的N型半导体和P型半导体通过电连接组件连接，位于首位和末位的半导体分别通过电连接组件连接一加热电极。
在一个实施例中，N型半导体和P型半导体的数量相同。
在一个实施例中，电连接组件为铜连接组件。
在一个实施例中，感应元件的数量为八个，其中四个感应元件在衬底的上侧以热电堆为中心，均等围绕分布在热电堆四周；其余四个感应元件在衬底的下侧以热电堆为中心，均等围绕分布在热电堆四周。
在一个实施例中，感应元件为热敏电阻。
在一个实施例中，衬底为玻璃衬底。
在一个实施例中，基于珀尔帖效应的风速风向传感器还包括设置于衬底两侧的陶瓷层，陶瓷层覆盖热电堆和感应元件。
在一个实施例中，风速风向检测装置还可以包括显示电路，显示电路与处理电路200连接，处理电路200用于控制显示电路根据风速和风向信息进行显示。从而使用户及时了解到当前风速和风向，以便采取对应的措施。
在一个实施例中，提供一种电子设备，包括风速风向检测装置，以实现精确、灵敏地对风速和风向的检测。
在一个实施例中，风速风向检测装置包括基于珀尔帖效应的风速风向传感器和处理电路，风速风向传感器用于感应风的应力，并输出对应的应力信号；处理电路与风速风向传感器连接，根据应力信号确定对应的风速和风向信息。该风速风向检测装置的响应速度快，灵敏度高、测量精度高，使得电子设备对风速的检测和应用更灵敏。
在一个实施例中，基于珀尔帖效应的风速风向传感器包括：衬底；热电堆，热电堆设置于衬底中心，并连接用于连接外部电路的加热电极；多个感应元件，多个感应元件在衬底的上下两侧均匀分布于热电堆周围；每一感应元件对应连接一感应电极，感应电极用于连接外部电路。
当热电堆中有电流通过时，由于珀尔帖效应，热电堆会在一端制冷，另一端制热，使得该芯片的一侧形成热场，另一侧形成冷场。无风时，芯片上下表面的冷热温度场稳定且对称分布，周围感应元件的检测值不发生改变；当有风时，风使冷热温度场发生偏移，各感应元件灵敏地测量到温度变化即可得到相应的风速分量。从而通过同时对冷场和热场的检测来测量风速风向，相比传统仅测量热场的传感器，提高了风速测量精度，且热电堆制热和制冷的速度快，使得传感器的响应速度更快，灵敏度更高。
在一个实施例中，热电堆包括多个N型半导体、多个P型半导体和多个电连接组件；N型半导体和P型半导体垂直贯穿于衬底的中心区域，且间隔设置，相邻的N型半导体和P型半导体通过电连接组件连接，位于首位和末位的半导体分别通过电连接组件连接一加热电极。
在一个实施例中，N型半导体和P型半导体的数量相同。
在一个实施例中，电连接组件为铜连接组件。
在一个实施例中，感应元件的数量为八个，其中四个感应元件在衬底的上侧以热电堆为中心，均等围绕分布在热电堆四周；其余四个感应元件在衬底的下侧以热电堆为中心，均等围绕分布在热电堆四周。
在一个实施例中，感应元件为热敏电阻。
在一个实施例中，衬底为玻璃衬底。
在一个实施例中，基于珀尔帖效应的风速风向传感器还包括设置于衬底两侧的陶瓷层，陶瓷层覆盖热电堆和感应元件。
在一个实施例中，风速风向检测装置还可以包括显示电路，显示电路与处理电路连接，处理电路用于控制显示电路根据风速和风向信息进行显示。从而使用户及时了解到当前风速和风向，以便采取对应的措施。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于珀尔帖效应的风速风向传感器，其特征在于，包括：
衬底；
热电堆，所述热电堆设置于所述衬底中心，并连接用于连接外部电路的加热电极；
多个感应元件，多个感应元件在所述衬底的上下两侧均匀分布于所述热电堆周围；每一所述感应元件对应连接一感应电极，所述感应电极用于连接外部电路。
2.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器，其特征在于，所述热电堆包括多个N型半导体、多个P型半导体和多个电连接组件；所述N型半导体和所述P型半导体垂直贯穿于所述衬底的中心区域，且间隔设置，相邻的所述N型半导体和所述P型半导体通过所述电连接组件连接，位于首位和末位的半导体分别通过所述电连接组件连接一加热电极。
3.根据权利要求2所述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器，其特征在于，所述N型半导体和所述P型半导体的数量相同。
4.根据权利要求2所述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器，其特征在于，所述电连接组件为铜连接组件。
5.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器，其特征在于，所述感应元件的数量为八个，其中四个所述感应元件在所述衬底的一侧以所述热电堆为中心，均等围绕分布在所述热电堆四周；其余四个所述感应元件在所述衬底的另一侧以所述热电堆为中心，均等围绕分布在所述热电堆四周。
6.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器，其特征在于，所述感应元件为热敏电阻。
7.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器，其特征在于，还包括设置于所述衬底两侧的陶瓷层，所述陶瓷层覆盖所述热电堆和所述感应元件。
9.一种风速风向检测装置，其特征在于，包括：处理电路以及如权利要求1至8任一项所述的基于珀尔帖效应的风速风向传感器；所述风速风向传感器用于感应风的应力，并输出对应的应力信号；所述处理电路与所述风速风向传感器连接，根据所述应力信号确定对应的风速和风向信息。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的风速风向检测装置。
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|---|---|---|---|
| CN202211300502.7A CN115598373A (zh) | 2022-10-24 | 2022-10-24 | 基于珀尔帖效应的风速风向传感器、检测装置及电子设备 |
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