CN207317959U - 一种mems温度传感器及其开关柜测温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种MEMS温度传感器及其开关柜测温系统，所述温度传感器包括前端结构、后端电路、无线信号转换电路和供能电路，所述前端结构采用悬臂梁结构，一悬臂梁的一端固定，另一端悬空；并且所述悬臂梁为铝层和SOI器件层硅层的双层结构；所述后端电路包括CMOS开关电容放大器，所述CMOS开关电容放大器将所述前端结构生成的电信号进行放大；所述无线信号转换电路接收后端电路的所述电信号，并通过天线发送；所述供能电路用于通过无线方式对所述MEMS温度传感器供电。MEMS温度传感器实现了微小化、测温精度高、可靠性高，并且有效稳定地实现对开关柜温度的测量。

Description

一种MEMS温度传感器及其开关柜测温系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统的测控技术领域，尤其涉及一种MEMS温度传感器及其开关柜测温系统。

背景技术

开关柜是发电厂、变电站等中普遍使用的一种重要设备。现有的开关柜测温系统有声表面波无线无源测温系统、光纤测温系统、红外测温仪和红外热像仪。但是因为开关柜独特的结构，在开关柜的长期使用过程中，其内部触头会普遍存在着接触不良、插接偏心不正等问题。以KYN(移开式)开关柜为例，开关柜长期运行或多次检修后，触子部分的接触电阻会变大；在出线电缆部分，也会因为长期工作老化而出现电阻变大。这些位置的电阻监测起来难度较大。同时，高压电缆接头、连接器导体部分接触不良引起异常过热，加速绝缘老化导致击穿，这是高压开关柜的主要故障形式。这些问题将导致开关柜发热进而产生过热现象，以致起弧烧坏设备，严重的会引起火灾事故。

通过对开关柜内温度连续监测，实现故障的早期报警，当发生故障时，提供及时报警并指明故障点位置，并提供故障分析的详尽监测数据。这样可以保证开关柜的安全可靠运行。

目前电力系统中主要的测温方案是光纤测温系统和声表面波无线无源测温系统。对于光纤系统，主要的问题在于其不适合定点监测，对于狭窄空间处测量不方便，布线困难，且成本较高；对于声表面波无线无源测温系统，其由天线、叉指换能器、反射栅以及压电基片组成。其测温基本原理是：传播在压电基片表面的声表面波，其波长和波速会随基片表面或内部相关因素(包括温度)的改变而变化。当同一个换能器通过压电效应将声信号转变成无线应答信号输出后，可以通过测量频率变化得到温度值，故声表面波测温器件为纯无源器件，不需电池供电。声表面波无线无源测温系统主要存在的问题是价格昂贵，一个接收器仅能供少量传感器终端进行传输数据；可靠性较低，测量到的温度有1-2℃的误差；探头体积较大，无法测量到较狭窄空间内的触点，并不适合于在开关柜中大范围使用。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种MEMS温度传感器及其所述MEMS的温度传感器对开关柜温度进行测量的测温系统。

本实用新型提供了一种MEMS温度传感器，其特征在于：

所述温度传感器包括前端结构、后端电路、无线信号转换电路和供能电路，其中：

所述前端结构采用悬臂梁结构，所述悬臂结构为：悬臂梁的一端固定在SOI上，另一端为悬空自由端；并且所述悬臂梁为双层结构，上层为铝层、下层为SOI器件层的硅层；

所述后端电路包括CMOS开关电容放大器，所述CMOS开关电容放大器将所述前端结构生成的电信号进行放大；

所述无线信号转换电路接收后端电路的所述电信号，并将接收的电信号通过天线发送；

所述供能电路包括无线能量转换电路，用于通过无线方式对所述MEMS温度传感器提供电能。

进一步地，所述无线信号转换电路和所述供能电路共用一个天线。

进一步地，所述悬臂梁的所述硅层表面具有惠斯通电桥。

进一步地，所述惠斯通电桥是通过在所述悬臂梁的硅层表面注入硼离子而形成的。

进一步地，所述铝层通过溅射工艺铺在所述硅层上。

进一步地，所述前端结构和后端电路键合在同一衬底上。

进一步地，所述悬臂梁的长度为500μm，宽度为50μm，铝层厚度为1.5μm，硅层厚度为8μm。

本实用新型还提供了一种基于MEMS温度传感器的开关柜测温系统，其特征在于，

所述开关柜测温系统包括：

开关柜；

一个或多个上述任一所述的MEMS温度传感器，所述传感器布置在所述开关柜中；

数据汇总系统，用于接收上述温度传感器的测量的数据。

进一步地，所述开关柜测温系统还包括：

监控处理系统，所述监控处理系统接收所述数据汇总系统发送的温度数据；

报警系统，所述报警系统根据监控处理系统的温度数据进行显示和/或报警；

控制系统，所述控制系统根据监控处理系统的温度数据对开关柜进行控制。

进一步地，所述MEMS温度传感器贴在所述开关柜的动触头梅花触子之间或贴在所述开关柜的隔离开关侧壁上。

本实用新型的MEMS温度传感器实现了微小化，能够进行接触式测温、测温精度高，而且可靠性高，并能进行无线数据传输和无线供电。本实用新型的开关柜测温系统是基于MEMS温度传感器的一套系统，用来实现对开关柜异常温升的监测，从而减少电力系统中因温升导致的开关柜过热故障。基于MEMS温度传感器的开关柜温度监测系统，实现无线射频技术的无线供能及数据的无线传输，能应用于像移开式开关柜的静触头盒内等空间狭窄区域的温度在线测量及测量结果的传输，传输到监控室的数据经过算法评估可以得到开关柜的温度状态，可以显示在显示屏或者触发在线报警系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例的MEMS温度传感器的结构示意框图；

图2示出了根据本实用新型实施例的MEMS温度传感器前端结构的基本原理结构示意图；

图3示出了根据本实用新型实施例的多点温度检测结构示意图；

图4示出了根据本实用新型实施例的测温系统整体架构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示为本实用新型实施例的MEMS(微机电系统，Microelectro MechanicalSystems)温度传感器的结构框图。如图1所示，所述MEMS温度传感器主要包括前端结构、后端检测电路、供能电路和信号传输电路。

其中，所述前端结构用于感测温度，并将温度信号转换为电信号。MEMS温度传感器前端结构的基本原理结构如图2所示，该前端结构使用了悬臂梁结构：悬臂梁的一端固定在SOI上，悬臂梁的另一端悬空。这种结构是在SOI(Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅)上溅射铝(Al)之后，经过微纳电子工艺刻蚀、掏空、释放得到的。其中，所述悬臂梁为双层结构，上层为金属铝层，下层则是SOI器件层的硅层。并且在悬臂梁的硅层表面注入一定浓度的硼离子从而在所述悬臂梁上形成惠斯通电桥。

由于铝和硅的热膨胀系数相差较大(金属铝的热膨胀系数大约是硅热膨胀系数的10倍左右)且所述悬臂梁一端固定、另一端为自由端，因此在温度变化时，悬臂梁发生弯曲形变，从而使得惠斯通电桥的阻值发生改变，进而使得惠斯通电桥输出的信号发生变化。通过确定输出电压与温度变化的关系即可测量温度变化情况。所述悬臂梁的长度L大约为500μm、宽度大约为50μm、铝层厚度大约为1.5μm、硅层厚度大约为8μm。

如图1所示，所述后端电路包括CMOS开关电容放大器和相应的接口电路，其整体上采用了基于CMOS技术的集成电路。所述后端电路中的CMOS开关电容放大器主要由CMOS管、电容和放大器组成，其将所述前端结构生成的电信号进行放大，实现了对前端结构信号的转换和放大，以便于实现与前端传感结构的芯片级共基底集成。并且后端电路采用局部屏蔽方式，提高电路电磁兼容特性。

所述无线信号转换电路从所述后端电路中的接口电路接收信号，并将所述后端电路的信号转换为无线信号，并通过天线进行无线发送。

所述供能电路包括无线能量转换电路和CMOS开关电容放大器，其中所述CMOS开关电容放大器同样主要由CMOS管、电容和放大器组成，用于接收所述MEMS前端接收的感应电流，作为MEMS温度传感器的供电电流。所述供能电路中的无线能量转换电路与天线连接，将磁场转换为电能用于对所述MEMS温度传感器提供电能。所述供电电路还可以包括冗余电源(图中未示出)，以在无线能量转换电路无法提供有效电能时作为备用电源向MEMS提供电能。所述供能电路采用集成微带天线以减小系统尺寸，同时所述供能电路与所述无线信号转换电路复用同一天线，天线实现了对传感器的供能及数据传输。

加工工艺方面，采用基于CMOS-MEMS一体化集成技术的传感器整体设计方法和加工流程，分别基于硅基微电子加工工艺和CMOS集成技术完成前端微机械结构和后端电路制作，并在同一衬底上完成键合。

无线信号传输和无线供电方式均保证了MEMS前端结构的电位独立性。无线传输频率为百兆赫兹(MHz)级别，这有效地避免了对温度传感器中振荡电路输出信号产生干扰等不良影响。

如图3所示，可以将多个MEMS布置在开关柜的不同位置中，测量温度变化信息，并在获得温度变化信息后通过无线方式发送给上位机，上位机在接收到各个位置的温度变化信息后将温度变化信息发送给远程监控中心。远程监控中心可以远程查看开关柜的温度变化信息。

说明书实施例的MEMS传感器采用了集成化技术，一个很大的优点是传感器体积小。因为二次接线室位于开关柜整个柜子的上部，远离发热部位，其测量到的温度基本可以认为是开关柜内部的空气温度，所以测量柜体内的温度时，可以选择将MEMS传感器贴在柜体二次接线室的侧壁上；测量具体位置的温度时，如测量KYN式(移开式)开关柜动触头处的温度，可选择将传感器贴在动触头梅花触子之间并使用弹簧夹片夹紧；对于XGN式(箱型固定式)开关柜，发热点则集中在隔离开关的可动部分，因此可以将MEMS传感器贴在隔离开关的侧壁上。

如图4所示，各个MEMS温度传感器布置在开关柜的触点附近，以收集开关柜中相关温度变化数据，并将数据无线发送给数据汇总单元。所述数据汇总单元对接收的温度数据进行初步处理，然后经工业CAN总线传到监控处理中心。监控处理中心通过温度评估算法得出开关柜的温度状态，并将所述温度状态信息发送给监控室的监控显示屏和/或触发在线报警系统。在温度超出一定的阈值后，触发在线报警系统进行报警。同时为了便于对开关柜进行控制，上述监控处理中心还可以通过反馈操作将得到的温度状态信息发送给控制系统，控制系统根据获得的温度状态数据对开关柜进行紧急处理。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。说明书，包括附图中，各个设备、器件、装置之间并不必然意味是一种直接的电气连接，说明书表示的仅仅是逻辑关系，仅仅示例性的表示信号的传输。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种MEMS温度传感器，其特征在于：

所述温度传感器包括前端结构、后端电路、无线信号转换电路和供能电路，其中：

所述前端结构采用悬臂梁结构，所述悬臂梁结构为：一悬臂梁的一端固定，另一端悬空；并且所述悬臂梁为双层结构，上层为铝层、下层为SOI器件层的硅层；

所述后端电路包括CMOS开关电容放大器，所述CMOS开关电容放大器将所述前端结构生成的电信号进行放大；

所述无线信号转换电路接收后端电路的所述电信号，并将接收的电信号通过天线发送；

所述供能电路包括无线能量转换电路，用于通过无线方式对所述MEMS温度传感器供能。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述无线信号转换电路和所述供能电路共用一个天线。

3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述悬臂梁的所述硅层表面有惠斯通电桥。

4.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，

所述惠斯通电桥是通过在所述悬臂梁的硅层表面注入硼离子而形成的。

5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述铝层通过溅射工艺铺在所述硅层上。

6.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述前端结构和后端电路键合在同一衬底上。

7.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述悬臂梁的长度为500μm，宽度为50μm，铝层厚度为1.5μm，硅层厚度为8μm。

8.一种基于MEMS温度传感器的开关柜测温系统，其特征在于，

所述开关柜测温系统包括：

开关柜；

一个或多个权利要求1-6任一所述的MEMS温度传感器，所述传感器布置在所述开关柜中；

数据汇总系统，用于接收上述温度传感器的测量的数据。

9.根据权利要求8所述的开关柜测温系统，其特征在于，

所述开关柜测温系统还包括：

监控处理系统，所述监控处理系统接收所述数据汇总系统发送的温度数据；

报警系统，所述报警系统根据监控处理系统的温度数据进行显示和/或报警；

控制系统，所述控制系统根据监控处理系统的温度数据对开关柜进行控制。

10.根据权利要求8所述的开关柜测温系统，其特征在于，

所述MEMS温度传感器贴在所述开关柜的动触头梅花触子之间或贴在所述开关柜的隔离开关侧壁上。