[发明专利]微机械二维风速风向传感器及其信号处理电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微机械(MEMS)剥离工艺的二维热膜风速风向传感器，恒温差控制和测量电路。

背景技术

风速、风向是气象测量中非常重要的组成部分。众所周知，利用机械加工的风杯和风向标虽然也能测量风速和风向，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积较大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。基于MEMS加工技术的微型流速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来流体传感器研究的热点。Van Putten(人名)在1974年提出了第一个基于硅微加工技术的热线式流量传感器。为了同时测量风速和风向信息，Honeywell(公司名)等提出了基于热温差原理的热流量传感器。Huijsing(人名)等人提出了正方形加热条结构的风速传感器，其采用热电堆测量温差，可以测量二维的风速和风向。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种微机械二维风速风向传感器及其信号处理电路，本发明利采用低热导率，低热容的玻璃衬底，用两次金属剥离工艺就可以完成传感器的加工，工艺步骤简单可靠，而大大提高了灵敏度，减小了功耗和响应时间。

技术方案：本发明的微机械二维风速风向传感器包括衬底、加热电阻、芯片温度测量电阻、8个热温差测量电阻、压焊块；位于传感器芯片中央的芯片温度测量电阻和加热电阻完全对称且紧密缠绕，用于芯片温度表征；位于传感器芯片四周的8个对称分布的热温差测量电阻的电阻值完全一致，压焊块分别与加热电阻、芯片温度测量电阻、8个热温差测量电阻相连接。

所述8个热温差测量电阻分为两组：其中第一热温差测量电阻、第二热温差测量电阻、第三热温差测量电阻、第四热温差测量电阻组成一组全桥电路，测量X方向的风速；第五热温差测量电阻、第六热温差测量电阻、第七热温差测量电阻、第八热温差测量电阻组成一组全桥电路，测量Y方向的风速。所述压焊块在传感器芯片周围对称分布，对加热电阻、芯片温度测量电阻和8个热温差测量电阻分别引出。

所述8个热温差测量电阻通过版图设计使得其电阻值完全一致。

所述衬底采用玻璃、陶瓷或其它低热导率的材料。

所述加热电阻，芯片温度测量电阻，和8个热温差测量电阻采用剥离工艺制作的铂、镍或其它高温度系数的金属电阻制成。

微机械二维风速风向传感器的信号处理电路包括：恒温差控制电路、信号检测电路，

恒温差控制电路包括位于传感器芯片中央的加热电阻与芯片温度测量电阻和位于传感器芯片外的参考电阻连接成的惠斯通电桥，用于产生差分信号，并将其传输给差分放大器，差分放大器用于差分放大，并将放大后的信号传输给电压/电流转换元件，电压/电流转换元件产生驱动信号对加热电阻进行驱动，利用电学和热学负反馈实现对传感器的恒温差控制；

信号检测电路包括位于传感器芯片四周的8个对称分布的热温差测量电阻阻值完全一致，并分为两组组成惠斯通全桥电路并进行差分放大，然后通过多路选择器AMux和A/D转换器转成数字量进入MCU，并通过计算得到风速和风向值，实现LCD显示和数字输出。

有益效果：为了提高热式风速传感器的灵敏度，需要利用标准IC工艺和MEMS后处理的方法形成隔热薄膜。本发明利采用了低热导率，低热容的玻璃衬底，用两次金属剥离工艺就可以完成传感器的加工，工艺步骤简单可靠，而大大提高了灵敏度，减小了功耗和响应时间。此外，本专利提出的风速传感器结构高度对称，避免了结构设计不对称引起的误差。

与传统的热丝风速计恒温差控制电路相比，本发明通过测温模块和加热模块分开设计，提出在芯片中央设计一个与加热电阻Rh相互缠绕并完全对称的芯片测温电阻Rs，从而可以降低驱动电压和整体功耗。

在本发明中提出的风速传感器中设计了离加热条距离不同的两组热温差测量电阻并组成全桥电路，这不但可以使得电阻匹配性更佳，而且使得传感器整体的灵敏度和量程得到最大优化。

附图说明

图1是本发明提出的风速传感器结构示意图，图中有：加热电阻Rh，芯片温度测量电阻Rs，第一热温差测量电阻R11、第二热温差测量电阻R12、第三热温差测量电阻R31、第四热温差测量电阻R32、第五热温差测量电阻R21、第六热温差测量电阻R22、第七热温差测量电阻R41、第八热温差测量电阻R42。

各引脚与热温差测量电阻对应关系为：

引脚1和16之间的电阻为Rs；

引脚6和11之间的电阻为Rh；

引脚18和19之间的电阻为R11；

引脚17和20之间的电阻为R12；

引脚3和4之间的电阻为R21；