[发明专利]一种热膜式火星表面风场测量传感器

说明书

本发明提供一种热膜式火星表面风场测量传感器，包括：风场传感器敏感端、铝合金壳体、信号电缆、传感器电缆接插件；风场传感器敏感端包括敏感芯片、隔热基座、金丝、转接PCB板；敏感芯片以单晶硅为基底，单晶硅基底表面采用溅射、光刻、腐蚀等MEMS工艺步骤制备薄膜铂电阻：测温电阻R1，加热电阻R2，接地电阻R3。R1，R2，R3通过金丝同转接PCB板形成电气连接。该传感器结合信号调理电路闭环控制，敏感芯片可同周围环境形成恒定温差，其中加热功率同风速，风向相关，从而实现风场参数测量。该传感器具有很高的灵敏度，可实现火星低气压环境下风速风向参数的高精度测量。

技术领域

本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种热膜式火星表面风场测量传感器。

背景技术

作为地球的姊妹星，火星气候同地球气候存在诸多相似之处，对火星气候的研究对有助于我们更好的了解地球气候的历史和未来演化。因此，获取火星表面气象参数一直是火星探测的重要内容之一。2020年7月，我国开展了首次火星探测任务并成功登陆火星表面，为未来火星探测任务的进一步实施和其他深空探测任务的开展奠定了坚实基础。

风场传感器作为一类重要的气象传感器，在国外几乎历次火星探测任务中均有搭载，获取了火星表面多个不同区域的风场信息。笔者单位参与了我国首次火星探测气象测量仪研制，并搭载祝融号火星车成功登陆火星表面。

相对于地球表面环境，火星表面大气主要成分为二氧化碳，大气密度仅为地球大气密度的千分之八左右，且火星表面气温范围宽，最低温度在-120℃以下。这些环境条件，对于风场传感器的可靠性和测量准确性都是巨大的挑战。目前，国内现有的风场测量技术主要针对常压环境，难以应用到低气压、宽温区、特殊气氛条件的火星表面环境。

发明内容

本发明为了解决现有风场测量技术的不足，提出一种热膜式火星表面风场测量传感器，测温电阻和加热电阻与后端信号调理电路形成闭环温度控制，通过维持敏感芯片同环境恒定温差△T所需的加热功率，进行风场测量，可实现低气压、不同环境温度、多种大气介质条件下风场参数测量。

本发明提供一种热膜式火星表面风场测量传感器，包括壳体、嵌在壳体顶部的风场传感器敏感端、设置在壳体底部的传感器电缆接插件和固定在壳体内壁连接风场传感器敏感端、传感器电缆接插件的信号电缆；

风场传感器敏感端包括嵌在壳体顶部与信号电缆连接的转接PCB板，固定在转接PCB板上表面的隔热基座，固定在隔热基座顶部的敏感芯片和连接转接PCB板、敏感芯片的金丝；

敏感芯片包括基底和使用MEMS工艺制备在基底上表面的测温电阻、加热电阻、接地电阻，测温电阻、加热电阻和接地电阻均通过金丝与转接PCB板电连接。

本发明所述的一种热膜式火星表面风场测量传感器，作为优选方式，测温电阻和加热电阻与后端信号调理电路形成闭环温度控制，接地电阻与机械地电连接，接地电阻用于减小风场测量传感器的噪声水平；

风场测量传感器测量风速的方法为：对加热电阻施加加热功率，通过测温电阻进行闭环温度控制，使敏感芯片同环境温度具有恒定温差△T，根据敏感芯片同环境维持恒定温差△T所需的加热功率获得风速信息。

本发明所述的一种热膜式火星表面风场测量传感器，作为优选方式，隔热基座和敏感芯片共四组、组成2×2阵列，相邻两个敏感芯片的间距均相同；

风场测量传感器测量风向的方法为：对加热电阻施加加热功率，并通过测温电阻进行闭环温度控制，使敏感芯片同环境温度具有恒定温差△T；

待测风场的风流过四个敏感芯片，根据每个敏感芯片维持恒定温差△T所需功率的差异关系获得风向信息。

本发明所述的一种热膜式火星表面风场测量传感器，作为优选方式，敏感芯片与地面的夹角为0～20°。