基于tec的微型傳感器溫控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含ARM模塊，驅(qū)動(dòng)電路模塊，TEC與微機(jī)電陀螺儀熱封裝模塊。ARM模塊接收來自微機(jī)電陀螺儀內(nèi)部的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將其與預(yù)設(shè)溫度比較，通過控制算法決定ARM模塊輸出PWM波的占空比和頻率；將ARM輸出的PWM波輸入驅(qū)動(dòng)放大電路，增益為可以激發(fā)常用MOS管通斷的PWM波；通過由MOS管組成的H橋來控制TEC的通斷及其電流的反向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微機(jī)電陀螺儀的恒溫控制。本發(fā)明所公開的溫控系統(tǒng)具有響應(yīng)快，控制精度高，溫度控制范圍廣，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于其他微型傳感器件及器件組。
【專利說明】基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微型傳感器的溫度控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]TEC是利用半導(dǎo)體材料的Pe 11 i er效應(yīng)制成的既能制冷又能加熱的電子器件。Pelitier效應(yīng)是指直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。在TEC的制冷量和制熱量足夠大時(shí)，可以調(diào)節(jié)通過TEC的電流值大小保持一端溫度在一定范圍內(nèi)保持恒定。TEC以其體積小、響應(yīng)快、精度高、無振動(dòng)噪聲、無運(yùn)動(dòng)部件、無磨損、控制靈活等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于具有空間有限和高可靠性要求的場(chǎng)合，諸如激光器的溫控，PCR的溫控，甚至LED的溫控。
[0003]隨著新興設(shè)計(jì)、制造、封裝技術(shù)的出現(xiàn)，微機(jī)電陀螺儀等微型傳感器的集成度越來越高，熱密度急劇升高，由此而產(chǎn)生的熱處理問題亟待解決。微型傳感器對(duì)工作環(huán)境的溫度有很高的要求，惡劣的溫度工作環(huán)境嚴(yán)重影響其工作性能甚至導(dǎo)致其不能正常工作，所以維持微型傳感器工作環(huán)境溫度的穩(wěn)定性是是保證其正常工作的基礎(chǔ)，高精度的溫度控制系統(tǒng)顯得十分重要。
[0004]微機(jī)電陀螺儀在實(shí)際的工作過程中，除了承受內(nèi)部的的熱荷載，還要面對(duì)外界的溫度環(huán)境，結(jié)合傳感器的自身特點(diǎn)與工況，將TEC應(yīng)用于微機(jī)電陀螺儀的溫度控制是極好的選擇，基于此，本專利發(fā)明了基于TEC的微機(jī)電陀螺儀的溫控裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供基于TEC的微機(jī)電陀螺儀溫控系統(tǒng)裝置，可以為微機(jī)電陀螺儀(或其它微型傳感器)提供高低成本、尺寸小、無振動(dòng)噪聲、集成化、控制精度高、高可靠性的溫控系統(tǒng)，使其能夠在穩(wěn)定的最優(yōu)溫度環(huán)境下工作，從而保證其性能穩(wěn)定和優(yōu)良。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是包括TEC和微型傳感器熱封裝模塊，TEC和微型傳感器熱封裝模塊一端分別與MOS管Ql的源級(jí)、MOS管Q3的漏極連接在一起，TEC和微型傳感器熱封裝模塊的另一端分別與MOS管Q2的源級(jí)和MOS管Q4的漏極連接在一起，MOS管Ql的漏極、MOS管Q2的漏極連接8V外接電源，MOS管Q3的源級(jí)和MOS管Q4的源級(jí)直接接地，MOS管Ql的基極連接第一放大電路，MOS管Q3的基極連接第二放大電路，MOS管Q2的基極連接第三放大電路，MOS管Q4的基極連接第四放大電路，第一放大電路、第二放大電路、第三放大電路和第四放大電路分別連接6V外接電源，第一放大電路、第二放大電路、第三放大電路和第四放大電路分別連接ARM控制模塊，ARM控制模塊連接TEC和微型傳感器熱封裝模塊。
[0007]進(jìn)一步，所述第一放大電路、第二放大電路、第三放大電路和第四放大電路結(jié)構(gòu)相同；放大電路連接結(jié)構(gòu)為電阻Rl —端連接ARM控制模塊，另一端連接三極管Ml的基極，三極管Ml的集電極、電阻R2的一端、三極管M2的基極、三極管M3的基極連接在一起，電阻R2的另一端和三極管M3的集電極連接6V外接電源，三極管M3的發(fā)射極、三極管M2的集電極、電阻R3的一端連接在一起，三極管Ml的發(fā)射極、三極管M2的發(fā)射極和電阻R4的一端連接在一起并且接地，電阻R3的另一端、電阻R4的另一端和MOS管的基極連接在一起。
[0008]進(jìn)一步，所述TEC和微型傳感器熱封裝模塊的結(jié)構(gòu)有兩種:
[0009]第一種:金屬外殼由側(cè)壁和底面組成的一面開口的殼體，金屬外殼殼體內(nèi)部側(cè)壁涂有一層絕熱膠，PCB板被鉚釘固定在殼體內(nèi)部底面、且PCB板與殼體內(nèi)部底面之間涂覆有絕熱膠，PCB板上安裝有微型傳感器，微型傳感器接觸TEC的一面、且接觸面之間涂覆薄的導(dǎo)熱膠，TEC另一面接觸鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉、且接觸面之間涂覆薄的導(dǎo)熱膠，鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉將金屬外殼的開口封閉、且鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉與金屬外殼頂端接觸面之間由絕熱膠隔離；導(dǎo)熱膠的作用是減小熱阻，使TEC產(chǎn)生的熱更加有效地傳遞到空氣環(huán)境中；絕熱膠的作用是隔離兩側(cè)的熱交換，使環(huán)境中的熱量不能傳遞到模塊內(nèi)部，增強(qiáng)TEC這溫控效果O
[0010]第二種:金屬外殼由側(cè)壁構(gòu)成兩端開口的殼體，殼體內(nèi)部涂有一層絕熱膠，金屬外殼兩面開口均被鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉封閉，接觸面之間涂覆有絕熱膠，兩面的鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉分別接觸TEC，其中一面的TEC接觸PCB板的一面，PCB板的另一面接觸微型傳感器一端，微型傳感器另一端接觸另一面的TEC，接觸面之間涂覆有導(dǎo)熱膠。
[0011]進(jìn)一步，所述TEC和微型傳感器熱封裝模塊中封裝的微型傳感器，包括微型陀螺儀，微型加速度計(jì)，微型壓力計(jì)。
[0012]進(jìn)一步，所述ARM控制模塊采用芯片型號(hào)為STM32F103V ;控制算法可以是PID-PWM,也可以是 Fuzzy-PWM ；
[0013]本發(fā)明的有益效果是具模塊集成、響應(yīng)快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明溫控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的放大電路圖；
[0016]圖3是本發(fā)明溫控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的H橋電路圖；
[0017]圖4是本發(fā)明溫控系統(tǒng)TEC和微型傳感器熱封裝模塊的兩種熱封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中，1.TEC和微型傳感器熱封裝模塊，2.8V外接電源，3.第一放大電路，4.第二放大電路，5.第三放大電路，6.第四放大電路，7.6V外接電源，8.ARM控制模塊，101.金屬外殼，102.絕熱膠，103.PCB板，104.鉚釘，105.微型傳感器，106.TEC，107.鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉。

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020]本發(fā)明基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng),如圖1所不,包括TEC和微型傳感器熱封裝模塊1，TEC和微型傳感器熱封裝模塊I 一端分別與MOS管Ql的源級(jí)、MOS管Q3的漏極連接在一起，TEC和微型傳感器熱封裝模塊I的另一端分別與MOS管Q2的源級(jí)和MOS管Q4的漏極連接在一起，MOS管Ql的漏極、MOS管Q2的漏極連接8V外接電源2，MOS管Q3的源級(jí)和MOS管Q4的源級(jí)直接接地，MOS管Ql的基極連接第一放大電路3，MOS管Q3的基極連接第二放大電路4，MOS管Q2的基極連接第三放大電路5，MOS管Q4的基極連接第四放大電路6，第一放大電路3、第二放大電路4、第三放大電路5和第四放大電路6分別連接6V外接電源7，第一放大電路3、第二放大電路4、第三放大電路5和第四放大電路6分別連接ARM控制模塊8，ARM控制模塊8連接TEC和微型傳感器熱封裝模塊I ;
[0021]本發(fā)明TEC和微型傳感器熱封裝模塊I中可封裝各種微型傳感器，包括微型陀螺儀，微型加速度計(jì)，微型壓力計(jì)等?？梢允菃蝹€(gè)微型傳感器器件，也可以是微型傳感器組。
[0022]本溫控系統(tǒng)的核心部件ARM控制模塊8，可采用芯片型號(hào)為STM32F103V ;控制算法可以是PID-PWM，也可以是Fuzzy-PWM ；
[0023]本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路包括脈沖放大電路(即第一放大電路3、第二放大電路4、第三放大電路5和第四放大電路6)，四個(gè)MOS管及MOS管組成的H橋；M0S管的型號(hào)可選用IRF540N。微型傳感器模塊可以是微型陀螺儀，微型加速度計(jì)和微型壓力計(jì)。
[0024]其中，第一放大電路3、第二放大電路4、第三放大電路5和第四放大電路6結(jié)構(gòu)相同，電阻Rl —端連接ARM控制模塊8，另一端連接三極管Ml的基極，三極管Ml的集電極、電阻R2的一端、三極管M2的基極、三極管M3的基極連接在一起，電阻R2的另一端和三極管M3的集電極連接6V外接電源7，三極管M3的發(fā)射極、三極管M2的集電極、電阻R3的一端連接在一起，三極管Ml的發(fā)射極、三極管M2的發(fā)射極和電阻R4的一端連接在一起并且接地，電阻R3的另一端、電阻R4的另一端和MOS管的基極連接在一起。
[0025]TEC和微型傳感器熱封裝模塊I的結(jié)構(gòu)有兩種:
[0026]第一種:如圖4(8)所不,金屬外殼101由側(cè)壁和底面組成的一面開口的殼體,金屬外殼101殼體內(nèi)部側(cè)壁涂有一層絕熱膠102，PCB板103被鉚釘104固定在殼體內(nèi)部底面、且PCB板103與殼體內(nèi)部底面之間涂覆有絕熱膠102，PCB板103上安裝有微型傳感器105，微型傳感器105接觸TEC106的一面、且接觸面之間涂覆薄的導(dǎo)熱膠，TEC106另一面接觸鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉107、且接觸面之間涂覆薄的導(dǎo)熱膠，鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉107將金屬外殼101的開口封閉、且鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉107與金屬外殼101頂端接觸面之間由絕熱膠102隔離；導(dǎo)熱膠的作用是減小熱阻，使TEC產(chǎn)生的熱更加有效地傳遞到空氣環(huán)境中；絕熱膠的作用是隔離兩側(cè)的熱交換，使環(huán)境中的熱量不能傳遞到模塊內(nèi)部，增強(qiáng)TEC這溫控效果。
[0027]第二種:如圖4(b)所示，為了達(dá)到更加優(yōu)異的溫控效果，如穩(wěn)定時(shí)間更短、控制溫度范圍更廣等，可以采用多個(gè)TEC進(jìn)行制冷或加熱，可用用兩個(gè)TEC與微型傳感器組的熱封裝。金屬外殼101由側(cè)壁構(gòu)成兩端開口的殼體，殼體內(nèi)部涂有一層絕熱膠102,金屬外殼101兩面開口均被鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉107封閉，接觸面之間涂覆有絕熱膠102，兩面的鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉107分別接觸TEC106，其中一面的TEC106接觸PCB板103的一面，PCB板103的另一面接觸微型傳感器105 —端，微型傳感器105另一端接觸另一面的TEC106，接觸面之間涂覆有導(dǎo)熱膠。
[0028]在其他條件相同的情況下，圖4(b)所示熱封裝結(jié)構(gòu)制冷或加熱效果比圖4(a)增加了將近一倍。也可以再增加TEC的數(shù)量，使用高性能的TEC，減小密封空間，使用高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱膠，使用高性能絕熱膠等來提升系統(tǒng)的溫控效果，但也要考慮整個(gè)溫控系統(tǒng)的小型化。
[0029]本發(fā)明的溫控系統(tǒng)具模塊集成、響應(yīng)快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。其中，ARM控制模塊8接收來自微型傳感器內(nèi)部的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將其與預(yù)設(shè)溫度比較，利用控制算法決定輸出電壓PWM波的占空比與頻率。然后，將由ARM控制模塊8產(chǎn)生的PWM波傳遞到放大電路，將其電壓放大到可以控制MOS管通斷的電壓PWM波；最后，用MOS管產(chǎn)生的電壓PWM波就可以控制TEC的通斷，從而進(jìn)行微型傳感器的溫度控制。
[0030]因?yàn)锳RM控制模塊8產(chǎn)生的是幅值為3.3V的PWM波，不足以激發(fā)常見MOS管的通斷，所以需要放大電路。如圖2所示，將由ARM控制模塊8產(chǎn)生的①3.3V的PWM波輸入到放大電路，要使其激發(fā)常見MOS管的通斷。放大電路外接提升電壓Vp可以將①3.3V的PWM波提升到電壓峰值為Vp的PWM波，如提升到②6.0V的PWM波，這樣就可以控制MOS管的通斷。TEC的工作電壓為8.0V，所以控制TEC的電壓峰值為③8.0V的PWM波。值得注意的是，在本驅(qū)動(dòng)電路中，3.3V的PWM波與8.0V的PWM波相位相反，即3.3V的P麗波通時(shí)，8.0V的PWM波斷；3.3V的PWM波斷時(shí)，8.0V的PWM波通。
[0031 ] 峰值為8.0V的PWM可以控制TEC工作電壓的通斷，而不能改變TEC的電流方向，即不能進(jìn)行制冷與加熱的方向調(diào)換，本發(fā)明由MOS管組成H橋，而H橋具有改變電流方向的作用，所以本發(fā)明將H橋應(yīng)用于TEC的制冷與加熱方向的對(duì)調(diào)，如圖3所示，當(dāng)需要制冷時(shí)，橋Ql, Q4通，橋Q2, Q3斷;當(dāng)需要加熱時(shí)，橋Q2, Q3通，橋Ql, Q4斷。PWMl波同時(shí)控制橋Ql, Q4的通斷，PWM2波同時(shí)控制橋Q2，Q3的通斷。由于只有PWMl波和PWM2波，所以只需要兩個(gè)相同的放大電路，只要PWMl波和PWM2波不同時(shí)接通就能避免H橋出現(xiàn)短路。至此，通過ARM和驅(qū)動(dòng)放大電路可以有效地管理TEC的通斷和制冷與加熱方向的改變，還要對(duì)TEC和微型傳感器進(jìn)行熱封裝設(shè)計(jì)，保證控制算法的有效實(shí)現(xiàn)。
[0032]以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施方式所做的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng),其特征在于:包括TEC和微型傳感器熱封裝模塊(I)，TEC和微型傳感器熱封裝模塊(I) 一端分別與MOS管Ql的源級(jí)、MOS管Q3的漏極連接在一起，TEC和微型傳感器熱封裝模塊(I)的另一端分別與MOS管Q2的源級(jí)和MOS管Q4的漏極連接在一起，MOS管Ql的漏極、MOS管Q2的漏極連接8V外接電源(2)，MOS管Q3的源級(jí)和MOS管Q4的源級(jí)直接接地，MOS管Ql的基極連接第一放大電路(3)，M0S管Q3的基極連接第二放大電路(4) ,MOS管Q2的基極連接第三放大電路(5) ,MOS管Q4的基極連接第四放大電路￠)，第一放大電路(3)、第二放大電路(4)、第三放大電路(5)和第四放大電路(6)分別連接6V外接電源(7)，第一放大電路(3)、第二放大電路(4)、第三放大電路(5)和第四放大電路(6)分別連接ARM控制模塊(8)，ARM控制模塊⑶連接TEC和微型傳感器熱封裝模塊(I)。
2.按照權(quán)利要求1所述基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng)，其特征在于:所述第一放大電路(3)、第二放大電路(4)、第三放大電路(5)和第四放大電路(6)結(jié)構(gòu)相同；放大電路連接結(jié)構(gòu)為電阻Rl —端連接ARM控制模塊(8)，另一端連接三極管Ml的基極，三極管Ml的集電極、電阻R2的一端、三極管M2的基極、三極管M3的基極連接在一起，電阻R2的另一端和三極管M3的集電極連接6V外接電源(7)，三極管M3的發(fā)射極、三極管M2的集電極、電阻R3的一端連接在一起，三極管Ml的發(fā)射極、三極管M2的發(fā)射極和電阻R4的一端連接在一起并且接地，電阻R3的另一端、電阻R4的另一端和MOS管的基極連接在一起。
3.按照權(quán)利要求1所述基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng)，其特征在于:所述TEC和微型傳感器熱封裝模塊(I)的結(jié)構(gòu)有兩種: 第一種:金屬外殼(101)由側(cè)壁和底面組成的一面開口的殼體,金屬外殼(101)殼體內(nèi)部側(cè)壁涂有一層絕熱膠(102)，PCB板(103)被鉚釘(104)固定在殼體內(nèi)部底面、且PCB板(103)與殼體內(nèi)部底面之間涂覆有絕熱膠(102)，PCB板(103)上安裝有微型傳感器(105)，微型傳感器(105)接觸TEC(106)的一面、且接觸面之間涂覆薄的導(dǎo)熱膠，TEC(106)另一面接觸鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉(107)、且接觸面之間涂覆薄的導(dǎo)熱膠，鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉(107)將金屬外殼(101)的開口封閉、且鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉(107)與金屬外殼(101)頂端接觸面之間由絕熱膠(102)隔離；導(dǎo)熱膠的作用是減小熱阻，使TEC產(chǎn)生的熱更加有效地傳遞到空氣環(huán)境中；絕熱膠的作用是隔離兩側(cè)的熱交換，使環(huán)境中的熱量不能傳遞到模塊內(nèi)部，增強(qiáng)TEC這溫控效果； 第二種:金屬外殼(101)由側(cè)壁構(gòu)成兩端開口的殼體，殼體內(nèi)部涂有一層絕熱膠(102)，金屬外殼(101)兩面開口均被鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉(107)封閉，接觸面之間涂覆有絕熱膠(102)，兩面的鋁制熱沉或銅質(zhì)熱沉(107)分別接觸TEC (106)，其中一面的TEC (106)接觸PCB板(103)的一面，PCB板(103)的另一面接觸微型傳感器(105) —端，微型傳感器(105)另一端接觸另一面的TEC(106)，接觸面之間涂覆有導(dǎo)熱膠。
4.按照權(quán)利要求1所述基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng)，其特征在于:所述TEC和微型傳感器熱封裝模塊I中封裝的微型傳感器，包括微型陀螺儀，微型加速度計(jì)，微型壓力計(jì)。
5.按照權(quán)利要求1所述基于TEC的微型傳感器溫控系統(tǒng)，其特征在于:所述ARM控制模塊8，采用芯片型號(hào)為STM32F103V ;控制算法可以是PID-PWM，也可以是Fuzzy-PWM。
【文檔編號(hào)】G01C19/5712GK104282643SQ201410510439
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】劉勝, 王維輝, 聞銘, 羅璋, 余帥, 王小平 申請(qǐng)人:武漢飛恩微電子有限公司, 武漢大學(xué)