一種交流自加熱式風速風向傳感器及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提出了一種風速風向傳感器及其測量方法，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術領域。
【背景技術】
[0002]風速風向的檢測與人們的日常生活密切相關，并在工農業(yè)生產、航天探空、能源開發(fā)、交通旅游、氣象預報以及環(huán)境保護等諸多領域，風速風向檢測所提供的信息都起著至關重要的作用。早期，風速風向的檢測主要由機械式風杯和風向標來實現(xiàn)，接著又分別出現(xiàn)了基于超聲原理和多普勒原理的風速檢測系統(tǒng)。但是，這些風速傳感器由于體積龐大、功耗高無法滿足可移動、便攜式等應用需求。微電子機械系統(tǒng)技術的發(fā)展推動了風速傳感器的前進，并使得小型化、便攜式的風速風向檢測微系統(tǒng)成為可能。盡管國內外對基于MEMS技術的風速傳感器進行了廣泛而深入的研究，但是，隨著物聯(lián)網技術的快速崛起，對風速傳感器的靈敏度和功耗又提出了更高的要求。
【發(fā)明內容】
[0003]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術，提出一種結構簡單、易于測量的自加熱式風速風向傳感器及其測量方法。
[0004]技術方案:為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0005]—種交流自加熱式風速風向傳感器，包括襯底，在所述襯底表面上生長并正交分布的四個交流自加熱式風速傳感器；其中，每個交流自加熱式風速傳感器包括一個發(fā)熱電阻和一個半導體熱電偶，所述發(fā)熱電阻和半導體熱電偶的橫截面尺寸一致，所述半導體熱電偶和發(fā)熱電阻的長度比為15?20:1，所述發(fā)熱電阻貼合于半導體熱電偶的熱端，所述發(fā)熱電阻和半導體熱電偶并聯(lián)連接交流信號，在半導體熱電偶連接所述交流信號的回路中串聯(lián)有電容。
[0006]交流自加熱式風速風向傳感器的風速風向測量方法，包括如下步驟:
[0007]1)，在無風的條件下，分別通過功率為100_500mW的交流信號對每個自加熱式風速傳感器的發(fā)熱電阻和半導體熱電偶同時加熱，同時發(fā)熱電阻通過接觸面對半導體熱電偶進行熱傳導加熱，并同時檢測所述半導體熱電偶熱端和冷端之間輸出的直流電壓大?。挥涗浰鲋绷麟妷褐练€(wěn)定不變時的加熱時間^及穩(wěn)定時的直流電壓值；
[0008]2)，將交流自加熱式風速風向傳感器置于待檢測條件下，采用與步驟1)中相同的加熱方式對發(fā)熱電阻和半導體熱電偶進行加熱，當加熱時間超過^后，實時測量每個自加熱式風速傳感器的半導體熱電偶的熱端和冷端之間輸出的直流電壓值；
[0009]3)，根據(jù)四個交流自加熱式風速傳感器測量得到的四個直流電壓值計算得到實時風速風向。
[0010]有益效果:本發(fā)明的自加熱式風速風向傳感器用于檢測風速風向時，風吹過會使得發(fā)熱電阻產生的熱量形成的溫度梯度發(fā)生變化，即改變半導體熱電偶冷熱端的溫差。通過測量正交排列的四組交流自加熱式風速傳感器中半導體熱電偶的熱端和冷端之間的直流輸出電壓，可以計算出風速的大小和方向。本發(fā)明的交流自加熱式風速風向傳感器及其測量方法不但具有結構簡單，易于測量的優(yōu)點，而且其測量速度在于毫秒級，具有靈敏性高且功耗小的特點。
【附圖說明】
[0011]圖1是交流自加熱式風速風向傳感器的俯視圖；
[0012]圖2是圖1中交流自加熱式風速風向傳感器的A-A剖面圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0014]如圖1、2所示，一種交流自加熱式風速風向傳感器，包括砷化鎵襯底3，在砷化鎵襯底3表面上生長并正交分布的四個交流自加熱式風速傳感器。其中，每個交流自加熱式風速傳感器包括通過濺射、剝離等工藝在砷化鎵襯底3表面形成的一個發(fā)熱電阻1和一個半導體熱電偶2，發(fā)熱電阻1和半導體熱電偶2的橫截面尺寸一致，半導體熱電偶2和發(fā)熱電阻1的長度比為15-20:1。本實施例中，發(fā)熱電阻1為邊長10mm的方形結構，發(fā)熱電阻1的長度為150mm。發(fā)熱電阻1的一端貼合于半導體熱電偶2的熱端，發(fā)熱電阻1和半導體熱電偶2并聯(lián)連接交流信號，在半導體熱電偶2連接交流信號的回路中串聯(lián)有電容C。
[0015]利用上述交流自加熱式風速風向傳感器檢測風速風向時，首先要在無風條件下對其進行加熱檢測，即在無風的條件下，通過功率為100-500mW的交流信號對每個自加熱式風速傳感器的發(fā)熱電阻1和半導體熱電偶2同時加熱，同時發(fā)熱電阻1通過接觸面對半導體熱電偶2進行熱傳導加熱，并同時檢測半導體熱電偶2熱端和冷端之間輸出的直流電壓大小；記錄該直流電壓至穩(wěn)定不變時的加熱時間h及穩(wěn)定時的直流電壓值。
[0016]上述過程中，在每個交流自加熱式風速傳感器上，發(fā)熱電阻1和半導體熱電偶2并聯(lián)在交流信號兩端，通過施加的交流信號使它們同時發(fā)熱。其中，發(fā)熱電阻1的阻值較小，由于并聯(lián)的關系，發(fā)熱電阻1產生的熱量較多，由于半導體熱電偶2的阻值遠大于半導體熱電偶2的阻值，故半導體熱電偶2產生的熱量較少，但這部分熱量能夠使半導體熱電偶2的自身溫度升高，從而使其Seebeck系數(shù)增大。由于發(fā)熱電阻1的溫度要高于半導體熱電偶2，發(fā)熱電阻1會通過接觸面對半導體熱電偶2進行熱傳導加熱，通過實驗測得半導體熱電偶2和發(fā)熱電阻1的長度比為15-20:1的范圍時，加熱時間h后使得半導體熱電偶2冷端和熱端存穩(wěn)定的溫差，即半導體熱電偶2能夠給輸出穩(wěn)定的直流電壓值。發(fā)熱電阻1對半導體熱電偶2的熱傳導式加熱作用也起到增大其Seebeck系數(shù)的作用，從而導致半導體熱電偶2的冷、熱端之間輸出的直流電壓增大，很大程度上提高了傳感器整體的靈敏度。
[0017]將交流自加熱式風速風向傳感器置于待檢測條件下，通過同樣的功率對發(fā)熱電阻1和半導體熱電偶2進行加熱，在經過加熱時間后，當風吹過傳感器時，會使得發(fā)熱電阻1產生的熱量沿著風傳播的方向傳遞并形成一定的溫度梯度，該溫度梯度的形成會改變半導體熱電偶2的冷、熱兩之間的溫差，基于Seebeck效應(塞貝克效應)，最終改變半導體熱電偶2的冷、熱端之間輸出的直流電壓值。
[0018]本發(fā)明方案中，對于半導體熱電偶2需要同時對其進行交流加熱并檢測直流輸出，因此在半導體熱電偶2連接交流信號的回路中串聯(lián)有電容C，起到隔絕直流電壓的作用。為了實現(xiàn)風速風向的同時測量，采用四個交流自加熱式風速傳感器正交排列的方式，每個交流自加熱式風速傳感器中的發(fā)熱電阻1和半導體熱電偶2的位置關系滿足整體順時針排列或逆時針排列；通過四個交流自加熱式風速傳感器輸出的直流電壓的大小，可以計算出風速和風向。
[0019]本發(fā)明的交流自加熱式風速風向傳感器在簡化傳統(tǒng)微機械風速風向傳感器結構的同時也使得半導體熱電偶發(fā)熱，溫度升高，從而提高半導體熱電偶的Seebeck系數(shù)，最終增大輸出直流電壓，提高風速傳感器的靈敏度、降低功耗。
[0020]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種交流自加熱式風速風向傳感器，其特征在于:包括襯底(3)，在所述襯底(3)表面上生長并正交分布的四個交流自加熱式風速傳感器；其中，每個交流自加熱式風速傳感器包括一個發(fā)熱電阻(1)和一個半導體熱電偶(2)，所述發(fā)熱電阻(1)和半導體熱電偶(2)的橫截面尺寸一致，所述半導體熱電偶(2)和發(fā)熱電阻(1)的長度比為15?20:1，所述發(fā)熱電阻(1)貼合于半導體熱電偶(2)的熱端，所述發(fā)熱電阻(1)和半導體熱電偶(2)并聯(lián)連接交流信號，在半導體熱電偶(2)連接所述交流信號的回路中串聯(lián)有電容。2.基于權利要求1所述的交流自加熱式風速風向傳感器的風速風向測量方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)，在無風的條件下，分別通過功率為100-500mW的交流信號對每個自加熱式風速傳感器的發(fā)熱電阻(1)和半導體熱電偶(2)同時加熱，同時發(fā)熱電阻(1)通過接觸面對半導體熱電偶⑵進行熱傳導加熱，并同時檢測所述半導體熱電偶⑵熱端和冷端之間輸出的直流電壓大?。挥涗浰鲋绷麟妷褐练€(wěn)定不變時的加熱時間^及穩(wěn)定時的直流電壓值； 2)，將交流自加熱式風速風向傳感器置于待檢測條件下，采用與步驟1)中相同的加熱方式對發(fā)熱電阻(1)和半導體熱電偶(2)進行加熱，當加熱時間超過，實時測量每個自加熱式風速傳感器的半導體熱電偶⑵的熱端和冷端之間輸出的直流電壓值； 3)，根據(jù)四個交流自加熱式風速傳感器測量得到的四個直流電壓值計算得到實時風速風向。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種交流自加熱式風速風向傳感器及其測量方法，該傳感器包括砷化鎵襯底，生長在砷化鎵襯底表面上的用于產生熱量的發(fā)熱電阻和用于感知溫差的半導體熱電偶。將四個風速傳感器進行正交排列，形成交流自加熱式風速風向傳感器。其檢測方法為發(fā)熱電阻產生熱量，當風吹過時，會改變半導體熱電偶冷、熱兩端形成的溫差，改變冷、熱兩端產生的直流電壓，通過檢測四個直流電壓的大小最終實現(xiàn)風速風向的同時檢測。
【IPC分類】G01P13/02, G01P5/12
【公開號】CN105319387
【申請?zhí)枴緾N201510883889
【發(fā)明人】易真翔, 秦明, 黃慶安
【申請人】東南大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年12月3日