一种二维热温差型风速传感器及其环境自补偿方法技术

一种二维热温差型风速传感器及其环境自补偿方法，属于风速传感器领域，解决了现有氮化铝基的热温差型风速传感器的检测速率较低的问题。传感器：在低热导率的衬底上铺设有导热介质层，加热电极、四个温度探测电极和两个环境温度自补偿电极均设置在导热介质层上。方形的加热电极本体设置在导热介质层的中心，四个扇形的温度探测电极本体分别设置在加热电极本体的四周，两个环境温度自补偿电极本体分别设置在导热介质层的相对的两个边缘处。每个电极本体均设置有两个引出电极。环境自补偿方法：根据两个环境温度自补偿电极的电阻值确定环境温度值，根据环境温度值的变化，调节加热电极两端的电压频率，使所述风速传感器的温度场恒定。

A Two-Dimensional Thermal-Temperature Differential Wind Velocity Sensor and Its Environment Self-Compensation Method

A two-dimensional thermal temperature difference wind speed sensor and its environment self-compensation method belong to the field of wind speed sensor, which solves the problem of low detection rate of the existing thermal temperature difference wind speed sensor based on AlN. Sensors: A thermal conductive medium layer is laid on the substrate with low thermal conductivity. The heating electrode, four temperature detection electrodes and two temperature self-compensation electrodes are all arranged on the thermal conductive medium layer. The square heating electrode body is located in the center of the heat conducting medium layer, the four sector-shaped temperature detecting electrode bodies are located around the heating electrode body, and the two environment temperature self-compensating electrode bodies are located at the opposite edges of the heat conducting medium layer. Each electrode body is provided with two lead-out electrodes. Environmental self-compensation method: According to the resistance value of two environmental temperature self-compensation electrodes, the environmental temperature value is determined. According to the change of the environmental temperature value, the voltage frequency at both ends of the heating electrodes is adjusted to make the temperature field of the wind speed sensor constant.

【技术实现步骤摘要】
一种二维热温差型风速传感器及其环境自补偿方法
本专利技术涉及一种风速传感器，特别涉及一种二维热温差型风速传感器及其环境自补偿方法。
技术介绍
风速传感器被广泛地应用于风力发电、矿山通风、太阳能发电风向控制和气体流量监测等领域。近年来，随着MEMS技术的不断发展，热温差型风速传感器也取得了新的突破和发展。授权公告号为CN102998479B的中国专利技术专利公开了一种氮化铝基集成阵列结构的二维风速风向传感器，属于热温差型风速传感器。该传感器解决了集成热温差原理的风速传感器采用硅基衬底工艺复杂、开发成本较高、传感器响应速率慢和机械性能差的缺点。然而，这种氮化铝基的热温差型风速传感器因采用高热导率的氮化铝陶瓷材料作为衬底而使得自身的纵向热传导损耗增大，进而导致其检测速率较低。
技术实现思路
本专利技术为解决现有氮化铝基的热温差型风速传感器的检测速率较低的问题，提出了一种二维热温差型风速传感器及其环境自补偿方法。本专利技术所述的二维热温差型风速传感器包括衬底1、加热电极2、四个温度探测电极3、四个热隔离槽4和两个环境温度自补偿电极5；衬底1为八边形且采用低热导率材料制成，在衬底1的顶面上铺设有导热介质层6，加热电极2、四个温度探测电极3和两个环境温度自补偿电极5均设置在导热介质层6上；加热电极2包括加热电极本体2-1和两个引出电极2-2，加热电极本体2-1为方形盘绕螺旋结构，设置在导热介质层6的中心位置，两个引出电极2-2分别从加热电极本体2-1的第一外接端和第二外接端引出并延伸至导热介质层6的边缘；每个温度探测电极3均包括温度探测电极本体3-1和两个引出电极3-2，温度探测电极本体3-1包括两个蛇形绕制结构，两个蛇形绕制结构呈轴对称布置成扇形结构，两个蛇形绕制结构的第一外接端互连，两个引出电极3-2分别从两个蛇形绕制结构的第二外接端引出并延伸至导热介质层6的边缘；对于四个温度探测电极3，四个温度探测电极本体3-1的小端分别与加热电极本体2-1的四条边相对设置，四个热隔离槽4分别设置在四个温度探测电极本体3-1与加热电极本体2-1之间，每个热隔离槽4的槽口均位于导热介质层6的顶面上，槽底均位于衬底1内；每个环境温度自补偿电极5均包括环境温度自补偿电极本体5-1和两个引出电极5-2，两个引出电极5-2经环境温度自补偿电极本体5-1的第一外接端和第二外接端引出并延伸至导热介质层6的边缘；对于两个环境温度自补偿电极5，两个环境温度自补偿电极本体5-1分别位于导热介质层6的相对的两个边缘处。作为优选的是，导热介质层6的八条边包括四条长边和四条短边，短边与长边交替布置且合围成八边形；每个引出电极的远离对应电极本体的一端为其外接端；加热电极的两个引出电极2-1的外接端分别贴近导热介质层6的相对的两条长边，两个环境温度自补偿电极本体5-1分别贴近导热介质层6的另两条长边，每个环境温度自补偿电极本体5-1对应的两个引出电极5-2分别位于该环境温度自补偿电极本体5-1的两侧，并均与该环境温度自补偿电极本体5-1所在侧的长边平行；每个温度探测电极3的两个引出电极3-2的外接端均位于对应温度探测电极本体3-1的同一侧，四个温度探测电极3的引出电极3-2的外接端分别贴近导热介质层6的四条短边。作为优选的是，衬底1采用氧化铝陶瓷制成，导热介质层6采用氮化铝薄膜实现，加热电极2、四个温度探测电极3和两个环境温度自补偿电极5均为金属薄膜电极。作为优选的是，加热电极2、四个温度探测电极3和两个环境温度自补偿电极5均为铂膜。作为优选的是，加热电极2的每个引出电极2-2的宽度自加热电极本体2-1至导热介质层6边缘方向均匀增大。作为优选的是，每个引出电极的外接端均为通孔焊盘7，通孔焊盘7的通孔为圆孔，该通孔还依次贯穿导热介质层6和衬底1。作为优选的是，引线的一端自衬底1的底侧、经通孔焊盘7的通孔引出，并采用铂浆烧结焊接的方式与通孔焊盘7固连；焊后，固化的铂浆覆盖通孔焊盘7。作为优选的是，衬底1的厚度为0.1-0.15mm，导热介质层6的厚度为0.1-10μm，加热电极2、温度探测电极3和环境温度自补偿电极5的厚度均为50-500nm，加热电极本体2-1的线宽为40-100μm，温度探测电极本体3-1和环境温度自补偿电极本体5-1的线宽均为10-50μm，热隔离槽4的槽深为0.1-0.15mm，槽宽为20-50μm，通孔焊盘7的孔径为50-100μm。本专利技术所述的二维热温差型风速传感器的环境自补偿方法包括：步骤一、根据两个环境温度自补偿电极5的电阻值确定环境温度值；步骤二、根据环境温度值的变化，调节加热电极2两端的电压频率，使所述风速传感器的温度场恒定。作为优选的是，步骤一根据两个环境温度自补偿电极5的电阻值确定环境温度值的具体方式为：当两个环境温度自补偿电极5的电阻值相等时，将任一环境温度自补偿电极5的电阻值作为环境温度值；当两个环境温度自补偿电极5的电阻值不等时，将较小的环境温度自补偿电极5的电阻值作为环境温度值。本专利技术所述的二维热温差型风速传感器，其衬底采用低热导率材料制成，在衬底的顶面上铺设有导热介质层。这种带有导热介质层的复合衬底既有利于温度的横向快速传导又降低了纵向热传导损耗，能够有效地提升所述风速传感器的热响应速率，进而提高所述风速传感器的风速风向检测速率。在本专利技术所述的环境自补偿方法的作用下，本专利技术所述的二维热温差型风速传感器能够实现环境自补偿，进而提升自身的抗环境温度干扰能力。附图说明在下文中将基于实施例并参考附图来对本专利技术所述的二维热温差型风速传感器及其环境自补偿方法进行更详细的描述，其中：图1为实施例所述的二维热温差型风速传感器的平面结构示意图；图2为实施例所述的二维热温差型风速传感器的截面图；图3为实施例所述的加热电极的结构示意图，其中，a为加热电极本体的线宽；图4为实施例所述的温度探测电极的结构示意图，其中，b为温度探测电极本体的线宽；图5为实施例所述的环境温度自补偿电极的结构示意图，其中，c为环境温度自补偿电极本体的线宽。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术所述的二维热温差型风速传感器及其环境自补偿方法作进一步说明。实施例：下面结合图1至图5详细地说明本实施例。本实施例所述的二维热温差型风速传感器包括衬底1、加热电极2、四个温度探测电极3、四个热隔离槽4和两个环境温度自补偿电极5；衬底1为八边形且采用低热导率材料制成，在衬底1的顶面上铺设有导热介质层6，加热电极2、四个温度探测电极3和两个环境温度自补偿电极5均设置在导热介质层6上；加热电极2包括加热电极本体2-1和两个引出电极2-2，加热电极本体2-1为方形盘绕螺旋结构，设置在导热介质层6的中心位置，两个引出电极2-2分别从加热电极本体2-1的第一外接端和第二外接端引出并延伸至导热介质层6的边缘；每个温度探测电极3均包括温度探测电极本体3-1和两个引出电极3-2，温度探测电极本体3-1包括两个蛇形绕制结构，两个蛇形绕制结构呈轴对称布置成扇形结构，两个蛇形绕制结构的第一外接端互连，两个引出电极3-2分别从两个蛇形绕制结构的第二外接端引出并延伸至导热介质层6的边缘；对于四个温度探测电极3，四个温度探测电极本体3-1的小端分别与加热电极本体2-1的四条边相对设置，四个热隔离槽4分别设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维热温差型风速传感器，其特征在于，所述风速传感器包括衬底(1)、加热电极(2)、四个温度探测电极(3)、四个热隔离槽(4)和两个环境温度自补偿电极(5)；衬底(1)为八边形且采用低热导率材料制成，在衬底(1)的顶面上铺设有导热介质层(6)，加热电极(2)、四个温度探测电极(3)和两个环境温度自补偿电极(5)均设置在导热介质层(6)上；加热电极(2)包括加热电极本体(2‑1)和两个引出电极(2‑2)，加热电极本体(2‑1)为方形盘绕螺旋结构，设置在导热介质层(6)的中心位置，两个引出电极(2‑2)分别从加热电极本体(2‑1)的第一外接端和第二外接端引出并延伸至导热介质层(6)的边缘；每个温度探测电极(3)均包括温度探测电极本体(3‑1)和两个引出电极(3‑2)，温度探测电极本体(3‑1)包括两个蛇形绕制结构，两个蛇形绕制结构呈轴对称布置成扇形结构，两个蛇形绕制结构的第一外接端互连，两个引出电极(3‑2)分别从两个蛇形绕制结构的第二外接端引出并延伸至导热介质层(6)的边缘；对于四个温度探测电极(3)，四个温度探测电极本体(3‑1)的小端分别与加热电极本体(2‑1)的四条边相对设置，四个热隔离槽(4)分别设置在四个温度探测电极本体(3‑1)与加热电极本体(2‑1)之间，每个热隔离槽(4)的槽口均位于导热介质层(6)的顶面上，槽底均位于衬底(1)内；每个环境温度自补偿电极(5)均包括环境温度自补偿电极本体(5‑1)和两个引出电极(5‑2)，两个引出电极(5‑2)经环境温度自补偿电极本体(5‑1)的第一外接端和第二外接端引出并延伸至导热介质层(6)的边缘；对于两个环境温度自补偿电极(5)，两个环境温度自补偿电极本体(5‑1)分别位于导热介质层(6)的相对的两个边缘处。...

【技术特征摘要】
1.一种二维热温差型风速传感器，其特征在于，所述风速传感器包括衬底(1)、加热电极(2)、四个温度探测电极(3)、四个热隔离槽(4)和两个环境温度自补偿电极(5)；衬底(1)为八边形且采用低热导率材料制成，在衬底(1)的顶面上铺设有导热介质层(6)，加热电极(2)、四个温度探测电极(3)和两个环境温度自补偿电极(5)均设置在导热介质层(6)上；加热电极(2)包括加热电极本体(2-1)和两个引出电极(2-2)，加热电极本体(2-1)为方形盘绕螺旋结构，设置在导热介质层(6)的中心位置，两个引出电极(2-2)分别从加热电极本体(2-1)的第一外接端和第二外接端引出并延伸至导热介质层(6)的边缘；每个温度探测电极(3)均包括温度探测电极本体(3-1)和两个引出电极(3-2)，温度探测电极本体(3-1)包括两个蛇形绕制结构，两个蛇形绕制结构呈轴对称布置成扇形结构，两个蛇形绕制结构的第一外接端互连，两个引出电极(3-2)分别从两个蛇形绕制结构的第二外接端引出并延伸至导热介质层(6)的边缘；对于四个温度探测电极(3)，四个温度探测电极本体(3-1)的小端分别与加热电极本体(2-1)的四条边相对设置，四个热隔离槽(4)分别设置在四个温度探测电极本体(3-1)与加热电极本体(2-1)之间，每个热隔离槽(4)的槽口均位于导热介质层(6)的顶面上，槽底均位于衬底(1)内；每个环境温度自补偿电极(5)均包括环境温度自补偿电极本体(5-1)和两个引出电极(5-2)，两个引出电极(5-2)经环境温度自补偿电极本体(5-1)的第一外接端和第二外接端引出并延伸至导热介质层(6)的边缘；对于两个环境温度自补偿电极(5)，两个环境温度自补偿电极本体(5-1)分别位于导热介质层(6)的相对的两个边缘处。2.如权利要求1所述的二维热温差型风速传感器，其特征在于，导热介质层(6)的八条边包括四条长边和四条短边，短边与长边交替布置且合围成八边形；每个引出电极的远离对应电极本体的一端为其外接端；加热电极的两个引出电极(2-1)的外接端分别贴近导热介质层(6)的相对的两条长边，两个环境温度自补偿电极本体(5-1)分别贴近导热介质层(6)的另两条长边，每个环境温度自补偿电极本体(5-1)对应的两个引出电极(5-2)分别位于该环境温度自补偿电极本体(5-1)的两侧，并均与该环境温度自补偿电极本体(5-1)所在侧的长边平行；每个温度探测电极(3)的两个引出电极(3-2)的外接...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文杰，徐丹，陈寅生，刘丛宁，李鹏飞，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23