基于延时测量的热风速传感器结构和风速风向测定方法

摘要

本发明公开了一种基于延时测量的热风速传感器结构和风速风向测定方法，热风速传感器结构包括衬底，假设在衬底的上表面建立XOY直角坐标系，则在原点O位置设置凹槽，在凹槽内设置脉冲热源；在X轴正向、X轴负向、Y轴正向和Y轴负向上分别设置有一组温度测量点，每组温度测量点包括两个温度测量点，分别记为第一温度测量点和第二温度测量点，四个第一温度测量点距离原点O的距离相等，四个第二温度测量点距离原点O的距离相等，在每个温度测量点上设置一个温度传感器。通过测量温度传感器接收到温度信号的时间差测量风速风向，可以避免热源、环境温度对于测量的影响，具有精确度高、抗干扰能力强、功耗低、可超小型化等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲加热和延时测量的热式风速风向传感器结构和风速风向 测定方法，通过测量两个温度传感器信号之间的延时来实现风速风向测量。

背景技术

风速、风向是反应环境气象信息的非常重要的参数，风速和风向的检测对环境监测、 空气调节和工农业的生产有重要影响，因此快速准确测量出风速和风向具有重要的实际 意义。该类传感器一般有传统的风杯和风向标结构、超声风速传感器和热风速传感器等。 传统风杯和风向标结构体积较大、一般在数十厘米或以上，且存在转动部件，容易磨损； 超声风速传感器近年来得到很大的发展，该传感器具有精度高，测量范围大，且使用寿 命长等诸多突出优点。其不利因素是体积较大(10厘米以上)，价格偏高。基于MEMS 加工技术的微型热风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 研究的热点。但是，由于这类传感器通过测量热场或热损失的原理实现风速测量，温漂 效应和零点漂移比较大，且传感器需要持续加热，功耗较大。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于脉冲加热和延时 测量的热式风速风向传感器结构和风速风向测定方法，通过测量温度传感器接收到温度 信号的时间差测量风速风向，可以避免热源、环境温度对于测量的影响，具有精确度高、 抗干扰能力强、功耗低、可超小型化等优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于延时测量的热风速传感器结构，包括衬底，假设在衬底的上表面建立XOY 直角坐标系，则在原点O位置设置凹槽，在凹槽内设置脉冲热源；在X轴正向、X轴负 向、Y轴正向和Y轴负向上分别设置有一组温度测量点，每组温度测量点包括两个温度 测量点，分别记为第一温度测量点和第二温度测量点，第一温度测量点与第二温度测量 点之间的距离为L，四个第一温度测量点距离原点O的距离相等，四个第二温度测量点 距离原点O的距离相等，在每个温度测量点上设置一个温度传感器。

上述基于延时测量的热风速传感器结构，在衬底上中间位置形成凹槽，在凹槽中设 置一个脉冲热源；在以脉冲热源为对称中心的四个方向上沿轴向分别放置一组两个温度 传感器，且各组的两个温度传感器之间距离相同。脉冲热源加热中心的空气：当无风时， 这四组传感器接收到脉冲热源温度信号的时间差(或称延时)相同；当有风从某个水平 方向吹来时，位于脉冲热源下风向的传感器组接收到热源温度信号的延时会比无风时 小，且该延时与风速大小和风向有关。通过测量这个延时并经过一定的数值计算可以得 到风速和风向的信息。

优选的，所述脉冲热源上表面不高于衬底上表面。

一种延时测量的热风速传感器结构的风速风向测定方法，包括如下步骤：

(1)水平放置衬底，启动脉冲热源一次，记录八个温度传感器分别检测到温度跃 变信号的时刻；

(2)最先检测到温度跃变信号的两组温度传感器为脉冲热源下风向的两组温度传 感器，对该两组温度传感器，计算同一组温度测量点上的两个温度传感器检测到温度跃 变信号的时间差，分别记为△T₁₁和△T₁₂；

(3)根据下式计算风速和风向：

$W=a\sqrt{{\left(\frac{L}{\Delta T_{11}}\right)}^2+{\left(\frac{L}{\Delta T_{12}}\right)}^2}$

$D=\arctan \frac{\frac{L}{\Delta T_{12}}}{\frac{L}{\Delta T_{11}}}=\arctan \frac{{\mathrm{\Delta T}}_{11}}{\Delta T_{12}}$

其中，W表示风速，D表示风向，L表示第一温度测量点和第二温度测量点之间的 距离，a表示系数，在热风速传感器结构进行标定时确定。

有益效果：本发明提供的基于延时测量的热风速传感器结构和风速风向测定方法， 具有如下优势：1、基于延时测量的热风速风向传感器，通过测量传感器接收到温度跃 变信号的时间差来测量风速风向，不涉及温度值的模拟测量，可以有效避免热源功率不 稳定、环境温度变化等引起的温度效应，测量的精确度高，抗干扰能力强；2、采用脉 冲加热，可有效降低功耗；3、热源放置在浅槽中，避免热源对温度传感器的直接辐射， 提高了传感器的抗干扰能力；4、每个方向采用一组温度传感器，通过测量温度传感器 之间的信号差，而不是直接测量热源加热到温度信号之间的时间，可以有效避免加热延 迟等不确定因素，使时间差信号只和风速有关，提高了测量灵敏度；5、本发明结构简 单，体积小，制造工艺也不复杂，且可以做的比较小，可满足便携需要；6、传感器各 部件可以采用微机械加工或CMOS工艺完成，因此很容易和电路进行单片集成。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图；

图2为图1中A-A向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于延时测量的热风速传感器结构，包括衬底1，假设在衬底1 的上表面建立XOY直角坐标系，则在原点O位置设置凹槽4，在凹槽4内设置脉冲热 源3；在X轴正向、X轴负向、Y轴正向和Y轴负向上分别设置有一组温度测量点，每 组温度测量点包括两个温度测量点，分别记为第一温度测量点和第二温度测量点，第一 温度测量点与第二温度测量点之间的距离为L，四个第一温度测量点距离原点O的距离 相等，四个第二温度测量点距离原点O的距离相等，在每个温度测量点上设置一个温度 传感器2。如图2所示，所述脉冲热源3上表面不高于衬底1上表面，所述温度传感器 2上表面高于衬底1上表面。

无风时，脉冲热源产生热空气向四周扩散的速度相同，所以四组传感器接收到温度 信号的时间差相同，且都很大，可以通过设置阈值判断这种情况；当风从某个水平方向 (非轴线方向)吹过整个传感器时，在热源下风向，一组温度传感器接收到的温度信号 时间差与该方向风速分量的大小有关，且远大于热扩散时间。

一种延时测量的热风速传感器结构的风速风向测定方法，其特在于：包括如下步骤：

(1)水平放置衬底1，启动脉冲热源3一次，记录八个温度传感器分别检测到温度 跃变信号的时刻；

(2)最先检测到温度跃变信号的两组温度传感器为脉冲热源3下风向的两组温度 传感器，对该两组温度传感器，计算同一组温度测量点上的两个温度传感器检测到温度 跃变信号的时间差，分别记为△T₁₁和△T₁₂；

(3)根据下式计算风速和风向：

$W=a\sqrt{{\left(\frac{L}{\Delta T_{11}}\right)}^2+{\left(\frac{L}{\Delta T_{12}}\right)}^2}$

$D=\arctan \frac{\frac{L}{\Delta T_{12}}}{\frac{L}{\Delta T_{11}}}=\arctan \frac{{\mathrm{\Delta T}}_{11}}{\Delta T_{12}}$

其中，W表示风速，D表示风向，L表示第一温度测量点和第二温度测量点之间的 距离，a表示系数，在热风速传感器结构进行标定时确定。

一种延时测量的热风速传感器结构的制作方法，包括如下步骤：

(1)选一平整的硅片作为衬底1，通过热氧化在整个硅片表面生长一层氧化硅绝缘 层；

(2)首先通过光刻在衬底1中间定义凹槽结构，然后采用HF缓冲溶液腐蚀暴露出 凹槽结构的氧化硅，露出硅表面；

(3)去胶后采用湿法硅腐蚀液(如KOH溶液或TMAH)腐蚀暴露出的硅表面， 得到5微米左右的浅凹槽4；

(4)重新氧化整个硅片，然后通过光刻定义脉冲热源和温度传感器结构；

(5)在整个硅片表面采用磁控溅射技术淀积一层铂金属薄膜，然后采用剥离技术 将脉冲热源3和温度传感器2释放出来。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。