一种自清洁和自校准的风速风向传感器制造技术

本发明专利技术提供一种自清洁和自校准的风速风向传感器，传感器芯片封装于中央托台中心位置，通过设置进气孔、喷气管道以及喷气口等结构，将压缩空气送至传感器芯片表面。定时喷出的压缩空气，既可以清洗传感器芯片表面沉积颗粒物，避免了因颗粒物的附着而导致的传感器测量灵敏度下降，又可以不断校准传感器的输出结果，消除环境温度改变导致的传感器输出漂移。还可以通过吹热空气的方式清除芯片表面的积冰积雪，解决冰雪导致的传感器工作异常，有效提升了传感器工作的环境可靠性。提升了传感器工作的环境可靠性。提升了传感器工作的环境可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种自清洁和自校准的风速风向传感器


[0001]本专利技术是一种自清洁和自校准的风速风向传感器结构，尤其是通过气孔喷出的压缩空气清洁芯片表面积聚的灰尘，同时压缩空气以固定流速流过芯片表面可用于传感器校准。

技术介绍

[0002]风速风向的测量在航空运输、能源转换、气象研究、建筑和农业领域具有重要作用。相较于风杯式、超声式风速风向传感器，MEMS热式风速风向传感器没有可动部件，具有体积小、功耗低等优点，具有广阔的应用前景。MEMS热式风速风向传感器主要通过与空气的对流换热来测量风速风向，传感器受工作环境中空气悬浮颗粒物影响，芯片表面会出现灰尘积聚现象，影响芯片与空气的对流换热，使传感器灵敏度降低。随着环境温度的变化，热量传输的温度梯度发生变化，使得传感器零点输出发生漂移同样会产生测量误差，此外寒冷环境下芯片表面的积冰积雪会使传感器无法正常工作。因此，如何克服灰尘带来的灵敏度降低，积冰积雪导致的传感器异常，以及温度漂移带来的零点失准是亟待攻克的重点问题。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对上述问题，本专利技术提出了一种自清洁和自校准的风速风向传感器结构。在传感器封装外壳上设置喷气口结构，不定时地向传感器芯片表面喷射压缩空气，在清理传感器表面积聚灰尘的同时，校准传感器输出。
[0004]技术方案：本专利技术是一种包含喷气口结构的热式风速风向传感器，包括封装上板、封装下板、传感器芯片，中央托台、喷气管道；封装上板和封装下板平行设置；中央托台位于封装上板和封装下板之间，且通过支撑柱设置在封装下板的中心位置；传感器芯片位于中央托台的上表面；传感器芯片与封装上板之间存在间隙；喷气管道穿过封装上板，喷气管道的喷气口位于传感器芯片与封装上板之间，且朝向传感器芯片。且喷气管道有多个。
[0005]进一步的，喷气管道包括依次连接的进气段、折弯段和出气段；喷气管道的进气段31穿过封装上板和下板，喷气管道的进气口位于封装下板的下方，喷气管道的折弯段位于出气段连接的上方，喷气管道的出气段穿过封装上板，出气段的喷气口朝向传感器芯片；
[0006]气体以固定角度喷射至传感器芯片表面中心位置，所有喷气口呈中心对称分布；压缩气体由进气口进入喷气管道，经过喷气管道的进气段、折弯段和出气段后由喷气口喷出。
[0007]进一步的，传感器芯片与封装下板之间的距离小于封装上板与封装下板之间距离的1/2。
[0008]进一步的，所述传感器芯片为热式风速风向传感器芯片，包括加热电阻和四个测温电阻；四个测温电阻对称的分布在加热电阻周围；
[0009]通过函数关系式(1)计算得到热温差模式下的风速的测量值V
d
。
[0010][0011]其中，T
x
为水平方向上的温差、T
y
为垂直方向上的温差T
y
；
[0012]通过反正切函数关系式(2)即可计算得到风向角θ。
[0013][0014]本专利技术的一种风速风向传感器的自校准方法，是基于本专利技术的风速风向传感器结构，具体自校准方法如下：
[0015]步骤1，设置压缩空气到达芯片表面的流速V
p
，中心对称分布的各个方向上的喷气口轮流向芯片表面喷气，记录此时热损失模式测量结果输出并以V
p
为标定值对热损失模式的风速测量值进行校准；记录此时热温差模式测量结果并代入关系式(1)；同样以V
p
为标定值对热温差模式的风速测量值进行校准。
[0016]步骤2，同时记录此时传感器水平、垂直方向上的温差T
x
、T
y
并代入关系式(2)，以当前喷气口与传感器0
°
方向的夹角作为风向标定值，建立与当前风向计算值的对应关系查找表，实现风向测量值的校准。
[0017]有益效果：1)恒定压力的气流喷射至传感器芯片表面时，可有效去除芯片表面附着的颗粒物，防止形成颗粒物薄层，消除灰尘对传感器输出的影响，实现传感器的自清洁，提升传感器整体可靠性；2)喷气口可以是一个，也可以是多个且呈中心对称分布，气流以固定流速轮流喷射至芯片表面，依据矢量合成与分解，可以在消除空气流动导致的流速误差的同时，校准风速、风向测量值，实现传感器的自校准；3)积冰和积雪环境，可吹出热空气融冰融雪，加速让传感器恢复正常工作；4)喷气管道除了可以传导压缩空气，还可以对空气流动起到整流的效果，当喷气管道的数量达到一定程度时，可将空气中的湍流转换为层流，测量结果更加准确、稳定。
附图说明
[0018]图1是本专利技术传感器芯片的侧视图；
[0019]图2是本专利技术整体结构中轴线位置的剖面图；
[0020]图3是本专利技术采用的MEMS热式风速风向传感器芯片结构示意图。
[0021]其中1.封装上板；2.喷气口；3.喷气管道；31、进气段；32、折弯段；33、出气段；4.封装下板；5.进气口；6.传感器芯片；7.中央托台。
具体实施方式
[0022]下面结合附图与实施例对本专利技术技术方案进行说明。
[0023]如图1和图2所示，本专利技术的一种自清洁和自校准的风速风向传感器，包括封装上板1、封装下板4、传感器芯片6，中央托台7、喷气管道3；
[0024]封装上板1和封装下板4平行设置；中央托台7位于封装上板1和封装下板4之间，且通过支撑柱设置在封装下板4的中心位置；传感器芯片6通过粘合剂胶体嵌于中央托台7的上表面中心位置，中央托台7上表面水平；
[0025]喷气管道3有多个，喷气管道3包括依次连接的进气段31、折弯段32和出气段33；
[0026]喷气管道的进气段31穿过封装上板1和下板，喷气管道的进气口5位于封装下板4的下方，喷气管道的折弯段32位于出气段33连接的上方，喷气管道的出气段33穿过封装上板1，出气段33的喷气口2朝向传感器芯片6，气体以固定角度喷射至传感器芯片6表面中心位置，所有喷气口2呈中心对称分布；压缩气体由进气口5进入喷气管道3，经过喷气管道的进气段31、折弯段32和出气段33后由喷气口2喷出。喷气管道的进气段31与封装上板以及封装下板4的夹角可以是大于0
°
或小于等于90
°
的任意角度。
[0027]喷气管道的进气段31在固定封装上板1和封装上板1下板的同时，起到传输压缩气体的作用。工作环境中的悬浮颗粒物因空气流动被带至传感器芯片6表面，并随着时间积累在芯片表面形成一层颗粒物薄层，降低芯片与空气的对流换热系数，空气吹过芯片表面带走的热量更少，风速测量值偏小，引入测量误差、降低测量灵敏度。工作环境温度发生变化时，由于热式风速风向传感器中加热电阻与环境测温电阻的电阻温度系数存在微小差异，以及驱动电路元件参数的微小误差，导致传感器零点输出发生偏移，这种现象称为热式风速风向传感器的温漂现象。将压缩空气以特定的流速喷射至传感器芯片6表面，记录传感器的输出电压并修改传感器的风速风向标定表，可实现传感器的输出校准。此外，短本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自清洁和自校准的风速风向传感器，其特征在于，包括封装上板、封装下板、传感器芯片，中央托台、喷气管道；封装上板和封装下板平行设置；中央托台位于封装上板和封装下板之间，且通过支撑柱设置在封装下板的中心位置；传感器芯片位于中央托台的上表面；传感器芯片与封装上板之间存在间隙；喷气管道穿过封装上板，喷气管道的喷气口位于传感器芯片与封装上板之间，且朝向传感器芯片。2.根据权利要求1所述一种自清洁和自校准的风速风向传感器，其特征在于，喷气管包括依次连接的进气段、折弯段和出气段；喷气管的进气段穿过封装上板和下板，喷气管的进气口位于封装下板的下方，喷气管的折弯段位于出气段连接的上方，喷气管的出气段穿过封装上板，出气段的喷气孔朝向传感器芯片。3.根据权利要求1所述一种自清洁和自校准的风速风向传感器，其特征在于，喷气管有多个。4.根据权利要求1所述一种自清洁和自校准的风速风向传感器，其特征在于，传感器芯片与封装下板之间的距离小于封装上板与封装下板之间距离的1/2。5.根据权利要求1或3所述一种自清洁和自校准的风速风向传感器，其特征在于，所述传感器芯片为热式风速风向传感器芯片，包括加热电阻和四个测温电阻；四个测温电阻对称的分布在加热电阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐博，秦明，易真翔，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：