一種由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于紅外圖像傳感器實現(xiàn)高靈敏度的二維硅熱風速風向傳感器系統(tǒng)，是采用紅外圖像傳感器實現(xiàn)熱斑位置的定位進而確定風速風向的測量系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]氣象問題一直是人們所關注的重要問題，氣象參數(shù)主要包括氣溫，氣壓，濕度，水汽通量，風向風速等，其中風速風向是氣象資料中至關重要的部分，風速風向的測量在環(huán)境監(jiān)測、氣象預報和控制等方面都有著廣泛的應用。該類傳感器一般有傳統(tǒng)的風杯和風向標結構、超聲風速傳感器和熱風速傳感器等。傳統(tǒng)風杯和風向標結構體積較大、一般在數(shù)十厘米或以上，且存在轉動部件，容易磨損；超聲風速傳感器近年來得到很大的發(fā)展，該傳感器具有精度高，測量范圍大，且使用壽命長等諸多突出優(yōu)點。其不利因素是體積較大(10厘米以上)，價格偏高。基于MEMS加工技術的微型熱風速傳感器具有體積小，價格低，產(chǎn)品一致性好的特點，是近幾年來研宄的熱點。但是，由于這類傳感器通過測量熱場或熱損失的原理實現(xiàn)風速測量，溫漂效應和零點漂移比較大，且傳感器需要持續(xù)加熱，功耗較大。

【發(fā)明內容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種利用紅外圖像傳感器感知溫度變化從而測得風速風向的熱風速傳感系統(tǒng)，本發(fā)明具有結構簡單、溫漂小、功耗低等特點。
[0004]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
[0005]一種由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)，包括基座和上蓋，基座和上蓋通過支撐柱固定，且基座和上蓋之間存在間隙；在基座上表面中部設置有襯底，在襯底上表面設置有絕熱膜，在絕熱膜上表面中部設置有加熱單元；在上蓋的下方設置有感熱板，在上蓋和感熱板之間設置有紅外圖像傳感器，感熱板和紅外圖像傳感器均固定在上蓋上；紅外圖像傳感器采集感熱板的紅外圖像信息。
[0006]上述由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)，由加熱空氣的加熱單元、加熱單元上方的感熱板和感熱板上方的紅外圖像傳感器構成；加熱單元加熱其上方的空氣，空氣上升接觸感熱板，并在感熱板上形成溫度分布，感熱板上方的紅外圖像傳感器采集感熱板圖像并傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器中，通過分析可以得到最高溫度點的位置信息，通過最高溫度點的位置信息可計算出實際的風速和風向信息。
[0007]具體的，所述感熱板包括透明基板，在透明基板一面上覆蓋有感熱材料，覆蓋感熱材料的一面朝向加熱單元，透明基板一面朝向紅外圖像傳感器；所述感熱材料為各向異性導熱材料(即垂直方向導熱快、水平方向導熱慢)或各向同性導熱薄膜/超薄薄膜。
[0008]具體的，所述襯底也可以直接設計為絕熱材料，這樣襯底的上表面就同時可以作為絕熱膜。
[0009]有益效果:本發(fā)明提供的由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)，可以精確給出熱場的圖像信息，通過數(shù)據(jù)處理可以獲得準確的風速和風向信息，因此具有如下優(yōu)勢:1、測量靈敏度高；2、由于只測量溫度分布，不需要絕對值測量，因此沒有溫漂問題；3、整個系統(tǒng)沒有可動部件，因此可靠性好，易維護；4、系統(tǒng)可以做的很小，功耗低，便于形成便攜式產(chǎn)品；5、系統(tǒng)結構簡單，成本低，因此市場推廣和競爭性強。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的剖視結構示意圖；
[0011]圖2為本發(fā)明的立體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0013]如圖1、圖2所示為一種由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)，包括基座I和上蓋7，基座I和上蓋7通過支撐柱5固定，且基座I和上蓋7之間存在間隙；在基座I上表面中部設置有襯底2，在襯底2上表面設置有絕熱膜3，在絕熱膜3上表面中部設置有加熱單元4 ;在上蓋7的下方設置有感熱板6，在上蓋7和感熱板6之間設置有紅外圖像傳感器8，感熱板6和紅外圖像傳感器8均固定在上蓋7上；紅外圖像傳感器8采集感熱板6的紅外圖像信息。所述感熱板6包括透明基板，在透明基板一面上覆蓋有感熱材料，覆蓋感熱材料的一面朝向加熱單元4，透明基板一面朝向紅外圖像傳感器8 ;所述感熱材料為各向異性導熱材料或各向同性導熱薄膜。
[0014]上述紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)的一些具體設計點如下:基座I為封裝結構，內部可以放電路板；襯底2為方形或圓形結構，上表面平整；感熱板6置于加熱單元4的正上方；支撐柱5均勻布置在周側，部分/全部支撐柱5可以設計為中空結構，可以穿導線，方便上下結構之間的電互聯(lián)；感熱板6由透明材料(如玻璃或有機玻璃)上覆蓋一層傳熱較好的金屬薄膜、碳納米管或其他各向異性感熱膜組成，目的起到感熱作用；理想的感熱膜為厚度方向導熱好、橫向絕熱，因此覆蓋的金屬薄膜或碳納米管不能太厚，以減少橫向傳熱。
[0015]無風時，加熱單元4加熱空氣并導致熱空氣上升接觸感熱板6，在感熱板6上形成類似同心圓的溫度分布，加熱單元4正上方的溫度最高；當有風沿某一方向吹過整個傳感系統(tǒng)，受熱的空氣將沿風向方向流動，導致感熱板6上的溫度分布發(fā)生變化，最高溫度點隨風移動，該溫度分布圖被導熱板6上方的紅外圖像傳感器8采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)提取與分析可以找到熱量最高點的位置，該位置與中心點長度與風速大小單調相關，該位置相對于中心的角度就是風向的角度。
[0016]該由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)制作過程為:首先選取絕熱襯底2，例如熱氧化的硅片，然后通過光刻技術在硅片中心位置定義出加熱單元4的形狀，通過磁控濺射技術在襯底2上覆蓋一層鎳或鉑金屬薄膜，通過剝離工藝去除其他位置的金屬，留下加熱結構4 ;將帶有加熱結構4的襯底2通過芯片膠貼裝在基座I上，在基座I周圍安裝支撐柱5，然后再在其上固定玻璃基底的感熱板6 ;最后用支撐柱5在感熱板6中心上方將安裝了一個紅外圖像傳感器8的上蓋7固定就完成了整個熱風速傳感系統(tǒng)的制作過程。
[0017]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】
1.一種由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)，其特征在于:包括基座(I)和上蓋(7)，基座(I)和上蓋(7)通過支撐柱(5)固定，且基座(I)和上蓋(7)之間存在間隙；在基座(I)上表面中部設置有襯底(2)，在襯底(2)上表面設置有絕熱膜(3)，在絕熱膜(3)上表面中部設置有加熱單元(4);在上蓋(7)的下方設置有感熱板￠)，在上蓋(7)和感熱板(6)之間設置有紅外圖像傳感器(8)，感熱板(6)和紅外圖像傳感器⑶均固定在上蓋(7)上；紅外圖像傳感器(8)采集感熱板(6)的紅外圖像信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述感熱板(6)包括透明基板，在透明基板一面上覆蓋有感熱材料，覆蓋感熱材料的一面朝向加熱單元(4)，透明基板一面朝向紅外圖像傳感器(8);所述感熱材料為各向異性導熱材料或各向同性導熱薄膜。
3.根據(jù)權利要求1所述的由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述襯底(2)為絕熱材料，襯底(2)的上表面同時作為絕熱膜(3)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種由紅外圖像傳感器組成的熱風速傳感系統(tǒng)，包括基座和上蓋，基座和上蓋通過支撐柱固定，且基座和上蓋之間存在間隙；在基座上表面中部設置有襯底，在襯底上表面設置有絕熱膜，在絕熱膜上表面中部設置有加熱單元；在上蓋的下方設置有感熱板，在上蓋和感熱板之間設置有紅外圖像傳感器，感熱板和紅外圖像傳感器均固定在上蓋上；紅外圖像傳感器采集感熱板的紅外圖像信息。本發(fā)明具有結構簡單、溫漂小、功耗低等特點。
【IPC分類】G01P13-02, G01W1-02, G01P5-26
【公開號】CN104569486
【申請?zhí)枴緾N201510024525
【發(fā)明人】秦明, 姚玉瑾, 王芳, 楊佳偉
【申請人】東南大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月16日