CN104569486A - 一种由红外图像传感器组成的热风速传感*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由红外图像传感器组成的热风速传感***，包括基座和上盖，基座和上盖通过支撑柱固定，且基座和上盖之间存在间隙；在基座上表面中部设置有衬底，在衬底上表面设置有绝热膜，在绝热膜上表面中部设置有加热单元；在上盖的下方设置有感热板，在上盖和感热板之间设置有红外图像传感器，感热板和红外图像传感器均固定在上盖上；红外图像传感器采集感热板的红外图像信息。本发明具有结构简单、温漂小、功耗低等特点。

Description

一种由红外图像传感器组成的热风速传感***

技术领域

本发明涉及一种基于红外图像传感器实现高灵敏度的二维硅热风速风向传感器***，是采用红外图像传感器实现热斑位置的定位进而确定风速风向的测量***。

背景技术

气象问题一直是人们所关注的重要问题，气象参数主要包括气温，气压，湿度，水汽通量，风向风速等，其中风速风向是气象资料中至关重要的部分，风速风向的测量在环境监测、气象预报和控制等方面都有着广泛的应用。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，本发明提供一种利用红外图像传感器感知温度变化从而测得风速风向的热风速传感***，本发明具有结构简单、温漂小、功耗低等特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种由红外图像传感器组成的热风速传感***，包括基座和上盖，基座和上盖通过支撑柱固定，且基座和上盖之间存在间隙；在基座上表面中部设置有衬底，在衬底上表面设置有绝热膜，在绝热膜上表面中部设置有加热单元；在上盖的下方设置有感热板，在上盖和感热板之间设置有红外图像传感器，感热板和红外图像传感器均固定在上盖上；红外图像传感器采集感热板的红外图像信息。

上述由红外图像传感器组成的热风速传感***，由加热空气的加热单元、加热单元上方的感热板和感热板上方的红外图像传感器构成；加热单元加热其上方的空气，空气上升接触感热板，并在感热板上形成温度分布，感热板上方的红外图像传感器采集感热板图像并传输到数字信号处理器中，通过分析可以得到最高温度点的位置信息，通过最高温度点的位置信息可计算出实际的风速和风向信息。

具体的，所述感热板包括透明基板，在透明基板一面上覆盖有感热材料，覆盖感热材料的一面朝向加热单元，透明基板一面朝向红外图像传感器；所述感热材料为各向异性导热材料(即垂直方向导热快、水平方向导热慢)或各向同性导热薄膜/超薄薄膜。

具体的，所述衬底也可以直接设计为绝热材料，这样衬底的上表面就同时可以作为绝热膜。

有益效果：本发明提供的由红外图像传感器组成的热风速传感***，可以精确给出热场的图像信息，通过数据处理可以获得准确的风速和风向信息，因此具有如下优势：1、测量灵敏度高；2、由于只测量温度分布，不需要绝对值测量，因此没有温漂问题；3、整个***没有可动部件，因此可靠性好，易维护；4、***可以做的很小，功耗低，便于形成便携式产品；5、***结构简单，成本低，因此市场推广和竞争性强。

附图说明

图1为本发明的剖视结构示意图；

图2为本发明的立体结构示意图。

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、图2所示为一种由红外图像传感器组成的热风速传感***，包括基座1和上盖7，基座1和上盖7通过支撑柱5固定，且基座1和上盖7之间存在间隙；在基座1上表面中部设置有衬底2，在衬底2上表面设置有绝热膜3，在绝热膜3上表面中部设置有加热单元4；在上盖7的下方设置有感热板6，在上盖7和感热板6之间设置有红外图像传感器8，感热板6和红外图像传感器8均固定在上盖7上；红外图像传感器8采集感热板6的红外图像信息。所述感热板6包括透明基板，在透明基板一面上覆盖有感热材料，覆盖感热材料的一面朝向加热单元4，透明基板一面朝向红外图像传感器8；所述感热材料为各向异性导热材料或各向同性导热薄膜。

上述红外图像传感器组成的热风速传感***的一些具体设计点如下：基座1为封装结构，内部可以放电路板；衬底2为方形或圆形结构，上表面平整；感热板6置于加热单元4的正上方；支撑柱5均匀布置在周侧，部分/全部支撑柱5可以设计为中空结构，可以穿导线，方便上下结构之间的电互联；感热板6由透明材料(如玻璃或有机玻璃)上覆盖一层传热较好的金属薄膜、碳纳米管或其他各向异性感热膜组成，目的起到感热作用；理想的感热膜为厚度方向导热好、横向绝热，因此覆盖的金属薄膜或碳纳米管不能太厚，以减少横向传热。

无风时，加热单元4加热空气并导致热空气上升接触感热板6，在感热板6上形成类似同心圆的温度分布，加热单元4正上方的温度最高；当有风沿某一方向吹过整个传感***，受热的空气将沿风向方向流动，导致感热板6上的温度分布发生变化，最高温度点随风移动，该温度分布图被导热板6上方的红外图像传感器8采集，经过数据提取与分析可以找到热量最高点的位置，该位置与中心点长度与风速大小单调相关，该位置相对于中心的角度就是风向的角度。

该由红外图像传感器组成的热风速传感***制作过程为：首先选取绝热衬底2，例如热氧化的硅片，然后通过光刻技术在硅片中心位置定义出加热单元4的形状，通过磁控溅射技术在衬底2上覆盖一层镍或铂金属薄膜，通过剥离工艺去除其他位置的金属，留下加热结构4；将带有加热结构4的衬底2通过芯片胶贴装在基座1上，在基座1周围安装支撑柱5，然后再在其上固定玻璃基底的感热板6；最后用支撑柱5在感热板6中心上方将安装了一个红外图像传感器8的上盖7固定就完成了整个热风速传感***的制作过程。

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。

Claims (3)

1.一种由红外图像传感器组成的热风速传感***，其特征在于：包括基座(1)和上盖(7)，基座(1)和上盖(7)通过支撑柱(5)固定，且基座(1)和上盖(7)之间存在间隙；在基座(1)上表面中部设置有衬底(2)，在衬底(2)上表面设置有绝热膜(3)，在绝热膜(3)上表面中部设置有加热单元(4)；在上盖(7)的下方设置有感热板(6)，在上盖(7)和感热板(6)之间设置有红外图像传感器(8)，感热板(6)和红外图像传感器(8)均固定在上盖(7)上；红外图像传感器(8)采集感热板(6)的红外图像信息。

2.根据权利要求1所述的由红外图像传感器组成的热风速传感***，其特征在于：所述感热板(6)包括透明基板，在透明基板一面上覆盖有感热材料，覆盖感热材料的一面朝向加热单元(4)，透明基板一面朝向红外图像传感器(8)；所述感热材料为各向异性导热材料或各向同性导热薄膜。

3.根据权利要求1所述的由红外图像传感器组成的热风速传感***，其特征在于：所述衬底(2)为绝热材料，衬底(2)的上表面同时作为绝热膜(3)。