CN112013951A

CN112013951A - 一种热温差式质点振速传感器

Info

Publication number: CN112013951A
Application number: CN202010941058.1A
Authority: CN
Inventors: 谢奕; 刘云飞; 周瑜; 冯杰
Original assignee: Third Research Institute Of China Electronics Technology Group Corp
Current assignee: Third Research Institute Of China Electronics Technology Group Corp
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2020-12-01

Abstract

本发明涉及一种热温差式质点振速传感器，包括加热丝，所述加热丝的左右两侧对称设有左热电堆和右热电堆，所述左热电堆、右热电堆的热端靠近加热丝设置；所述左热电堆、右热电堆均设有热电堆信号输出端。本发明能够有效减少噪声，降低功耗。

Description

一种热温差式质点振速传感器

技术领域

本发明涉及一种热温差式质点振速传感器。

背景技术

声信号包含标量声压信号和矢量质点振速信号两个参量值，两个参量分别反应了声场的不同特性，其中，声场矢量质点振速信号携带有声波传播方向信息，能够用于声源定位追踪，声场成像等多个方面，在空气声学、水声学等多种领域之中有广泛的应用前景。对于标量声压信号，可以通过驻极体电容式传声器、压电换能器等多种传感器进行测量。对于声矢量信号，传统的测量方法一般是基于声压梯度原理进行间接测量，即通过一定间距上的两个传声器所探测到的声压进行梯度计算，间接获得质点振速信号。传统的声矢量信号测量方法往往存在测量精度低，传感器阵列孔径尺寸较大的等多种问题。

与本发明最相关的现有技术是，基于微机电(MEMS)技术的热丝式质点振速传感器，可以直接测量声波的质点振速信号。现有热丝式质点振速传感器主要有两种结构：一种为平行并列，具有一定间距的三根热阻丝，即位于中间位置的加热丝以及对称分布在加热丝两端的两根敏感丝；另一种为两根平行并列，具有一定间距的热阻丝，它们既是敏感丝也是加热丝。当声音信号作用于热丝式质点振速传感器时，两根敏感丝的温度会受声场矢量质点振速信号的影响出现扰动，从而使两根敏感丝的阻值出现差异，从而实现对声场矢量质点振速信号的探测。

信噪比是评估传感器性能的关键指标。现有热丝式质点振速传感器为热阻式传感器，其产生的热噪声将极大的影响传感器的噪声性能。这种传感器敏感丝本质上为热阻丝，多选用铂、金等热敏材料构成，其电阻值与温度成正比。根据电流热效应，当敏感丝正常工作时，施加在敏感丝上的工作电压(或电流)将导致敏感丝温度升高。根据热电学理论，敏感丝的热噪声与材料的电阻值及温度成正比。因此，对于现有热丝式质点振速传感器，敏感丝产生的热噪声将随着敏感丝上电压(或电流)的升高而升高。但是，根据热丝式质点振速传感器的工作原理，传感器灵敏度与敏感丝上的电压(或电流)成正比。因此，对于现有热丝式质点振速传感器，在增加敏感丝上的电压(或电流)以保证传感器能够达到足够高的灵敏度的同时，传感器敏感丝的热噪声也会随之增加，这将影响到传感器本身的信噪比，难以实现对目标声场矢量质点振速信号清晰的捕获与探测。

热丝式质点振速传感器需要对敏感丝施加驱动电压(或电流)以保证传感器正常工作，这将导致敏感丝驱动电压(或电流)的噪声对输出信号产生直接的影响，即，输出信号中包含了敏感丝驱动电压(或电流)的噪声。同时，敏感丝作为纯电阻结构，在驱动电压(或电流)的作用下，具有极大的热功率，其工作温度往往能够达到300℃左右，这一问题导致热丝式质点振速传感器存在高功耗的缺点。

综上，现有热丝式质点振速传感器存在的不足之处在于，受敏感结构驱动电压以及电流热效应影响，工作时存在很大的噪声，这对传感器的信噪比具有极大的影响；传感器功耗大，限制了热丝式质点振速传感器的应用。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种热温差式质点振速传感器，能够有效减少噪声，降低功耗。

实现本发明目的的技术方案：

一种热温差式质点振速传感器，包括加热丝，其特征在于：所述加热丝的左右两侧对称设有左热电堆和右热电堆，所述左热电堆、右热电堆的热端靠近加热丝设置；所述左热电堆、右热电堆均设有热电堆信号输出端。

进一步地，所述加热丝、左热电堆、右热电堆、热电堆信号输出端均设置于衬底上。

进一步地，所述加热丝、左热电堆的热端、右热电堆的热端与衬底之间均设有隔热层。

进一步地，所述衬底开有桥孔，所述桥孔的顶部与所述隔热层位置相对应，位于所述隔热层的下方。

进一步地，所述左热电堆、右热电堆的结构为，由多个热电偶串联构成，每个热电偶包括热端和冷端，热端和冷端之间通过导线连接。

进一步地，所述左热电堆、右热电堆的热端与冷端之间接有补偿导线，所述补偿导线用于使冷端免受所述加热丝形成的温度场影响。

进一步地，根据检测声音信号的强弱，确定热电堆热电偶的个数。

进一步地，衬底桥孔的形状为矩形或梯形。

本发明具有的有益效果：

本发明加热丝的左右两侧对称设有左热电堆和右热电堆，所述左热电堆、右热电堆的热端靠近加热丝设置；所述左热电堆、右热电堆均设有热电堆信号输出端。与现有质点振速传感器采用的敏感丝结构不同，本发明采用热电堆结构感知声音信号，热电堆结构为无源传感结构，即工作时不需要额外电源进行供电及驱动。传感器正常工作状态下，热电堆因电流热效应所引起的温度升高以及随之带来的电阻值改变极小。相较于现有热丝式质点振速传感器，本发明采用无源传感结构，减小了因电流热效应所产生的敏感结构热噪声，从而减低了传感器的本底噪声。由于采用无源传感结构，本发明能够消除施加于敏感结构的驱动电压(或电流)所引入的电源噪声，从而提高了传感器的信噪比。由于采用无源传感结构，本发明仅加热丝部分需要外部电源对其进行供电，热点堆作为敏感结构不需要额外的驱动电压(或电流)，其热功率极低，相较于传统的热丝式质点振速传感器，本发明所述的传感器具有更低的功耗。

本发明加热丝、左热电堆、右热电堆、热电堆信号输出端均设置于衬底上；加热丝、左热电堆的热端、右热电堆的热端与衬底之间均设有隔热层；隔热层结构可有效减小温度场在纵向上的热传导、保证传感器的性能。本发明衬底开有桥孔，所述桥孔的顶部与所述隔热层位置相对应，位于所述隔热层的下方；左热电堆、右热电堆的热端与冷端之间接有补偿导线，所述补偿导线用于使冷端免受所述加热丝形成的温度场影响。本发明通过上述结构进一步保证传感器(敏感)结构实现稳定有效的探测性能。

综上，本发明具有低噪声、高信噪比、低功耗、测量精度高、测量范围广、工艺简便优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明热电堆的结构示意图；

图3是本发明的横截面示图；

图4是本发明的工作原理框图；

图5是温度场变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

实施例一：

如图1所示，本发明热温差式质点振速传感器包括加热丝3，所述加热丝3的左右两侧对称设有左热电堆1和右热电堆2。左热电堆、右热电堆的结构为，由多个热电偶串联构成，每个热电偶包括热端和冷端，热端和冷端之间通过导线连接。根据检测声音信号的强弱，确定热电堆热电偶的个数。热端置于加热丝3形成的稳定温度场内，冷端远离加热丝，冷端温度不受加热丝温度场的影响。左热电堆1包括热端11和冷端12，右热电堆2包括热端21和冷端22。左热电堆1的热端11、右热电堆2的热端21靠近加热丝3设置；所述左热电堆1、右热电堆2均设有热电堆信号输出端5。

如图3所示，加热丝3、左热电堆1、右热电堆2、热电堆信号输出端(电极)5均设置于衬底4上。加热丝3、左热电堆1的热端11、右热电堆2的热端21与衬底4之间均设有隔热层。隔热层下方刻蚀一个桥孔，使隔热层悬置于桥孔上，即，衬底4开有桥孔，桥孔的顶部与所述隔热层位置相对应，位于所述隔热层的下方。本实施例中，桥孔的形状呈梯形。

热电偶是一种基于热电效应的常用测温元件，具有精度高、测量范围广等多种优点。热电偶是由两种不同的导体(或半导体)构成的闭合回路(也可以是不同掺杂的同种材料)。当热端与冷端出现温度差时，热电偶将产生热电势，其热电势随冷端与热端的温度差变化，将多个热电偶串联形成热电堆，可以进一步加大热电势差，传感器精度也因此升高，从而使传感器能够对微小声音信号进行探测。

工作时，当声音信号作用于传感器时，由加热丝所产生的稳定温度场出现相应的扰动，若以T来表示加热丝稳态温度场，以δT来表示声音信号所引起的温度场扰动，则当声音信号作用于传感器时，加热丝附近受声音信号扰动影响的温度场可以表示为T+δT。如图4所示，当声音信号出现变化时，加热丝受声音信号影响所形成的温度场也将随之改变，左右两侧热电堆所产生的热电势也将随温度场的改变而出现相应的变化。即，可以通过左右两侧热电势的差异来表示传感器探测的声矢量质点振速信号。当声音信号较为微弱时，可以增加热电堆中热电偶的个数，达到增加热电势的目的，以实现对微小信号的探测。

图5为质点振速传感器温度场变化示意图，以T₀表示恒定的冷端温度。如图5所示，当有声音信号按图中方向作用于传感器时，加热丝左右两侧热电堆的热端温度出现差异，左侧热电堆的热端温度小于右侧热电堆的热端温度，这将导致左侧热电堆的热电势小于右侧热电堆的热电势，即两侧热电堆的热电势出现差异。

实施例二：

实施例二中，如图2所示，为保证本发明热电堆结构的冷端温度不受加热丝温度场的影响，在热电堆冷端与热端之间设置补偿导线6。在确保传感器性能的前提下，省略衬底上的隔热层和桥孔结构。

实施例二其余结构和工作原理同实施例一。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims

1.一种热温差式质点振速传感器，包括加热丝，其特征在于：所述加热丝的左右两侧对称设有左热电堆和右热电堆，所述左热电堆、右热电堆的热端靠近加热丝设置；所述左热电堆、右热电堆均设有热电堆信号输出端。

2.根据权利要求1所述的热温差式质点振速传感器，其特征在于：所述加热丝、左热电堆、右热电堆、热电堆信号输出端均设置于衬底上。

3.根据权利要求2所述的热温差式质点振速传感器，其特征在于：所述加热丝、左热电堆的热端、右热电堆的热端与衬底之间均设有隔热层。

4.根据权利要求3所述的热温差式质点振速传感器，其特征在于：所述衬底开有桥孔，所述桥孔的顶部与所述隔热层位置相对应，位于所述隔热层的下方。

5.根据权利要求1所述的热温差式质点振速传感器，其特征在于：所述左热电堆、右热电堆的结构为，由多个热电偶串联构成，每个热电偶包括热端和冷端，热端和冷端之间通过导线连接。

6.根据权利要求1所述的热温差式质点振速传感器，其特征在于：所述左热电堆、右热电堆的热端与冷端之间接有补偿导线，所述补偿导线用于使冷端免受所述加热丝形成的温度场影响。

7.根据权利要求5所述的热温差式质点振速传感器，其特征在于：根据检测声音信号的强弱，确定热电堆热电偶的个数。

8.根据权利要求4所述的热温差式质点振速传感器，其特征在于：衬底桥孔的形状为矩形或梯形。