[發(fā)明專利]一種微型傳感器用溫度控制裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110006491.7
• 申請日: 2011-01-13
• 公開（公告）號: CN102135438A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發(fā)明（設計）人: 李枚;施志貴;代剛;何曉平
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: G01D3/028
• 分類號: G01D3/028;B81C1/00
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明;何勇盛

技術領域

本發(fā)明屬于傳感器技術領域，涉及一種采用微電子機械系統(tǒng)（MEMS，Micro?Electronic?Mechanical?System）工藝制備的微型傳感器用溫度控制裝置。

背景技術

目前，隨著MEMS技術的進步，利用該技術開發(fā)了一系列微型傳感器產(chǎn)品，例如：微型加速度傳感器，微型陀螺儀，微型沖擊加速度傳感器，微型開關等。微型傳感器屬于機電一體化產(chǎn)品，其機械敏感元件幾何尺寸很小，關鍵結構一般在微米量級，敏感元件芯片整體尺寸一般不超過幾毫米，很難在其中增加普通電子元件。

微型傳感器可以在相關領域替代傳統(tǒng)精密機電一體化產(chǎn)品，但其溫度特性相對較差，體現(xiàn)在：第一，隨著工作環(huán)境溫度變化，微型傳感器特征參數(shù)發(fā)生變化；第二，由于電子學器件本身所固有的發(fā)熱特性，隨工作時間的增加而產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部溫度變化，導致微型傳感器特征參數(shù)發(fā)生變化，例如：零位、靈敏度等參數(shù)的變化。

為了克服這一缺點，提高微型傳感器的使用精度，目前普遍采用的方法是溫度補償法：首先，通過改變環(huán)境溫度條件，測量微型傳感器在不同溫度點下的特征參數(shù)，獲得各微型傳感器的特征參數(shù)對應溫度的相關曲線；再在微傳感器周邊設置溫度傳感器，在工作狀態(tài)下實時測量溫度值；最后利用外部數(shù)據(jù)處理方法，結合事先獲得的特征參數(shù)曲線和實時溫度測量值，修正微型傳感器的輸出值。溫度補償方法是當前應用最普遍的一種技術措施。該方法可以一定程度提高微型傳感器的測量精度，但由于特征參數(shù)曲線是事先通過試驗方法測定的，試驗方法的設計需要與實際工作狀態(tài)高度吻合，當二者一致性差時，就不能達到理想的補償效果。其次，每臺微型傳感器的溫度特性都有所不同，需要對每臺產(chǎn)品進行溫度特性測試，操作復雜。

溫度補償方法是一種后期處理方法，操作復雜，通用性差，對微型傳感器的使用精度提高效果有限。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高微型傳感器的使用精度，針對溫度補償方法操作復雜、通用性差的特點，本發(fā)明公開了一種微傳感器用溫度控制裝置。該裝置成為微型傳感器的有效構成部分，與微型傳感器機械敏感元件一體化加工和使用，避免了后期溫度補償?shù)膹碗s操作，提高微型傳感器的使用精度。

本發(fā)明的溫度控制裝置包括襯底基板，微加熱器、微溫度敏感器、溫度點控制電路，微加熱器、微溫度敏感器與襯底基板連接，微加熱器、微溫度敏感器與溫度點控制電路電連接。

本發(fā)明中所述的微加熱器為電熱式發(fā)熱部件。

本發(fā)明中所述的微溫度敏感器為電阻式溫度敏感部件。

本發(fā)明中的溫度點控制電路包括電阻信號檢測部分和信號功率放大部分，電阻信號檢測采用電阻電橋，與微溫度敏感器相連接；信號功率放大部分將電橋輸出的差模電壓信號進行放大，同時完成功率放大，信號功率放大部分與微加熱器相連接；微加熱器輸出加熱電流并通過調(diào)整信號放大增益，使微型傳感器機械敏感芯片局部環(huán)境溫度穩(wěn)定在預設溫度點。

本發(fā)明所采用的技術方案是：在微型傳感器機械敏感元件內(nèi)部或周邊微米級的狹小空間內(nèi)，采用微電子機械系統(tǒng)MEMS加工工藝手段，制備微加熱器和微溫度敏感器，并與溫度點控制電路相連。微加熱器為電熱式加熱元件，溫度點控制電路調(diào)控加熱電流，使機械敏感芯片內(nèi)部的溫度上升至設定值。微溫度敏感器為電阻式溫度敏感元件，隨溫度變化電阻值發(fā)生變化，溫度點控制電路實時檢測電阻狀態(tài)。溫度點控制電路包括溫度檢測部分和信號放大部分，利用電阻式電橋檢測溫度敏感器電阻值變化，轉換為差模電壓信號，信號放大部分放大該差模信號，并進行功率放大，產(chǎn)生相應的輸出電壓，該輸出電壓施加在微加熱器上，轉換為加熱電流。信號放大的增益越大，輸出電壓越高，產(chǎn)生的加熱電流越大，則最終達到的溫度點越高。

通過微加熱器、微溫度敏感器和溫度點控制電路的共同作用，使微型傳感器的機械敏感芯片工作在穩(wěn)定的環(huán)境溫度條件下，避免與溫度相關的特征參數(shù)變化，達到提高微傳感器使用精度的目的。本發(fā)明實施實例中的微加熱器和微溫度敏感器采用MEMS加工手段，尺寸僅為微米級尺度，與機械敏感芯片共用襯底基板，通過MEMS微組裝工藝與機械敏感芯片集成，實現(xiàn)微傳感器的一體化設計。微加熱器和微溫度敏感器可有選擇地位于機械敏感芯片內(nèi)部或周邊的空間位置，以實現(xiàn)高效快速加熱或精確測溫、快速響應的目的。當微加熱器位于機械敏感芯片內(nèi)部時，由于MEMS機械敏感芯片的幾何尺寸很小，整個芯片的大小在幾毫米，加熱效率高。當微加熱器位于機械敏感芯片周邊時，加熱的效率降低，但溫升的一致性較好。當微溫度敏感器與微加熱器距離較近時，受微加熱器熱傳導的影響，所測得的溫度值不能更好地反映機械敏感芯片溫度狀態(tài)，測溫精度較低，但溫控響應速度增加。