[编者注:这是来自今年ISSCC会议的系列文章中的第一篇，该会议专注于传感器和能量收集。这样做的目的是，除了突出演示者所做的一些前沿工作之外，我们还可以将一些基本的传感器问题推向最前沿，因为它们正从神秘领域转向日常领域。
我对科学设备最早的印象之一是谷仓顶上的风速计。如此简单的设计:这是一个反向的风扇。就像风车，只提供信息而不是能量。
风速计保存至今，当然是以更精确的形式。但是，就像许多机械简单的东西一样，固态机械可以用来测量风。这允许进一步小型化，支持一组新的应用程序。
但这不是一个基于mems的解决方案。那么，在没有任何运动部件的情况下，如何测量风呢?
的温度。
更具体地说，有两件事需要测量:风速和风向。首先，速度:事实证明，如果空气吹过一个表面，沿着流动的方向会产生一个温度梯度。根据材料知识和校准，以及灵敏的温度计，可以根据温度差计算出空速。
理论上，为了测量空速，你需要在地面的一端和另一端分别放置一个温度计——“一端”是由风向定义的。找到温度差就可以了。好吧，假设你知道如何把它转化为风速。但要旋转这个东西来与风对齐有点不切实际。这就违背了风速表一半的功能。
相反，您可以在两个维度上测量:由于缺乏任何更有说服力的标准，温度计在基本方向上测量:北、东、南和西。如果你有一个很好的西风带，那么你会发现沿着东西线的梯度;北风也是如此。如果方向是另一个任意角度，你可以检测到两个轴上的差异，你可以使用这个信息来得到速度和方向。
这些都可以在硅中完成。从实际的角度来看，芯片可以安装在一些其他材料上——在这种情况下，陶瓷——以提供风吹表面并保护模具。我们假设风只在二维空间中运动。这不会探测到下沉气流。
听起来很简单。
问题是，我们说的是在很短的距离上非常微小的温差。这需要非常灵敏的电路，并有能力排除大量噪音。
此外，为了在已知温度的基础上工作，传感器不仅在环境温度下工作:还使用加热器来加热硅。这需要力量。清华大学和代尔夫特理工大学的吴剑锋等人的论文的目标是弄清楚如何做一个精确的、低功耗的传感器。
实际上有两种方法来处理梯度感知。最明显的方法是直接测量差异。另一种方法是调整加热器来抵消温差，然后测量它所消耗的功率，使其归零。
最后一种方法可能听起来很荒谬，但事实证明，在这种情况下，风速遵循一个很好的，干净的平方定律函数，使其更容易计算。从实际的温度测量来看，它并不是那么清晰。但是，毫无疑问，你必须在更高的温度下运行加热器才能实现抵消，而这种方法消耗了多达450兆瓦的加热器功率，远远超过了这个项目的目标。
所以，即使这是一个更难的计算，他们选择了直接梯度测量。
温度计本身是使用热电堆来实现的，热电堆会根据梯度产生电压。热电堆是一系列热电偶的集合或堆;他们使用的热电偶是p+/Al。方向相反的两个分子串联在一起因为这就是要测量的温度差。
他们使用多晶硅电阻器作为加热器。听起来是个很大的电阻。
理论上，加热器所需的功率将受到加热器噪声下限的限制——基本上就像在不咳嗽和熄火的情况下尽可能低地运行发动机一样。但它也必须运行得足够高，以便热电堆(其输出电平取决于加热)产生足够高的信号，以供传感电路读取。
这里是我们进入实现的一些相当血腥的细节的地方，可能信号处理专家(我不是)最欣赏这些细节。一般来说，他们使用热delta-sigma调制器的方法。加热器和热电堆对实际上在反馈路径中扮演了热过滤器或粗积分器的角色。他们尝试了几种不同的方法——一种是使用一个自动调零的前置放大器，另一种是添加一个电积分器使它变成2nd-order过滤器，截断而不是自动归零。
我将向您推荐实际的结果，但最重要的是，他们能够以±5%的速度精度和±2°的方向精度检测速度，使用50mw的功率-之前工作功率的九分之一。
不坏。还是不知道谷仓顶上会有多漂亮……
(注:下一个系列是在这里)。
