高性能MEMS風速風向傳感器環(huán)境效應研究.pdf

1、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術以其小型化、微電子集成和高精度批量制造等優(yōu)點，廣泛應用于軍事、農(nóng)業(yè)、航空、導航、氣象監(jiān)測、工業(yè)控制、消費電子、生物醫(yī)藥等諸多領域。近年來，國家出臺了一系列政策和發(fā)展規(guī)劃，推進現(xiàn)代化進程，包括大力推進交通氣象觀測能力，增速建設風電工程，智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃等。這些政策規(guī)劃的出臺，急劇增加了對風速風向傳感器的需求，如何提高傳感器測量精度，改善傳感器漂移問題，成為熱式風速風向傳感器能否成功走入市場的關鍵。本論文以商用

2、CMOS工藝為加工手段，以提高傳感器工作性能為目標，重點對傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)級模型仿真、環(huán)境濕度效應、環(huán)境溫度效應進行深入研究。本論文主要工作內(nèi)容如下:
　　(1)本論文在前期研究的基礎上，基于熱溫差型風速風向傳感器檢測原理，利用華潤上華2μm，6英寸標準CMOS工藝線，加工制造出一批低離散性、低誤差的風速風向傳感器芯片。采用陶瓷片背部裝貼，黑化鋁環(huán)封裝的形式封裝傳感器芯片，在不影響傳感器工作性能的前提下，對傳感器芯片形成了良好

3、保護。傳感器采用具有負反饋作用的加熱控制電路對傳感器進行加熱控制，采用信號放大電路放大傳感器輸出信號，使用C8051F410控制器作為核心控制元件進行傳感器信號處理。最后，將傳感器敏感元件和測控系統(tǒng)共同封裝在傳感器外殼中。
　　(2)由于熱式風速風向傳感器涉及熱學、電學等多學科領域的耦合問題，現(xiàn)有商用軟件無法對傳感器進行系統(tǒng)仿真。針對這一問題首先對傳感器涉及到的熱學問題建立熱學-電學轉(zhuǎn)化模型，搭建熱學電路。將熱學-電學模型與傳感器

4、控制電路一起在Pspice下進行仿真，對現(xiàn)有的控制電路進行研究討論。通過系統(tǒng)級仿真，發(fā)現(xiàn)基于運放的惠斯通電橋放大控制電路控制下的過熱溫度隨環(huán)境溫度的升高而增大，隨風速的增大而減小，無法滿足恒溫差控制要求。對控制電路進行調(diào)整，建立基于比較器的惠斯通電橋放大加熱控制電路，通過系統(tǒng)級仿真和實驗驗證，新控制電路極大改善了傳感器控制電路性能，使得過熱溫度基本滿足恒溫差控制要求。
　　(3)由于傳感器工作在外部環(huán)境中，冷暖、風雨、干濕、陰晴等

5、天氣狀況都直接影響著環(huán)境濕度，因此有必要研究環(huán)境濕度對傳感器工作性能的影響。通過分析環(huán)境濕度對空氣熱物理參數(shù)的影響，建立傳感器輸出結果濕度影響模型。相同環(huán)境溫度下，傳感器輸出結果隨環(huán)境濕度的增大而線性減小;環(huán)境溫度越高，空氣相對濕度對傳感器輸出結果的影響越劇烈。環(huán)境溫度為30℃時，空氣相對濕度變化0～100％RH，傳感器輸出結果減小0.99％;環(huán)境溫度為50℃時，傳感器輸出結果減小1.71％;環(huán)境溫度為100℃時，傳感器輸出結果減小3.

6、77％。風洞實驗測試，驗證了這一濕度模型結果。
　　(4)外部環(huán)境溫度會隨著地理、天氣、季節(jié)發(fā)生變化，對于基于熱原理的風速風向傳感器，這一溫度變化是致命的。建立傳感器輸出模型，通過分析空氣熱物理參數(shù)、襯底熱導率、熱電偶Seebeck系數(shù)隨溫度的變化關系，得到傳感器輸出結果溫漂模型。通過理論計算、有限元仿真、實驗測試證明了模型的有效性。將傳感器溫漂模型應用到傳感器風速、風向輸出信號處理中，得到對應的溫漂補償結果，結果表明風速輸出誤差