MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的信號(hào)調(diào)理及智能控制.pdf

1、氣象檢測(cè)與人們的日常生活息息相關(guān)，并在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工農(nóng)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域起著非常重要的作用。MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器可以同時(shí)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，具有比較高的可靠性和低成本，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)。本文從系統(tǒng)角度出發(fā)，從風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的基礎(chǔ)開始研究，重點(diǎn)分析從外界風(fēng)場(chǎng)到測(cè)量風(fēng)場(chǎng)、芯片溫度場(chǎng)、測(cè)量電路的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳遞全過程，通過優(yōu)化流體外殼、芯片版圖以及電路系統(tǒng)明顯提升了傳感器的性能。
　　 本文將風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量分為三個(gè)過程：外界風(fēng)場(chǎng)進(jìn)入傳感器

2、外殼在芯片附近形成測(cè)量風(fēng)場(chǎng)；測(cè)量風(fēng)場(chǎng)作用于芯片附近的溫度場(chǎng)形成新的測(cè)量溫度場(chǎng)；電路系統(tǒng)獲取測(cè)量溫度場(chǎng)的溫差和加熱電壓信息處理為測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。這三個(gè)過程也可以看成是外界風(fēng)場(chǎng)信息傳遞的過程，在外界風(fēng)場(chǎng)、測(cè)量風(fēng)場(chǎng)和測(cè)量溫度場(chǎng)相互轉(zhuǎn)化的過程中，風(fēng)速和風(fēng)向信息將產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，如何優(yōu)化傳感器來減小系統(tǒng)誤差是本文的目的。
　　 在測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的研究過程中，首先確定了風(fēng)速風(fēng)向的可測(cè)條件：風(fēng)速一一對(duì)應(yīng)、風(fēng)向一一對(duì)應(yīng)及層流性；其次確定了影響測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的

3、兩大類因素：外界風(fēng)場(chǎng)和外殼結(jié)構(gòu)，然后通過Ansys模擬分析主要因素對(duì)測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的影響，根據(jù)可測(cè)條件確定了外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后完成傳感器外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)以及防水設(shè)計(jì)。
　　 在測(cè)量溫度場(chǎng)的研究中，首先分析了測(cè)量風(fēng)場(chǎng)與測(cè)量溫度場(chǎng)的關(guān)系；其次分析了溫度場(chǎng)測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向存在偏差的成因，提出了溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)思路：溫度場(chǎng)均衡和測(cè)量點(diǎn)均衡，并給出了相應(yīng)的解決方案；最后對(duì)溫度場(chǎng)均衡進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)獲得并分析了測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了測(cè)量

4、溫度場(chǎng)的設(shè)計(jì)思路。
　　 在電路系統(tǒng)的研究中，發(fā)現(xiàn)雙模式加熱電路存在的一系列無(wú)法克服的問題，同時(shí)根據(jù)新外殼和新版圖調(diào)整了電路系統(tǒng)，采用恒溫差加熱模式，加熱電壓用于測(cè)量風(fēng)速，上下游溫差用于測(cè)量風(fēng)向。新的傳感器完全克服了雙模式加熱傳感器存在風(fēng)速風(fēng)向無(wú)法同時(shí)測(cè)量、風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量不準(zhǔn)確、可靠性差、功耗大等一系列問題，明顯地提升了傳感器的性能。
　　 本文的風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)經(jīng)過全方位的性能測(cè)試，顯示出較大的性能提升，為本實(shí)驗(yàn)室的M