基于壓阻測量的風速風向傳感器的研制.pdf

1、風速風向的測量方法多種多樣，從傳統(tǒng)風杯測量儀到超聲風速計到新型熱線風速風向儀等等。隨著微型制造技術理論越來越成熟，隨著制造工藝的發(fā)展，基于不同測量原理的方法逐漸實現(xiàn)了傳感器的微型化。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，傳感器環(huán)保、經(jīng)濟、耐用等要求也日益迫切。傳統(tǒng)的大風杯式風速計已經(jīng)難以滿足許多應用場合的需要，而當前最為成熟的熱風速儀也在功耗與溫漂問題上遇到了其自身限制。硅壓阻式傳感器，以其良好的機械性能與電學性能，正成為壓力和速度測量領域的主力

2、。
　　本論文首次提出一種基于壓阻測量原理的風速風向傳感器，將新型硅傳感器與機械封裝相結合，實現(xiàn)了對風速和風向的同時測量。本文設計的傳感器具有加工簡單、工藝成熟（MEMS與IC工藝兼容）、成本較低、功耗低等優(yōu)點，沒有加熱部件，所以也沒有熱傳導引起的溫漂問題。傳感器的體積小，響應速度快，便于安裝和風速的實時測量。本文從原理出發(fā)，利用自頂向下的設計方法，完成了傳感器參數(shù)設計與優(yōu)化、加工制作、封裝與測試。進而提出了改進方案。具體內容如下

3、:
　　首先，介紹了傳感器的原理和測量方法:通過敏感的懸臂梁結構，將風速產生的風壓轉化為結構的形變，再通過壓阻檢測形變產生的應力，取平面內正交的兩個方向進行測量，綜合得到風速風向信息。根據(jù)設計要求，對測量原理的各個環(huán)節(jié)進行了理論論證，同時得到設計參數(shù)。包括:根據(jù)功耗要求得到所需壓阻初始值，理論推導風速-風壓-應力關系，根據(jù)壓阻效應得到應力-電阻變化關系。建立SUPREM仿真模型，仿真計算電阻的長寬比;建立ANSYS結構仿真模型，得

4、到優(yōu)化尺寸。
　　其次，以優(yōu)化得到的結構尺寸，設計工藝流程和加工版圖，通過流片得到的實驗芯片測試探究不同尺寸結構隨風速應變的規(guī)律。根據(jù)仿真分析的結果和實際測試結果，驗證設計理論，對比綜合分析得到可用的結構。以加工得到的芯片為對象，設計傳感器封裝，建立ANSYS流固耦合模型探究封裝的可行性。完成裝配制作出傳感器樣品。傳感器芯片尺寸為10mm×0.8mm×0.05mm，壓阻初始值2200Ω(±200Ω)，封裝好的傳感器尺寸為直徑120