基于壓阻測(cè)量的風(fēng)速風(fēng)向傳感器的研制.pdf

1、風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量方法多種多樣，從傳統(tǒng)風(fēng)杯測(cè)量?jī)x到超聲風(fēng)速計(jì)到新型熱線風(fēng)速風(fēng)向儀等等。隨著微型制造技術(shù)理論越來越成熟，隨著制造工藝的發(fā)展，基于不同測(cè)量原理的方法逐漸實(shí)現(xiàn)了傳感器的微型化。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，傳感器環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、耐用等要求也日益迫切。傳統(tǒng)的大風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)已經(jīng)難以滿足許多應(yīng)用場(chǎng)合的需要，而當(dāng)前最為成熟的熱風(fēng)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(jī)械性能與電學(xué)性能，正成為壓力和速度測(cè)量領(lǐng)域的主力

2、。
　　本論文首次提出一種基于壓阻測(cè)量原理的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，將新型硅傳感器與機(jī)械封裝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向的同時(shí)測(cè)量。本文設(shè)計(jì)的傳感器具有加工簡(jiǎn)單、工藝成熟（MEMS與IC工藝兼容）、成本較低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，沒有加熱部件，所以也沒有熱傳導(dǎo)引起的溫漂問題。傳感器的體積小，響應(yīng)速度快，便于安裝和風(fēng)速的實(shí)時(shí)測(cè)量。本文從原理出發(fā)，利用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，完成了傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、加工制作、封裝與測(cè)試。進(jìn)而提出了改進(jìn)方案。具體內(nèi)容如下

3、:
　　首先，介紹了傳感器的原理和測(cè)量方法:通過敏感的懸臂梁結(jié)構(gòu)，將風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)壓轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的形變，再通過壓阻檢測(cè)形變產(chǎn)生的應(yīng)力，取平面內(nèi)正交的兩個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，綜合得到風(fēng)速風(fēng)向信息。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)測(cè)量原理的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了理論論證，同時(shí)得到設(shè)計(jì)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(dǎo)風(fēng)速-風(fēng)壓-應(yīng)力關(guān)系，根據(jù)壓阻效應(yīng)得到應(yīng)力-電阻變化關(guān)系。建立SUPREM仿真模型，仿真計(jì)算電阻的長(zhǎng)寬比;建立ANSYS結(jié)構(gòu)仿真模型，得

4、到優(yōu)化尺寸。
　　其次，以優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)工藝流程和加工版圖，通過流片得到的實(shí)驗(yàn)芯片測(cè)試探究不同尺寸結(jié)構(gòu)隨風(fēng)速應(yīng)變的規(guī)律。根據(jù)仿真分析的結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論，對(duì)比綜合分析得到可用的結(jié)構(gòu)。以加工得到的芯片為對(duì)象，設(shè)計(jì)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