二維MEMS風速風向傳感器的設計與測試

風速風向是氣象資料中非常重要的部分，其測量在氣象預報、環(huán)境監(jiān)測與控制等方面有著重要的應用。傳統(tǒng)的測量方法主要應用風杯來測量風速，風向標測量風向。這些機械裝置體積較大，價格昂貴，而且具有移動部件需要經常維護。

近20年來，MEMS的發(fā)展為流量傳感器的發(fā)展帶來了新的突破。與傳統(tǒng)的流體測量裝置相比，熱流量傳感器具有體積小、成本低等優(yōu)點，是目前流體測量的發(fā)展方向。在目前見諸于報道的熱流量傳感器中，絕大部分都采用了標準IC工藝在硅襯底上加工。然而，硅具有很高的熱導率，及利用體硅芯片實現的熱溫差風速風向傳感器靈敏度不高。利用MEMS后處理工藝，包括正面腐蝕和背面腐蝕，可以提高靈敏度。但是腐蝕后的薄膜和梁結構都比較脆弱，給封裝等后道工序帶來了不便。

本文提出一種基于MEMS工藝的熱流量傳感器，如圖1所示。該傳感器采用恒功率工作方式，利用熱溫差原理測量風速和風向。芯片的加熱與測溫Pt電阻都采用圓形對稱結構，以提高風向測量的精度。該傳感器在玻璃襯底上利用兩步金屬剝離工藝即可以完成芯片加工，結構健壯，靈敏度高，對風速風向傳感器的產業(yè)化具有現實意義。

工作原理

目前，熱流量傳感器的工作原理主要有熱損失型和熱溫差型。當流體流過加熱體的時候，上游的溫度下降會比下游快，從而導致加熱體附近熱場會發(fā)生變化。通過測量這個溫度差可以同時反映風速和風向。

對于二維熱溫差型風速計芯片，對流體感生的溫度梯度進行分解，可以得到

式中s為溫差對風速的靈敏度系數。

對于阻值為R溫度系數為α的測溫電阻，惠斯通電橋的輸出電壓分量為

有限元模擬

為了縮短研發(fā)周期，研究熱風速計在不同風速和風向情況下的表面溫度分布，利用ANSYS對恒功率工作方式下的芯片表面溫度進行了一系列模擬。為了便于ANSYS實體建模，進行了一些簡化：考慮到鈦鉑電阻的厚度很薄而且間隙很小，用薄膜代替，并采用等效熱導率。此外，壓焊塊的影響也被忽略。加熱電阻半徑為450 μm，四周扇形測溫電阻內徑為500 μm，外徑為1200　μm。考慮到風吹過芯片表面要符合層流邊界條件，模型中空氣層的厚度取為500 μm。

為了提高有限元模擬的精度，利用ANSYSICEM CFD的模塊(Block)方法進行網格劃分，然后導入ANSYS CFX進行計算與分析。具體實施在CFX-Pre中，定義出流體域和固體域，并設置流-固耦合面和邊界條件；設置計算參數，并將結果送入CFX-Solver進行計算；利用CFX-Post查看計算結果。從圖2可以看出，熱損失和熱溫差原理都可以用于風速測量，但是后者輸出較小，且存在量程限制。當風速較大時，由于上風口不可能比環(huán)境溫度更低，而下風口不可能比加熱條溫度更高，所以△T會飽和，熱溫差測量風速的時候量程受限。圖3為幾個典型風速情況下，芯片的溫差隨著風向360°變化時都呈正弦變化。

測試結果

本傳感器加工工藝簡單，利用單步剝離工藝即可在玻璃襯底上完成芯片加工。在室溫下，芯片加熱條和測溫電阻分別為400 Ω和2 kΩ，溫度系數為1.05×10-3。本文在恒定加熱功率工作方式下，對不同風速情況下的傳感器進行了360°風向測試。測試方法為固定加熱條電壓，將測溫電阻接成惠斯通電橋，然后利用儀器放大器進行放大輸出。當加熱條兩端電壓為2 V時，輸出電壓如圖4所示，兩路輸出隨風向分別隨角度呈正弦和余弦變化。經過反正切計算，誤差不超過10％。圖中T132，T135為風速分別在2，5 m／s時測溫電阻1，3間的溫差；T242，T245為風速分別在2，5m／s時測溫電阻2，4間的溫差。