高性能MEMS风速风向传感器环境效应研究

发布时间：2017-12-24 17:02

本文关键词：高性能MEMS风速风向传感器环境效应研究　出处：《东南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：微电子机械系统(MEMS)技术以其小型化、微电子集成和高精度批量制造等优点,广泛应用于军事、农业、航空、导航、气象监测、工业控制、消费电子、生物医药等诸多领域。近年来,国家出台了一系列政策和发展规划,推进现代化进程,包括大力推进交通气象观测能力,增速建设风电工程,智慧农业发展规划等。这些政策规划的出台,急剧增加了对风速风向传感器的需求,如何提高传感器测量精度,改善传感器漂移问题,成为热式风速风向传感器能否成功走入市场的关键。本论文以商用CMOS工艺为加工手段,以提高传感器工作性能为目标,重点对传感器系统实现、系统级模型仿真、环境湿度效应、环境温度效应进行深入研究。本论文主要工作内容如下：(1)本论文在前期研究的基础上,基于热温差型风速风向传感器检测原理,利用华润上华2μm,6英寸标准CMOS工艺线,加工制造出一批低离散性、低误差的风速风向传感器芯片。采用陶瓷片背部装贴,黑化铝环封装的形式封装传感器芯片,在不影响传感器工作性能的前提下,对传感器芯片形成了良好保护。传感器采用具有负反馈作用的加热控制电路对传感器进行加热控制,采用信号放大电路放大传感器输出信号,使用C8051F410控制器作为核心控制元件进行传感器信号处理。最后,将传感器敏感元件和测控系统共同封装在传感器外壳中。(2)由于热式风速风向传感器涉及热学、电学等多学科领域的耦合问题,现有商用软件无法对传感器进行系统仿真。针对这一问题首先对传感器涉及到的热学问题建立热学-电学转化模型,搭建热学电路。将热学-电学模型与传感器控制电路一起在Pspice下进行仿真,对现有的控制电路进行研究讨论。通过系统级仿真,发现基于运放的惠斯通电桥放大控制电路控制下的过热温度随环境温度的升高而增大,随风速的增大而减小,无法满足恒温差控制要求。对控制电路进行调整,建立基于比较器的惠斯通电桥放大加热控制电路,通过系统级仿真和实验验证,新控制电路极大改善了传感器控制电路性能,使得过热温度基本满足恒温差控制要求。(3)由于传感器工作在外部环境中,冷暖、风雨、干湿、阴晴等天气状况都直接影响着环境湿度,因此有必要研究环境湿度对传感器工作性能的影响。通过分析环境湿度对空气热物理参数的影响,建立传感器输出结果湿度影响模型。相同环境温度下,传感器输出结果随环境湿度的增大而线性减小；环境温度越高,空气相对湿度对传感器输出结果的影响越剧烈。环境温度为30℃时,空气相对湿度变化0-100%RH,传感器输出结果减小0.99%；环境温度为50℃时,传感器输出结果减小1.71%；环境温度为100℃时,传感器输出结果减小3.77%。风洞实验测试,验证了这一湿度模型结果。(4)外部环境温度会随着地理、天气、季节发生变化,对于基于热原理的风速风向传感器,这一温度变化是致命的。建立传感器输出模型,通过分析空气热物理参数、衬底热导率、热电偶Seebeck系数随温度的变化关系,得到传感器输出结果温漂模型。通过理论计算、有限元仿真、实验测试证明了模型的有效性。将传感器温漂模型应用到传感器风速、风向输出信号处理中,得到对应的温漂补偿结果,结果表明风速输出误差小于±3.5%,角度输出误差为±3o,满足设计要求。本论文着重于风速风向传感器环境效应研究,优化传感器控制电路,建立传感器环境湿度影响模型、环境温度补偿模型,提高传感器测量精度,改善传感器漂移问题。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TH-39

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