MEMS热式风速传感器功耗控制与温漂补偿算法研究

发布时间：2017-09-01 02:06

  本文关键词：MEMS热式风速传感器功耗控制与温漂补偿算法研究

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【摘要】：随着半导体工业的蓬勃发展,功能强大且全面的智能电子设备逐渐走入了人们生活当中,而MEMS传感器在其中扮演了举足轻重的角色,用MEMS技术制造的各种传感器可以为人们提供丰富多样的实时信息,为人们生活带来极大的便利。由于风速风向信息作为气象监测、工业制造、农业生产以及日常生活中必不可少的关键信息,对风速风向传感器进行研究就显得意义重大。本文介绍了一种以陶瓷材料进行封装的二维MEMS热式风速风向传感器,采用MEMS工艺进行制备,该传感器以恒温差作为工作模式、热温差作为风速检测方式。但是由于该传感器整体功耗偏高且输出具有温漂效应,所以本文主要从软件算法的角度对传感器系统进行功耗控制和温漂补偿的研究。经过研究与测试,得到了功耗较低、输出基本没有温漂的MEMS热式风速风向传感器。传感器的风速测量范围为0-30m/s,测量精度在0.5m/s±3%;风向测量范围在0-360°,测量误差小于±5°,并且初始功耗为239.47mW,相比原来下降26.1%；显示风速在0-35℃范围内误差在±6%以内。本文主要内容为：首先分析测试了实验室基于陶瓷封装的风速传感器原来的恒温差控制电路,发现功耗偏高,为此提出了一种用软件算法的方式模拟硬件功能,并利用MCU的I/O端口输出可编程的PWM波形,使传感器的加热电压从准直流变为脉冲信号,这样不但可以使传感器在不同风速下维持在恒温差工作模式,还可以降低系统功耗。经过实际测试,传感器的系统功耗平均下降10.2%,且风速与风向精度均能达到要求。其次本文对传感器的硬件电路与软件系统进行了功耗测试,发现MCU占据了除传感器芯片外的大部分功耗,且经过测试发现MCU大部分功耗被内核所占用,所以本文提出了一种MCU降频算法,通过降低MCU内核系统时钟频率,并且编程调整MCU内各个模块的时钟使其性能维持不变。最终成功将MCU的功耗降低了67%,结合脉冲加热反馈算法将传感器系统的初始功耗下降了26.1%。最后本文针对传感器的输出温漂问题,进行了研究。通过实验测试发现传感器的输出电压以及显示风速与环境温度存在相对线性的关系,所以本文提出了一种基于环境温度扫描的温漂补偿算法,分别对传感器的输出电压与显示风速进行补偿,经过补偿前后对传感器的温度测试,经该温漂补偿算法传感器在0-35℃范围内的风速测量误差在±6%以内,基本符合对传感器的输出精度要求。
【关键词】：MEMS热式风速风向传感器 陶瓷衬底 算法 功耗控制 温漂补偿
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 MEMS热式风速传感器研究背景与意义10-11
• 1.2 MEMS热式风速风向传感器研究进展11-15
• 1.2.1 国内外低功耗MEMS热式风速风向传感器研究进展11-13
• 1.2.2 国内外MEMS热式风速风向传感器温漂补偿研究进展13-15
• 1.3 本论文的主要工作15-16
• 1.3.1 目前研究中存在的问题15
• 1.3.2 本课题任务15-16
• 1.4 本章小结16-18
• 第二章 MEMS热式风速风向传感器的工作原理、结构与封装设计18-32
• 2.1 MEMS热式风速风向传感器工作原理概述18-23
• 2.1.1 传感器的风速风向检测原理18-21
• 2.1.2 传感器的控制模式21-23
• 2.2 MEMS热式风速风向传感器系统23-26
• 2.2.1 传感器系统构成概述23
• 2.2.2 传感器的恒温差控制系统23-24
• 2.2.3 传感器的热温差检测系统24-26
• 2.2.4 传感器的软件系统26
• 2.3 MEMS热式风速风向传感器的芯片结构26-28
• 2.3.1 芯片结构介绍27
• 2.3.2 芯片制造方法27-28
• 2.4 MEMS热式风速风向传感器的封装28-29
• 2.5 本章小结29-32
• 第三章 热式风速传感器功耗控制研究32-56
• 3.1 基于脉冲式加热的功耗控制算法研究32-40
• 3.1.1 脉冲式加热功耗控制算法概述32-34
• 3.1.2 脉冲式加热控制电路设计34-35
• 3.1.3 脉冲式加热反馈控制算法原理35-37
• 3.1.4 与原CTD控制系统功耗对比测试37-40
• 3.2 MCU降频算法研究40-49
• 3.2.1 传感器系统功耗占比分析41-43
• 3.2.2 MCU降频算法43-47
• 3.2.3 CPU工作模式调整对功耗的影响47-49
• 3.3 传感器性能测试与分析49-53
• 3.3.1 传感器量程、灵敏度测试与分析49-50
• 3.3.2 传感器测温电阻输出电压测试与分析50-51
• 3.3.3 风速精度测试与分析51-53
• 3.3.4 风向精度测试与分析53
• 3.4 本章小结53-56
• 第四章 温漂补偿算法研究56-64
• 4.1 传感器温度漂移特性分析56-59
• 4.1.1 测试系统概述56
• 4.1.2 传感器输出温漂特性分析56-59
• 4.2 基于线性插值原理的温漂补偿算法59-60
• 4.2.1 线性插值算法原理59
• 4.2.2 基于环境温度扫描的传感器温漂补偿算法59-60
• 4.3 补偿后传感器的温度测试与分析60-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第五章 总结与展望64-66
• 5.1 工作总结64
• 5.2 展望64-66
• 致谢66-68
• 参考文献68-70
• 作者简介70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王淑华;;MEMS传感器现状及应用[J];微纳电子技术;2011年08期

2 钟海见;传感器的重复性和稳定性关系问题的探讨[J];自动化仪表;2003年05期

3 张昭勇,秦明,黄庆安;硅热流量传感器的研究与发展[J];电子器件;2001年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 程海洋;CMOS兼容风速风向传感器控制和检测电路的研究[D];东南大学;2005年

2 高冬晖;CMOS集成二维风速传感器的研究[D];东南大学;2005年

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本文编号：769271