原创 二维MEMS风速风向传感器的设计与测试

1  引言

风速风向是气象资料中非常重要的部分，其测量在气象预报、环境监测与控制等方面有着重要的应用。传统的测量方法主要应用风杯来测量风速，风向标测量风向。这些机械装置体积较大，价格昂贵，而且具有移动部件需要经常维护。

近20年来，MEMS的发展为流量传感器的发展带来了新的突破。与传统的流体测量装置相比，热流量传感器具有体积小、成本低等优点，是目前流体测量的发展方向。在目前见诸于报道的热流量传感器中，绝大部分都采用了标准IC工艺在硅衬底上加工。然而，硅具有很高的热导率，及利用体硅芯片实现的热温差风速风向传感器灵敏度不高。利用MEMS后处理工艺，包括正面腐蚀和背面腐蚀，可以提高灵敏度。但是腐蚀后的薄膜和梁结构都比较脆弱，给封装等后道工序带来了不便。

本文提出一种基于MEMS工艺的热流量传感器，如图1所示。该传感器采用恒功率工作方式，利用热温差原理测量风速和风向。芯片的加热与测温Pt电阻都采用圆形对称结构，以提高风向测量的精度。该传感器在玻璃衬底上利用两步金属剥离工艺即可以完成芯片加工，结构健壮，灵敏度高，对风速风向传感器的产业化具有现实意义。



2  工作原理

目前，热流量传感器的工作原理主要有热损失型和热温差型。当流体流过加热体的时候，上游的温度下降会比下游快，从而导致加热体附近热场会发生变化。通过测量这个温度差可以同时反映风速和风向。

对于二维热温差型风速计芯片，对流体感生的温度梯度进行分解，可以得到



式中s为温差对风速的灵敏度系数。

对于阻值为R温度系数为α的测温电阻，惠斯通电桥的输出电压分量为



3  有限元模拟

为了缩短研发周期，研究热风速计在不同风速和风向情况下的表面温度分布，利用ANSYS对恒功率工作方式下的芯片表面温度进行了一系列模拟。为了便于ANSYS实体建模，进行了一些简化：考虑到钛铂电阻的厚度很薄而且间隙很小，用薄膜代替，并采用等效热导率。此外，压焊块的影响也被忽略。加热电阻半径为450 μm，四周扇形测温电阻内径为500 μm，外径为1200　μm。考虑到风吹过芯片表面要符合层流边界条件，模型中空气层的厚度取为500 μm。

为了提高有限元模拟的精度，利用ANSYSICEM CFD的模块(Block)方法进行网格划分，然后导入ANSYS CFX进行计算与分析。具体实施在CFX-Pre中，定义出流体域和固体域，并设置流-固耦合面和边界条件；设置计算参数，并将结果送入CFX-Solver进行计算；利用CFX-Post查看计算结果。热损失和热温差原理都可以用于风速测量，但是后者输出较小，且存在量程限制。当风速较大时，由于上风口不可能比环境温度更低，而下风口不可能比加热条温度更高，所以△T会饱和，热温差测量风速的时候量程受限。图3为几个典型风速情况下，芯片的温差随着风向360°变化时都呈正弦变化。


4  测试结果

本传感器加工工艺简单，利用单步剥离工艺即可在玻璃衬底上完成芯片加工。在室温下，芯片加热条和测温电阻分别为400 Ω和2 kΩ，温度系数为1.05×10-3。本文在恒定加热功率工作方式下，对不同风速情况下的传感器进行了360°风向测试。测试方法为固定加热条电压，将测温电阻接成惠斯通电桥，然后利用仪器放大器进行放大输出。当加热条两端电压为2 V时，输出电压如图4所示，两路输出随风向分别随角度呈正弦和余弦变化。经过反正切计算，误差不超过10％。图中T132，T135为风速分别在2，5 m／s时测温电阻1，3间的温差；T242，T245为风速分别在2，5m／s时测温电阻2，4间的温差。