MEMS熱風(fēng)速計控制電路溫漂特性的研究和風(fēng)向的測試.pdf

1、風(fēng)速計是日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少的傳感器。傳統(tǒng)機械式風(fēng)速計有體積大、易磨損等缺陷，利用MEMS工藝實現(xiàn)的二維量熱式風(fēng)速計不僅克服了上述缺陷，而且基于CMOS-MEMS工藝的傳感器還能夠把相關(guān)的控制和信號處理電路集成在同一塊芯片上，最終實現(xiàn)智能化。 經(jīng)過對該課題幾年的研究，本實驗室已經(jīng)成功地把自己設(shè)計的風(fēng)速計傳感器應(yīng)用到了手持式氣象參數(shù)測試儀上面。為了擴大風(fēng)速計的應(yīng)用范圍、提高測試穩(wěn)定性和精確度，本實驗室設(shè)計的系統(tǒng)仍然有一些問

2、題需要解決，如對風(fēng)速測量會有較大溫漂、風(fēng)向測試信號不穩(wěn)等缺陷。為解決好這些問題，本文的主要工作是針對本實驗室設(shè)計的風(fēng)速計，設(shè)計和改進恒溫差控制系統(tǒng)和風(fēng)向檢測方法，使其達到能夠在實際中應(yīng)用的目的。 量熱式風(fēng)速計的工作原理就是在一定的控制模式下把傳感器加熱(一般比環(huán)境溫度高10-20℃)，通過檢測氣流引起的傳感器表面溫度場分布或消耗功率來得到風(fēng)速風(fēng)向信息。控制電路對風(fēng)速計整個系統(tǒng)性能起著關(guān)鍵的作用，所以文章首先分析了控制電路的工作原

3、理。為了減小環(huán)境溫度對系統(tǒng)的影響，本論文選擇了恒溫差控制模式。不過，盡管理論分析恒溫差控制系統(tǒng)沒有溫漂，但實際測試發(fā)現(xiàn)，該控制模式下系統(tǒng)輸出仍隨環(huán)境溫度的變化而變化。文章分析了恒溫差模式在實際測風(fēng)速時產(chǎn)生溫漂的具體原因并給出了解決方案。經(jīng)過對溫度補償后測試發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速信號電壓隨溫度的變化從補償前的0.28V/10℃降低為-0.02V/10℃，輸出溫漂明顯降低，能夠滿足實際應(yīng)用的需求。 硅是熱的良導(dǎo)體，從理論可知傳感器表面由于氣流引

4、起的溫差不會超過設(shè)定芯片和環(huán)境間溫差的1％，因此反映風(fēng)向的信號很難測量。為了得到穩(wěn)定的風(fēng)向信號，本文研究了風(fēng)向測試電路并分別對采用鉑電阻、PN結(jié)和熱堆的熱分布型傳感器進行了測試和分析，這三種結(jié)構(gòu)都在360°對風(fēng)向敏感。測試發(fā)現(xiàn)，基于玻璃襯底的鉑電阻結(jié)構(gòu)性能最好，檢測電路輸出峰峰值為720mV，風(fēng)向誤差小于8°，基本能夠滿足測量風(fēng)向的要求；硅襯底熱導(dǎo)率很大，所以基于標準CMOS工藝的串聯(lián)PN結(jié)結(jié)構(gòu)靈敏度稍差，檢測電路輸出峰峰值為160mV