中心議題：
- 介紹基于MEMS的固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)原理及軟件模擬結(jié)果
- 設(shè)計(jì)MEMS固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向傳感器的工藝流程
- 對(duì)設(shè)計(jì)的懸梁式測(cè)風(fēng)傳感器進(jìn)行測(cè)量
解決方案：
- 簡(jiǎn)化所設(shè)計(jì)傳感器的模型，方便軟件模擬
- 通過(guò)正交的方法計(jì)算出風(fēng)向
引言
風(fēng)速及風(fēng)向的測(cè)量是氣象觀測(cè)中重要的一環(huán)。風(fēng)速風(fēng)向可以基于流體力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理和仿生學(xué)原理來(lái)測(cè)量。熱式測(cè)風(fēng)儀基于風(fēng)對(duì)熱體的對(duì)流作用來(lái)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，其存在一個(gè)精密的熱源，通過(guò)把兩對(duì)相對(duì)的熱源與熱電偶正交放置測(cè)量風(fēng)向。超聲測(cè)風(fēng)儀可以同時(shí)進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收，基于多普勒效應(yīng)測(cè)量風(fēng)速，用三個(gè)或者四個(gè)探頭根據(jù)三角關(guān)系測(cè)量風(fēng)向信息。基于MEMS技術(shù)傳感器有體積小、重量輕及成本低的特點(diǎn)，基于MEMS技術(shù)的風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量傳感器受到了研究者的重視。
本文介紹了基于MEMS的固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)原理及軟件模擬結(jié)果，并依據(jù)理論與模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了工藝流程，對(duì)設(shè)計(jì)的懸梁式測(cè)風(fēng)傳感器進(jìn)行了測(cè)量。
傳感器原理
a.硅薄膜式傳感器原理
硅薄膜式測(cè)風(fēng)傳感器的設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。薄膜式風(fēng)速風(fēng)向傳感器主要是利用風(fēng)吹薄膜對(duì)薄膜產(chǎn)生風(fēng)壓，風(fēng)壓導(dǎo)致薄膜形變，薄膜上的應(yīng)變電阻就會(huì)感應(yīng)到薄膜的形變。通過(guò)測(cè)量應(yīng)變電阻的變化即可解算出風(fēng)速大小。設(shè)定測(cè)量時(shí)風(fēng)正面吹向薄膜如圖2所示。
圖2中：υ1表示風(fēng)的平均流速;p1表示風(fēng)流的壓力;p2表示薄膜所受的壓力，應(yīng)用流體力學(xué)中理想伯努力方程如式(1)。其中p為空氣的密度，化簡(jiǎn)后可以得出薄膜承受絕對(duì)壓強(qiáng)p的變化與風(fēng)速的關(guān)系如式(2)，即
設(shè)W(x，y)是薄膜彎曲的撓度函數(shù)。由式(2)可以得出0～30 m/s風(fēng)的壓強(qiáng)為0～580.5 Pa。在此范圍之內(nèi)薄膜的撓度遠(yuǎn)小于薄膜的厚度，故撓度可以近似計(jì)算為
W(x，y)=hf(p)cos2(πx/L)cos2(πy/L)(3)
其中坐標(biāo)系是平面直角坐標(biāo)系，其原點(diǎn)是正方形薄膜中心，坐標(biāo)軸平行于薄膜的邊。其中h和L分別是薄膜的厚度和邊長(zhǎng)。f(p)是一個(gè)關(guān)于薄膜絕對(duì)壓強(qiáng)的函數(shù)。f(p)由方程(4)決定，即
p是作用在膜上的絕對(duì)壓強(qiáng);E和υ分別為薄膜材料的楊氏模量和泊松比。材料的形變定義為單位長(zhǎng)度材料的變化。設(shè)ε(x，y)是薄膜的應(yīng)變函數(shù)，可以用式(5)來(lái)計(jì)算，則
薄膜上的應(yīng)變電阻的形變與其所在的位置有關(guān)。定義h′為應(yīng)變電阻的高度;W為應(yīng)變電阻的寬度;x0，y0是應(yīng)變電阻的起始位置，則可以得到應(yīng)變電阻的總的形變，如式(6)。應(yīng)變電阻的電阻歸一化變化表達(dá)式為
由式(2)可知p與速度υ的平方成正比，故可以得出電阻阻值的相對(duì)變化與風(fēng)速是二次關(guān)系。風(fēng)速信號(hào)解調(diào)出來(lái)后，通過(guò)正交封裝來(lái)解調(diào)風(fēng)向信號(hào)。南北方向的傳感器測(cè)出南北方向的速度υns，東西方向的傳感器測(cè)出東西方向的速度υwe，通過(guò)正交關(guān)系式(9)和式(10)最終得出速度和風(fēng)向值，即
b. 硅懸梁式傳感器原理
硅懸梁式測(cè)風(fēng)傳感器的設(shè)計(jì)示意圖如圖3。懸梁式風(fēng)速風(fēng)向傳感器主要是利用風(fēng)吹懸梁對(duì)懸梁產(chǎn)生力矩導(dǎo)致懸梁彎曲，懸梁上的應(yīng)變電阻就會(huì)感應(yīng)到薄膜的應(yīng)變。通過(guò)測(cè)量應(yīng)變電阻的變化即可解算出風(fēng)速大小。測(cè)量時(shí)風(fēng)流平均速度為u(y)。根據(jù)流體力學(xué)繞流阻力計(jì)算公式(11)。其中CD是繞流阻力因素取決于材料的形狀結(jié)構(gòu)，ω是面向風(fēng)速的懸梁寬度，ρ是空氣密度。通過(guò)公式(12)得到風(fēng)對(duì)懸梁力矩的作用，其中l(wèi)是懸梁的長(zhǎng)度，y為懸梁長(zhǎng)度方向，即
懸梁的應(yīng)變通過(guò)式(13)來(lái)計(jì)算，E是楊氏模量，I是慣性矩。慣性矩計(jì)算公式是式(14)，t是懸梁的厚度，ω是懸梁的寬度，則
應(yīng)變電阻的阻值變化可用式(7)計(jì)算，即可得電阻變化的歸一化的表達(dá)式為
并可以得出電阻阻值的相對(duì)變化與風(fēng)速是二次關(guān)系。和薄膜式傳感器一樣，可以通過(guò)正交二次集成的方法解算山風(fēng)向的信息。
傳感器ANSYS CFD模擬
a.硅薄膜式傳感器模擬
為了方便軟件模擬，簡(jiǎn)化了所設(shè)計(jì)傳感器的模型。薄膜的厚度取10μm，2000 μm×2000μm的正方形，空腔的厚度取330μm。圖4為帶有薄膜形變的ANSYS模型。薄膜的模型用Solid45，流體模型應(yīng)用FLUID142，風(fēng)速?gòu)?～30 m/s間隔變化。通過(guò)模擬得到了薄膜最大形變、最大應(yīng)力與風(fēng)速的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5。分析模擬所得的數(shù)據(jù)，可知薄膜撓度和剪切力都與風(fēng)速成二次關(guān)系，與薄膜式傳感器的理論分析相一致。
b. 硅懸梁式傳感器模擬
所設(shè)計(jì)的懸梁式傳感器的模型為懸梁的厚度取10 μm，長(zhǎng)度取1500 μm。采用二維ANSYS模擬。懸梁的模型用Solid42，流體模型應(yīng)用FLUID141，風(fēng)速?gòu)?～30 m/s間隔變化。圖6為帶有懸梁形變的ANSYS模型。通過(guò)模擬得到了薄膜最大形變、最大應(yīng)力與風(fēng)速的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖7。
把模擬所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知懸梁撓度、剪圖7切力都與風(fēng)速成二次關(guān)系，與懸梁式傳感器理論分析相一致。
傳感器工藝流程、封裝及制作
a. 傳感器工藝流程設(shè)計(jì)
兩種傳感器擬采用基于MEMS的體硅工藝，應(yīng)用正背面異向濕法刻蝕和背面深刻蝕形成薄膜或懸梁。薄膜設(shè)計(jì)為10μm厚，200 μm×2000 μm的正方形;懸梁設(shè)計(jì)為10μm厚，1500 μm長(zhǎng)，500 μm寬。采用雙面拋光n型(76 mm)100硅片厚度350 μm。硅片清洗后，用熱氧化工藝制作一層氧化硅，再用LPCVD工藝制作一層氮化硅;之后濺射Pt電極，采用lift-off工藝去掉不需要的Pt金屬。完成以上步驟后，薄膜式傳感器直接在背面腐蝕形成薄膜，完成傳感器的制作;懸梁式傳感器需要先在正面腐蝕出10μm的深坑，后在背面先濕法腐蝕5 h深度達(dá)到200μm，再深刻蝕直到出現(xiàn)圖形。其過(guò)程如圖8。
b.傳感器封裝設(shè)計(jì)
測(cè)風(fēng)傳感器通過(guò)正交的封裝測(cè)量風(fēng)向信息。正交封裝示意圖如圖9所示。
通過(guò)用風(fēng)向信息解算公式(9)和(10)，即可得出風(fēng)向信息。
c. 傳感器制作
依據(jù)所設(shè)計(jì)的原理及工藝流程，首先制作了懸梁式測(cè)風(fēng)傳感器如圖10所示。傳感器為雙懸梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)惠斯通電橋輸出傳感器測(cè)量信號(hào)，其測(cè)試圖如圖11所示。
傳感器經(jīng)小型風(fēng)洞測(cè)試后得出，其一致性很好。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，其輸出信號(hào)有變化，這說(shuō)明可以通過(guò)正交的方法計(jì)算出風(fēng)向。
結(jié) 論
本論文推算了兩種風(fēng)速風(fēng)向傳感器的理論，并進(jìn)行了基于理論的軟件模擬，設(shè)計(jì)了傳感器工藝制作流程和封裝，對(duì)按照本文中所設(shè)計(jì)的理論與原理制作的硅懸梁式傳感器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。傳感器可以很好地感應(yīng)風(fēng)速的變化，根據(jù)輸出電壓隨著傳感器旋轉(zhuǎn)的變化，可以計(jì)算出風(fēng)向。
