本文關(guān)鍵詞：高性能MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器環(huán)境效應(yīng)研究　出處：《東南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)以其小型化、微電子集成和高精度批量制造等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、航空、導(dǎo)航、氣象監(jiān)測、工業(yè)控制、消費電子、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。近年來,國家出臺了一系列政策和發(fā)展規(guī)劃,推進現(xiàn)代化進程,包括大力推進交通氣象觀測能力,增速建設(shè)風(fēng)電工程,智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃等。這些政策規(guī)劃的出臺,急劇增加了對風(fēng)速風(fēng)向傳感器的需求,如何提高傳感器測量精度,改善傳感器漂移問題,成為熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器能否成功走入市場的關(guān)鍵。本論文以商用CMOS工藝為加工手段,以提高傳感器工作性能為目標(biāo),重點對傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)級模型仿真、環(huán)境濕度效應(yīng)、環(huán)境溫度效應(yīng)進行深入研究。本論文主要工作內(nèi)容如下：(1)本論文在前期研究的基礎(chǔ)上,基于熱溫差型風(fēng)速風(fēng)向傳感器檢測原理,利用華潤上華2μm,6英寸標(biāo)準CMOS工藝線,加工制造出一批低離散性、低誤差的風(fēng)速風(fēng)向傳感器芯片。采用陶瓷片背部裝貼,黑化鋁環(huán)封裝的形式封裝傳感器芯片,在不影響傳感器工作性能的前提下,對傳感器芯片形成了良好保護。傳感器采用具有負反饋作用的加熱控制電路對傳感器進行加熱控制,采用信號放大電路放大傳感器輸出信號,使用C8051F410控制器作為核心控制元件進行傳感器信號處理。最后,將傳感器敏感元件和測控系統(tǒng)共同封裝在傳感器外殼中。(2)由于熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器涉及熱學(xué)、電學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的耦合問題,現(xiàn)有商用軟件無法對傳感器進行系統(tǒng)仿真。針對這一問題首先對傳感器涉及到的熱學(xué)問題建立熱學(xué)-電學(xué)轉(zhuǎn)化模型,搭建熱學(xué)電路。將熱學(xué)-電學(xué)模型與傳感器控制電路一起在Pspice下進行仿真,對現(xiàn)有的控制電路進行研究討論。通過系統(tǒng)級仿真,發(fā)現(xiàn)基于運放的惠斯通電橋放大控制電路控制下的過熱溫度隨環(huán)境溫度的升高而增大,隨風(fēng)速的增大而減小,無法滿足恒溫差控制要求。對控制電路進行調(diào)整,建立基于比較器的惠斯通電橋放大加熱控制電路,通過系統(tǒng)級仿真和實驗驗證,新控制電路極大改善了傳感器控制電路性能,使得過熱溫度基本滿足恒溫差控制要求。(3)由于傳感器工作在外部環(huán)境中,冷暖、風(fēng)雨、干濕、陰晴等天氣狀況都直接影響著環(huán)境濕度,因此有必要研究環(huán)境濕度對傳感器工作性能的影響。通過分析環(huán)境濕度對空氣熱物理參數(shù)的影響,建立傳感器輸出結(jié)果濕度影響模型。相同環(huán)境溫度下,傳感器輸出結(jié)果隨環(huán)境濕度的增大而線性減��；環(huán)境溫度越高,空氣相對濕度對傳感器輸出結(jié)果的影響越劇烈。環(huán)境溫度為30℃時,空氣相對濕度變化0-100%RH,傳感器輸出結(jié)果減小0.99%；環(huán)境溫度為50℃時,傳感器輸出結(jié)果減小1.71%；環(huán)境溫度為100℃時,傳感器輸出結(jié)果減小3.77%。風(fēng)洞實驗測試,驗證了這一濕度模型結(jié)果。(4)外部環(huán)境溫度會隨著地理、天氣、季節(jié)發(fā)生變化,對于基于熱原理的風(fēng)速風(fēng)向傳感器,這一溫度變化是致命的。建立傳感器輸出模型,通過分析空氣熱物理參數(shù)、襯底熱導(dǎo)率、熱電偶Seebeck系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系,得到傳感器輸出結(jié)果溫漂模型。通過理論計算、有限元仿真、實驗測試證明了模型的有效性。將傳感器溫漂模型應(yīng)用到傳感器風(fēng)速、風(fēng)向輸出信號處理中,得到對應(yīng)的溫漂補償結(jié)果,結(jié)果表明風(fēng)速輸出誤差小于±3.5%,角度輸出誤差為±3o,滿足設(shè)計要求。本論文著重于風(fēng)速風(fēng)向傳感器環(huán)境效應(yīng)研究,優(yōu)化傳感器控制電路,建立傳感器環(huán)境濕度影響模型、環(huán)境溫度補償模型,提高傳感器測量精度,改善傳感器漂移問題。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212;TH-39

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