本文關鍵詞：MEMS熱式風速傳感器功耗控制與溫漂補償算法研究

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【摘要】：隨著半導體工業(yè)的蓬勃發(fā)展,功能強大且全面的智能電子設備逐漸走入了人們生活當中,而MEMS傳感器在其中扮演了舉足輕重的角色,用MEMS技術制造的各種傳感器可以為人們提供豐富多樣的實時信息,為人們生活帶來極大的便利。由于風速風向信息作為氣象監(jiān)測、工業(yè)制造、農業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中必不可少的關鍵信息,對風速風向傳感器進行研究就顯得意義重大。本文介紹了一種以陶瓷材料進行封裝的二維MEMS熱式風速風向傳感器,采用MEMS工藝進行制備,該傳感器以恒溫差作為工作模式、熱溫差作為風速檢測方式。但是由于該傳感器整體功耗偏高且輸出具有溫漂效應,所以本文主要從軟件算法的角度對傳感器系統(tǒng)進行功耗控制和溫漂補償?shù)难芯俊＝?jīng)過研究與測試,得到了功耗較低、輸出基本沒有溫漂的MEMS熱式風速風向傳感器。傳感器的風速測量范圍為0-30m/s,測量精度在0.5m/s±3%;風向測量范圍在0-360°,測量誤差小于±5°,并且初始功耗為239.47mW,相比原來下降26.1%；顯示風速在0-35℃范圍內誤差在±6%以內。本文主要內容為：首先分析測試了實驗室基于陶瓷封裝的風速傳感器原來的恒溫差控制電路,發(fā)現(xiàn)功耗偏高,為此提出了一種用軟件算法的方式模擬硬件功能,并利用MCU的I/O端口輸出可編程的PWM波形,使傳感器的加熱電壓從準直流變?yōu)槊}沖信號,這樣不但可以使傳感器在不同風速下維持在恒溫差工作模式,還可以降低系統(tǒng)功耗。經(jīng)過實際測試,傳感器的系統(tǒng)功耗平均下降10.2%,且風速與風向精度均能達到要求。其次本文對傳感器的硬件電路與軟件系統(tǒng)進行了功耗測試,發(fā)現(xiàn)MCU占據(jù)了除傳感器芯片外的大部分功耗,且經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)MCU大部分功耗被內核所占用,所以本文提出了一種MCU降頻算法,通過降低MCU內核系統(tǒng)時鐘頻率,并且編程調整MCU內各個模塊的時鐘使其性能維持不變。最終成功將MCU的功耗降低了67%,結合脈沖加熱反饋算法將傳感器系統(tǒng)的初始功耗下降了26.1%。最后本文針對傳感器的輸出溫漂問題,進行了研究。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)傳感器的輸出電壓以及顯示風速與環(huán)境溫度存在相對線性的關系,所以本文提出了一種基于環(huán)境溫度掃描的溫漂補償算法,分別對傳感器的輸出電壓與顯示風速進行補償,經(jīng)過補償前后對傳感器的溫度測試,經(jīng)該溫漂補償算法傳感器在0-35℃范圍內的風速測量誤差在±6%以內,基本符合對傳感器的輸出精度要求。
【關鍵詞】：MEMS熱式風速風向傳感器 陶瓷襯底 算法 功耗控制 溫漂補償
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 MEMS熱式風速傳感器研究背景與意義10-11
• 1.2 MEMS熱式風速風向傳感器研究進展11-15
• 1.2.1 國內外低功耗MEMS熱式風速風向傳感器研究進展11-13
• 1.2.2 國內外MEMS熱式風速風向傳感器溫漂補償研究進展13-15
• 1.3 本論文的主要工作15-16
• 1.3.1 目前研究中存在的問題15
• 1.3.2 本課題任務15-16
• 1.4 本章小結16-18
• 第二章 MEMS熱式風速風向傳感器的工作原理、結構與封裝設計18-32
• 2.1 MEMS熱式風速風向傳感器工作原理概述18-23
• 2.1.1 傳感器的風速風向檢測原理18-21
• 2.1.2 傳感器的控制模式21-23
• 2.2 MEMS熱式風速風向傳感器系統(tǒng)23-26
• 2.2.1 傳感器系統(tǒng)構成概述23
• 2.2.2 傳感器的恒溫差控制系統(tǒng)23-24
• 2.2.3 傳感器的熱溫差檢測系統(tǒng)24-26
• 2.2.4 傳感器的軟件系統(tǒng)26
• 2.3 MEMS熱式風速風向傳感器的芯片結構26-28
• 2.3.1 芯片結構介紹27
• 2.3.2 芯片制造方法27-28
• 2.4 MEMS熱式風速風向傳感器的封裝28-29
• 2.5 本章小結29-32
• 第三章 熱式風速傳感器功耗控制研究32-56
• 3.1 基于脈沖式加熱的功耗控制算法研究32-40
• 3.1.1 脈沖式加熱功耗控制算法概述32-34
• 3.1.2 脈沖式加熱控制電路設計34-35
• 3.1.3 脈沖式加熱反饋控制算法原理35-37
• 3.1.4 與原CTD控制系統(tǒng)功耗對比測試37-40
• 3.2 MCU降頻算法研究40-49
• 3.2.1 傳感器系統(tǒng)功耗占比分析41-43
• 3.2.2 MCU降頻算法43-47
• 3.2.3 CPU工作模式調整對功耗的影響47-49
• 3.3 傳感器性能測試與分析49-53
• 3.3.1 傳感器量程、靈敏度測試與分析49-50
• 3.3.2 傳感器測溫電阻輸出電壓測試與分析50-51
• 3.3.3 風速精度測試與分析51-53
• 3.3.4 風向精度測試與分析53
• 3.4 本章小結53-56
• 第四章 溫漂補償算法研究56-64
• 4.1 傳感器溫度漂移特性分析56-59
• 4.1.1 測試系統(tǒng)概述56
• 4.1.2 傳感器輸出溫漂特性分析56-59
• 4.2 基于線性插值原理的溫漂補償算法59-60
• 4.2.1 線性插值算法原理59
• 4.2.2 基于環(huán)境溫度掃描的傳感器溫漂補償算法59-60
• 4.3 補償后傳感器的溫度測試與分析60-62
• 4.4 本章小結62-64
• 第五章 總結與展望64-66
• 5.1 工作總結64
• 5.2 展望64-66
• 致謝66-68
• 參考文獻68-70
• 作者簡介70

【參考文獻】

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本文編號：769271