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基于MEMS技术的测风传感器具有体积小、成本低、灵敏度高的优点,可以满足气象观测、航空航天、环境监测、渔业农业等领域对微型测风传感器的迫切需求。本论文在综述MEMS测风传感器研究发展的基础上,开展了悬板双悬梁热线结构力与热效应集成微型固态风速芯片、悬板单悬梁热线结构力与热效应集成微型固态风速芯片、基于集成风速芯片的正交封装风向传感器、集成风速芯片与罗盘结合测风系统的研究。
对悬板双悬梁热线结构力与热效应集成风速芯片进行了详细的理论分析和设计。首先,根据流体力学和热传导理论,分析了风速与悬板作用引起悬梁应变的关系以及与热线的热损耗的关系。其次,根据分析结果确定了集成风速芯片的测试结构。集成风速芯片力效应部分设计为悬梁加悬板结构,通过铂电阻检测悬梁应变,通过铂应变电阻组成的惠斯通电桥获取风速信号；热效应部分设计为双热线结构,通过铂热线电阻构成的惠斯通电桥获取风速信号。第三,对所设计集成风速芯片力效应、热效应部分灵敏度进行了分析,给出了集成风速芯片风速获取的解析方法。最后,对基于集成风速芯片的风向获取算法进行了设计。
对集成风速芯片的MEMS工艺和测试结构进行了研究分析。敏感悬梁的制备是力与热效应集成风速芯片研制的关键,通过比较深刻蚀与湿法腐蚀的刻蚀效果,设计了力与热效应集成风速芯片的加工方法。首先制作了悬板双悬梁结构力效应风速芯片,以及基于悬板双悬梁结构力效应风速芯片的风向传感器。研究了悬板双:悬梁结构力效应风速芯片上铂应变电阻的热效应,通过优化设计铂应变电阻在悬梁上布置方式,消除了铂应变电阻热效应对力效应风速芯片的影响。对基于悬板双悬梁结构力效应风速芯片的风向传感器的封装进行了改进,改进后风向传感器在10m/s左右风速时风向测试误差为6.2％。
重点研究了在悬板双悬梁结构力效应风速芯片基础上制作的悬板双j悬梁热线结构、悬板单悬梁热线结构力与热效应集成风速芯片。实验结果表明两种结构集成风速芯片对大小风速都灵敏,启动风速O.13m/s,量程0～25m/s,风速大于5m/s时风速芯片测试误差小于5％。测试结果表明基于悬板双:悬梁热线结构力与热效应集成风速芯片的风向传感器风向测试误差为6.1％；基于悬板单悬梁热线结构力与热效应集成风速芯片的风向传感器风向测试误差4.5％。
为了进一步提高风向测试的准确度研究了集成风速传感器的信号处理方法,研制了集成风速芯片与罗盘结合测风系统。测试实验表明集成风速芯片与罗盘结合测风系统的风向测试误差不超过3°。