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基于基于MEMS技术的风速和风向测量传感器设计技术的风速和风向测量传感器设计
风速及风向的测量是气象观测中重要的一环。风速风向可以基于流体力学原理、热学原理、声学原理和仿
生学原理来测量。热式测风仪基于风对热体的对流作用来测量风速和风向,其存在一个精密的热源,通过把两
对相对的热源与热电偶正交放置测量风向。
1 引言
风速及风向的测量是气象观测中重要的一环。风速风向可以基于流体力学原理、热学原理、声学原理和仿生学原理来测量。热
式测风仪基于风对热体的对流作用来测量风速和风向,其存在一个精密的热源,通过把两对相对的热源与热电偶正交放置测量
风向。超声测风仪可以同时进行超声波的发射和接收,基于多普勒效应测量风速,用三个或者四个探头根据三角关系测量风向
信息。基于MEMS技术传感器有体积小、重量轻及成本低的特点,基于MEMS技术的风速和风向测量传感器受到了研究者的重
视。
本文介绍了基于MEMS的固态风速风向传感器的设计原理及软件模拟结果,并依据理论与模拟结果设计了工艺流程,对设计的
悬梁式测风传感器进行了测量。
2 传感器原理
2.1 硅薄膜式传感器原理
硅薄膜式测风传感器的设计示意图如图1所示。薄膜式风速风向传感器主要是利用风吹薄膜对薄膜产生风压,风压导致薄膜形
变,薄膜上的应变电阻就会感应到薄膜的形变。通过测量应变电阻的变化即可解算出风速大小。设定测量时风正面吹向薄膜如
图2所示。
图2中:υ1表示风的平均流速;p1表示风流的压力;p2表示薄膜所受的压力,应用流体力学中理想伯努力方程如式(1)。其中p为
空气的密度,化简后可以得出薄膜承受绝对压强p的变化与风速的关系如式(2),即
设W(x,y)是薄膜弯曲的挠度函数。由式(2)可以得出0~30 m/s风的压强为0~580.5 Pa。在此范围之内薄膜的挠度远小于薄膜
的厚度,故挠度可以近似计算为
W(x,y)=hf(p)cos2(πx/L)cos2(πy/L)(3)
其中坐标系是平面直角坐标系,其原点是正方形薄膜中心,坐标轴平行于薄膜的边。其中h和L分别是薄膜的厚度和边长。f(p)
是一个关于薄膜绝对压强的函数。f(p)由方程(4)决定,即
p是作用在膜上的绝对压强;E和υ分别为薄膜材料的杨氏模量和泊松比。材料的形变定义为单位长度材料的变化。设ε(x,y)是
薄膜的应变函数,可以用式(5)来计算,则
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weixin_38604395
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