基于MEMS的固態風速風向傳感器的設計原理

1 引言

風速及風向的測量是氣象觀測中重要的一環。風速風向可以基于流體力學原理、熱學原理、聲學原理和仿生學原理來測量。熱式測風儀基于風對熱體的對流作用來測量風速和風向，其存在一個精密的熱源，通過把兩對相對的熱源與熱電偶正交放置測量風向。超聲測風儀可以同時進行超聲波的發射和接收，基于多普勒效應測量風速，用三個或者四個探頭根據三角關系測量風向信息。基于MEMS技術傳感器有體積小、重量輕及成本低的特點，基于MEMS技術的風速和風向測量傳感器受到了研究者的重視。

本文介紹了基于MEMS的固態風速風向傳感器的設計原理及軟件模擬結果，并依據理論與模擬結果設計了工藝流程，對設計的懸梁式測風傳感器進行了測量。

2 傳感器原理

2.1 硅薄膜式傳感器原理

硅薄膜式測風傳感器的設計示意圖如圖1所示。薄膜式風速風向傳感器主要是利用風吹薄膜對薄膜產生風壓，風壓導致薄膜形變，薄膜上的應變電阻就會感應到薄膜的形變。通過測量應變電阻的變化即可解算出風速大小。設定測量時風正面吹向薄膜如圖2所示。

圖2中：υ1表示風的平均流速;p1表示風流的壓力;p2表示薄膜所受的壓力，應用流體力學中理想伯努力方程如式(1)。其中p為空氣的密度，化簡后可以得出薄膜承受絕對壓強p的變化與風速的關系如式(2)，即

設W(x，y)是薄膜彎曲的撓度函數。由式(2)可以得出0～30 m/s風的壓強為0～580.5 Pa。在此范圍之內薄膜的撓度遠小于薄膜的厚度，故撓度可以近似計算為

W(x，y)=hf(p)cos2(πx/L)cos2(πy/L)(3)

其中坐標系是平面直角坐標系，其原點是正方形薄膜中心，坐標軸平行于薄膜的邊。其中h和L分別是薄膜的厚度和邊長。f(p)是一個關于薄膜絕對壓強的函數。f(p)由方程(4)決定，即

p是作用在膜上的絕對壓強;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度材料的變化。設ε(x，y)是薄膜的應變函數，可以用式(5)來計算，則

薄膜上的應變電阻的形變與其所在的位置有關。定義h′為應變電阻的高度;W為應變電阻的寬度;x0，y0是應變電阻的起始位置，則可以得到應變電阻的總的形變，如式(6)。應變電阻的電阻歸一化變化表達式為

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變化與風速是二次關系。風速信號解調出來后，通過正交封裝來解調風向信號。南北方向的傳感器測出南北方向的速度υns，東西方向的傳感器測出東西方向的速度υwe，通過正交關系式(9)和式(10)最終得出速度和風向值，即