差壓式測(cè)風(fēng)微傳感器敏感元件的設(shè)計(jì)

衛(wèi)克晶，孫學(xué)金，杜利東

（1.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2.中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所，北京 100080）

近年來，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS 技術(shù)的發(fā)展，將MEMS 技術(shù)應(yīng)用在測(cè)風(fēng)傳感器中[1]，不僅可使傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式測(cè)風(fēng)傳感器的體積大為縮小，從而減少傳感器對(duì)空氣流場(chǎng)的干擾，而且可使測(cè)風(fēng)微傳感器具有質(zhì)量慣性和熱慣性小、響應(yīng)速度高、易集成、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)風(fēng)的工作原理，基于MEMS 技術(shù)的測(cè)風(fēng)微傳感器主要有熱式[2]、差壓式[3]和提升力式、拖動(dòng)力式等。其中，敏感元件是測(cè)風(fēng)微傳感器的關(guān)鍵部分，其穩(wěn)定性直接決定了測(cè)風(fēng)微傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度，對(duì)于測(cè)風(fēng)微傳感器的性能十分重要。文中就差壓式測(cè)風(fēng)微傳感器敏感元件的設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1 差壓式測(cè)風(fēng)微傳感器

差壓式測(cè)風(fēng)微傳感器工作時(shí)，通過測(cè)量南北方向和東西方向的風(fēng)壓差，轉(zhuǎn)化為x 方向風(fēng)壓敏感元件和y 方向風(fēng)壓敏感元件的輸出值，通過三角關(guān)系法算法可獲取風(fēng)速風(fēng)向值。

設(shè)x、y 方向的風(fēng)速分量分別為ux和uy，通過關(guān)系式（1）和（2）計(jì)算出風(fēng)速u 和風(fēng)向值θ[4]。

1.1 系統(tǒng)組成

差壓式測(cè)風(fēng)微傳感器的系統(tǒng)框圖如圖1 所示，由風(fēng)導(dǎo)流模塊、x 方向風(fēng)壓敏感元件、y 方向風(fēng)壓敏感元件、信號(hào)采集與補(bǔ)償模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通訊模塊和上位機(jī)組成。

各模塊的功能為：

1）風(fēng)壓敏感元件。風(fēng)壓敏感元件為SOI 硅片，經(jīng)MEMS 加工形成厚度均勻的感壓薄膜[5]，與帶孔7740 玻璃通過鍵合形成常壓空腔室，構(gòu)成電容式風(fēng)壓敏感元件，其結(jié)構(gòu)及封裝如圖2 所示。

2）風(fēng)導(dǎo)流模塊。風(fēng)導(dǎo)流是在風(fēng)壓敏感元件基礎(chǔ)上，采用動(dòng)壓孔與靜壓腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓的產(chǎn)生與測(cè)量。動(dòng)壓孔以及靜壓腔與風(fēng)壓敏感元件直接相連，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

3）信號(hào)采集與補(bǔ)償模塊。信號(hào)采集與補(bǔ)償模塊基于高性能的MCU，采用運(yùn)算放大器式電路，獲取風(fēng)壓敏感元件原始信號(hào)，通過運(yùn)算器放大電路，將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成與壓力敏感膜撓度成線性關(guān)系的信號(hào)，補(bǔ)償電容式風(fēng)壓敏感元件輸出的非線性問題。

4）電源管理模塊。系統(tǒng)采用直流12 V 電源，通過參考源芯片為氣壓敏感元件提供恒流源或者恒壓源。通過電壓轉(zhuǎn)換元件為數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊供電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源管理功能。采用節(jié)能設(shè)計(jì)，利用低功耗芯片以及外部晶振的方法，降低傳感器功耗。

5）通訊模塊。與上位機(jī)通訊時(shí)，按照通訊協(xié)議通過數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)或者從動(dòng)上報(bào)。具有查詢與預(yù)設(shè)通訊模式，設(shè)計(jì)有與上位機(jī)匹配的通訊接口。

6）數(shù)據(jù)處理模塊。實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的分析與處理，按通訊協(xié)議以及上位機(jī)要求提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

工作時(shí)通過x 與y 方向風(fēng)壓敏感元件和溫度補(bǔ)償元件檢測(cè)微型風(fēng)傳感器所處環(huán)境的風(fēng)壓差和溫度值，通過傳感器信號(hào)解調(diào)及補(bǔ)償單元進(jìn)行信號(hào)解調(diào)、容錯(cuò)以及轉(zhuǎn)化，使原始檢測(cè)量轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)處理單元可處理數(shù)據(jù)，通過信號(hào)解調(diào)與補(bǔ)償單元實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓和溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償，使之成為數(shù)字量。通訊控制單元基于光纖實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，通過內(nèi)部定義的通訊協(xié)議，基于UART 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，并為光纖傳輸提供數(shù)據(jù)。

1.2 風(fēng)壓敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要得到精確的風(fēng)速u 和風(fēng)向值θ，當(dāng)風(fēng)從0°到359°吹向傳感器時(shí)，風(fēng)速分量ux和uy需要很好地符合正余弦函數(shù)變化。若將風(fēng)壓敏感元件封裝在圓柱體內(nèi)，理想情況下，圓柱體周圍風(fēng)壓的分布為一個(gè)余弦形狀的曲線，可用式（3）表示：

式中：Ps為理想情況下圓柱體周圍的風(fēng)壓；P0為靜壓；p 為空氣密度；v0為風(fēng)速；θ 為風(fēng)向值。

在實(shí)際情況下，由于風(fēng)速不同，會(huì)產(chǎn)生層流和湍流，再加上卡門渦街的存在，圓柱體周邊的壓強(qiáng)分布并非為一個(gè)理想的余弦曲線，其分布隨時(shí)間變化而變化。測(cè)量圓柱封裝周邊風(fēng)壓分布與標(biāo)準(zhǔn)的余弦曲線會(huì)有較大誤差，其分布曲線如圖4 所示。因此在設(shè)計(jì)封裝之前，首先需要確立實(shí)際圓柱體周圍風(fēng)壓分布模型。

1）導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于風(fēng)壓分布的對(duì)稱性，首先考慮0°＜θ＜180°時(shí)的情況。θ 越大，曲線與余弦偏離越遠(yuǎn)，所以(1-4sin2θ)要乘以一個(gè)與θ 有關(guān)的修正系數(shù)。另外，當(dāng)θ 略大于90°的時(shí)候，壓強(qiáng)漸漸趨于一個(gè)定值，這個(gè)定值與風(fēng)速V0相關(guān)。因此考慮擬合方程：

其中0°＜θ＜180°，a、b、n 均為大于0 的常數(shù)。對(duì)式（4）進(jìn)行定性分析：當(dāng)θ 較小時(shí)，選取合適的a、b、n 就可使exp{-aθn}、exp{-bθn}接近1，從而壓強(qiáng)分布接近理想狀態(tài)。隨著θ 變大，exp{-aθn}、exp{-bθn}逐漸接近0，風(fēng)速為v 的情況下，當(dāng)θ 足夠大時(shí)，Ps≈P0-g(v)。在實(shí)際風(fēng)傳感器封裝設(shè)計(jì)時(shí)，不斷優(yōu)化選取合適的修正因子系數(shù)a、b、n，獲得實(shí)際風(fēng)壓分布模型。設(shè)計(jì)時(shí)若直接在圓柱的圓周上對(duì)稱地開四個(gè)孔，根據(jù)實(shí)際風(fēng)壓分布曲線，風(fēng)壓測(cè)量元件獲得的測(cè)量結(jié)果將是一種非余弦曲線，利用式（1）和式（2）計(jì)算風(fēng)速風(fēng)向時(shí)，誤差將會(huì)非常大。為了減小這種誤差，采取多導(dǎo)風(fēng)孔的方法，如圖5 所示，P1和P2點(diǎn)的壓強(qiáng)可通過孔開口處的壓強(qiáng)按孔截面積做加權(quán)平均求得：

式中：Pi為開口處的實(shí)際風(fēng)壓；Si為開口處截面積。

因此，P1和P2之間的壓差即為風(fēng)速風(fēng)向解析所需的壓差。通過不斷計(jì)算與實(shí)際測(cè)試調(diào)整開孔角度、數(shù)量式x 和y 方向的壓差變化盡可能地符合正弦或余弦函數(shù)，提高風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量的精度。

2）風(fēng)壓敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。風(fēng)壓敏感元件是測(cè)風(fēng)微傳感器的核心，需要測(cè)量的壓強(qiáng)范圍為0～2209 Pa（60 m/s 的風(fēng)速對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)為2209 Pa），即需要制作量程范圍約2250 Pa 的差壓傳感器。由于所測(cè)壓強(qiáng)非常小，故需選擇較大面積的薄膜。首先用ANSYS[6]軟件對(duì)在3 mm×3 mm 的方膜片進(jìn)行撓度計(jì)算[7]，如圖6 所示。采用圖6a 所示膜片結(jié)構(gòu)與封裝殼構(gòu)成電容后，電容可通過式（6）計(jì)算：

式中：εo為真空介電常數(shù)；εr為介電常數(shù)；D 為電容兩極初始間距；w(x，y)為壓力膜撓度變化函數(shù)。

由于壓力膜撓度函數(shù)w(x，y)隨x、y 的變化而變化，因此電容值測(cè)量難度較大。把圖6 方膜片變?yōu)閹Ч鑽u的膜片（如圖6b 所示），電容可以通過式（7）計(jì)算。

式中：S 為硅島面積；dmax為撓度變化最大值;

從式（7）可以看出，使用圖6b 結(jié)構(gòu)膜片的電容有效地降低了電容值檢測(cè)的難度。因此擬采用帶硅島壓力膜[8]即E 型膜作為風(fēng)壓測(cè)量元件感壓膜。

加工風(fēng)壓敏感元件時(shí)，以SOI 硅片為基本材料[9]，帶硅島壓力膜采用SOI 硅片一側(cè)的單晶硅層制作，SOI 硅片中的氧化層作為制作空腔深刻蝕工藝的停止層，從而可以形成距離一致的空腔。感壓膜形成后，與帶孔7740 玻璃構(gòu)成風(fēng)壓測(cè)量元件[10]。

2 結(jié)語

針對(duì)差壓式測(cè)風(fēng)工作原理的特點(diǎn)，通過有限元仿真軟件對(duì)差壓式測(cè)風(fēng)微傳感器敏感元件材料進(jìn)行了仿真，確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)風(fēng)測(cè)量元件結(jié)構(gòu)周邊的風(fēng)壓分布進(jìn)行了模擬，建立了最佳風(fēng)壓分布方程?；陲L(fēng)壓分布方程，設(shè)計(jì)了風(fēng)速風(fēng)向解算算法。通過對(duì)風(fēng)壓分布的仿真與分析，提出了多導(dǎo)風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及帶硅島壓力膜作為風(fēng)壓感壓膜的方法，提高了測(cè)風(fēng)微傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性。