1 引言

風(fēng)速及風(fēng)向的測(cè)量是氣象觀測(cè)中重要的一環(huán)。風(fēng)速風(fēng)向可以基于流體力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理和仿生學(xué)原理來測(cè)量。熱式測(cè)風(fēng)儀基于風(fēng)對(duì)熱體的對(duì)流作用來測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，其存在一個(gè)精密的熱源，通過把兩對(duì)相對(duì)的熱源與熱電偶正交放置測(cè)量風(fēng)向。超聲測(cè)風(fēng)儀可以同時(shí)進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收，基于多普勒效應(yīng)測(cè)量風(fēng)速，用三個(gè)或者四個(gè)探頭根據(jù)三角關(guān)系測(cè)量風(fēng)向信息。基于MEMS技術(shù)傳感器有體積小、重量輕及成本低的特點(diǎn)，基于MEMS技術(shù)的風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量傳感器受到了研究者的重視。

本文介紹了基于MEMS的固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)原理及軟件模擬結(jié)果，并依據(jù)理論與模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了工藝流程，對(duì)設(shè)計(jì)的懸梁式測(cè)風(fēng)傳感器進(jìn)行了測(cè)量。

2 傳感器原理

2.1 硅薄膜式傳感器原理

硅薄膜式測(cè)風(fēng)傳感器的設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。薄膜式風(fēng)速風(fēng)向傳感器主要是利用風(fēng)吹薄膜對(duì)薄膜產(chǎn)生風(fēng)壓，風(fēng)壓導(dǎo)致薄膜形變，薄膜上的應(yīng)變電阻就會(huì)感應(yīng)到薄膜的形變。通過測(cè)量應(yīng)變電阻的變化即可解算出風(fēng)速大小。設(shè)定測(cè)量時(shí)風(fēng)正面吹向薄膜如圖2所示。

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

設(shè)W(x，y)是薄膜彎曲的撓度函數(shù)。由式(2)可以得出0～30 m/s風(fēng)的壓強(qiáng)為0～580.5 Pa。在此范圍之內(nèi)薄膜的撓度遠(yuǎn)小于薄膜的厚度，故撓度可以近似計(jì)算為

W(x，y)=hf(p)cos2(πx/L)cos2(πy/L)(3)

其中坐標(biāo)系是平面直角坐標(biāo)系，其原點(diǎn)是正方形薄膜中心，坐標(biāo)軸平行于薄膜的邊。其中h和L分別是薄膜的厚度和邊長(zhǎng)。f(p)是一個(gè)關(guān)于薄膜絕對(duì)壓強(qiáng)的函數(shù)。f(p)由方程(4)決定，即

p是作用在膜上的絕對(duì)壓強(qiáng);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(zhǎng)度材料的變化。設(shè)ε(x，y)是薄膜的應(yīng)變函數(shù)，可以用式(5)來計(jì)算，則

薄膜上的應(yīng)變電阻的形變與其所在的位置有關(guān)。定義h′為應(yīng)變電阻的高度;W為應(yīng)變電阻的寬度;x0，y0是應(yīng)變電阻的起始位置，則可以得到應(yīng)變電阻的總的形變，如式(6)。應(yīng)變電阻的電阻歸一化變化表達(dá)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(duì)變化與風(fēng)速是二次關(guān)系。風(fēng)速信號(hào)解調(diào)出來后，通過正交封裝來解調(diào)風(fēng)向信號(hào)。南北方向的傳感器測(cè)出南北方向的速度υns，東西方向的傳感器測(cè)出東西方向的速度υwe，通過正交關(guān)系式(9)和式(10)最終得出速度和風(fēng)向值，即