便携式MEMS热式风传感器的设计与实现文献综述

 2022-09-21 10:09

  1. 文献综述(或调研报告):

常用的风传感器包括机械式风速计,热式风传感器,涡街流量传感器,超声波风速计。

由于体积小、成本低、重量轻和灵敏度高等优点,MEMS传感器在最近得到了较快的发展。现今,MEMS风传感器的研制主要采用热式原理,这样设计出的MEMS热式风传感器具有结构简单、无活动部件、工艺易控制等优点。但同时也存在着功耗较高,测量过程中会产生温度漂移造成测量误差。所以在设计过程中还要进行功耗管理和温漂补偿等处理,来弥补热式传感器的这些缺点。

MEMS热式风速传感器的封装设计:对装置和探头可采用流线型设计,使得探头的敏感探测部位最接近风场的实际情况,其他部位则受风场较小影响,从而减小探头探测的数据的误差,同时对探头进行小型化设计,减小其对风场的影响。由于传感器既要暴露在外部环境中以探测风场,同时也要尽量避免与外部处理电路接触带来的影响,故可以采用倒封装技术对传感器进行封装。

MEMS热式风速传感器的低功耗设计:目前国内外相关的低功耗设计主要在,改变传感器材料和结构与改变传感器整个系统的控制模式和电路设计两个方面进行的。材料方面,低热导材料玻璃作为传感器衬底,硅通孔作为传导电路,这样可以降低热传导导致的热损失。结构方面,将传感器的敏感部分置于悬空薄膜上,减少热功耗。电路方面,在不影响系统功能的情况下,简化电路设计,从而减少系统功耗。控制模式方面,对于减小单片机的功耗,通过采用基于脉冲式加热控制的算法来限制整个传感器系统功耗。传统传感器将准直流作为加热电压,将准直流变为PWM波形的脉冲信号可降低传感器功耗。

MEMS热式风速传感器的温漂补偿设计:一种是在算法上进行温漂补偿,设计一个基于环境温度扫描的温漂补偿算法,通过对环境温度的扫描,对输出电压和风速显示进行数据补偿。另一种是设计新型的温度补偿电路,通过附加的温度传感器和两座惠斯通电桥的使用,实现了一种简单的恒温差模式电路温度补偿。温度传感器及其传感器的电阻温度系数可以通过调节加热器来改变介质的温度电阻系数,从而很容易地进行温漂补偿。

MEMS热式风速传感器的高性能设计:通过微机械加工技术在传感器的加热和测温装置之间通过深反应离子刻蚀做出沟槽来降低热传导带来对温度测量的影响;传感器上使用惠斯通电桥上的热敏电阻和热隔离槽的组合,来同时提高灵敏度和降低功耗。

热式风传感器通常由加热器和温敏元件组成,传感器通常包括一个或多个加热器,流体经过加热器时热量散失速度加快,它通过监测气流沿空气流动引起的温度场变化来测量风速。热场主要是由工作在恒温差模式(CTD)或恒功率模式(CP)两种控制模式下工作的加热器产生的.在恒定功率模式下,加热器的功率保持一定,通过测量流体作用下加热器的温度变化来反映流量,在恒温差模式下,加热器的温度保持一定,通过测量流体作用下加热器的功率变化来反映流量。

风传感器是测量气流速度和方向的流量传感器。热式风传感器的工作原理是基于传感器和外部环境之间的热交换,以及于自然对流和强制对流的原理。在无风的情况下,加热芯片与空气之间存在热交换。自然对流原理。由于自然对流系数一般较小,散热量较小,芯片表面的热分布场是平衡的。然而,在在有外风的情况下,根据强迫对流原理,风速越大,从芯片上带走的热量就越多,并且由于风的不对称。这种效应破坏了芯片表面的热场平衡,从而产生沿风向的温度梯度。因此,通过检测从芯片上带走的热量和芯片表面温度分布的梯度大小,可以得到风速和风向的信息。

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