MEMS热式风速计的控制与检测技术研究

论文摘要

微电子机械系统（MEMS）技术因其微型化、集成化、批量化的特点备受关注。风速风向信息在农业生产、交通运输、天气预测以及体育赛事中是必不可少的参考信息,对MEMS风速计的研究至关重要。本实验室多年来一直从事MEMS热式风速计的相关研究,已经取得了众多的研究成果和经验。但是,为了满足商用要求,该传感器仍需进一步简化电路以方便多种模式测量、抑制温漂以提高传感器性能。本文用PID算法实现恒温差控制模式,以三种不同结构、封装的传感器芯片为研究对象,以简化硬件电路、抑制传感器温漂为研究目的,以芯片温度传感器分时复用测量环境温度为手段,重点研究新的软件控制方法对传感器性能的影响,主要研究内容如下:（1）在硬件上,一方面,简化控制电路,硬件电路上只保留电源、采样、信号处理、显示及微控制器的部分,不包含反馈控制加热功率的回路,针对具体的传感器结构设计电路,新的电路支持恒温差、恒流、恒压等多种模式下测量,另一方面,去掉环境温度传感器,使用芯片上的测温元件同时测量环境温度和芯片温度,可以有效抑制测温元件温度系数不一致带来的温漂;在软件上,使用微控制器的中断程序及定时程序分时测量环境温度和芯片温度,使用PID算法实现恒温差控制,调节算法参数来缩短传感器的热启动时间和测量周期,并对采样数据进行滤波处理以提高传感器输出的稳定性。（2）从风速计商用化的角度出发,对低离散型、低误差的基于陶瓷基板的传感器芯片进行电路简化,使用传感器芯片上的测温三极管测量环境温度和芯片温度,环境温度输出量稳定,调节PID控制算法的参数后,?=15℃情况下,传感器在软件控制下的热启动时间最短为12.98 s,在无风状态,芯片温度从(（6）+?恢复到(（6）的时间为23.1 s,风速为37.1 m/s时,传感器输出未达到饱和,在风速为037.1 m/s,风速测量误差小于1 m/s,风向测量误差小于2.2°,相对于环境温度为20℃,零点温漂偏移小于1 m/s。（3）出于低功耗的目的,设计了基于陶瓷薄膜封装的传感器芯片,使用位于芯片中央的加热电阻测量环境温度和芯片温度,?=20℃时,热启动时间小于6 s。利用MOS管作为开关器件调节分压电阻的阻值,调节后,传感器系统功耗为397.26 mW,无风状态下,传感器芯片上加热电阻的功耗为111 mW,对MCU各模块进行降频后,传感器系统总功耗331 mW,风速误差小于2 m/s,风向误差最大为5°,软件控制性能和硬件控制相当。（4）在陶瓷薄膜封装的基础上,为了降低传感器芯片上的功耗,提出了基于玻璃衬底的传感器芯片,加热测温元件的结构和基于陶瓷薄膜的传感器一致,采用同样的电路结构,在?=7℃条件下,风速5 m/s时,传感器上功耗为34 mW。风速测量误差小于1 m/s,风向误差小于2°,风速为20 m/s时,风速输出接近饱和,无风时传感器的热启动时间为7 s。在055℃情况下,零点输出x方向变化0.026 V、y方向变化0.0078 V,y方向变化可以忽略,和硬件控制相比温漂有所改善。这三种传感器的实验结果表明,新的控制方法可以在保证传感器性能的前提下,具有抑制温漂的性能,有效解决了环境温度测量和恒温差控制应用的双重功能,使整个系统避免了额外封装的温度传感器,大大简化了封装,对软件算法参数的调节缩短了传感器的热启动时间和测量周期。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 MEMS风速计研究背景

1.2 MEMS热式风速计恒温差控制系统研究背景

1.2.1 恒温差控制系统硬件实现研究现状

1.2.2 恒温差控制系统软件实现研究现状

1.2.3 MEMS热式风速计温漂补偿

1.3 本论文的主要工作

1.3.1 目前研究中存在的问题

1.3.2 本课题任务

1.4 本章小结

第二章基于陶瓷基板的MEMS风速计控制系统研究

2.1 风速计的工作原理概述

2.1.1 恒温差控制模式介绍

2.1.2 热温差型风速计的风速风向测量原理

2.2 基于陶瓷基板的传感器芯片介绍

2.2.1 芯片结构

2.2.2 芯片工艺及封装介绍

2.3 基于陶瓷基板的传感器软硬件控制系统

2.3.1 传感器硬件控制系统

2.3.2 传感器软件控制算法

2.4 基于软件测量方法的风速计性能测试

2.4.1 PID算法参数优化

2.4.2 风速风向性能测量

2.4.3 软硬件控制系统性能对比分析

2.5 本章小结

第三章基于陶瓷薄膜封装的MEMS风速计控制系统研究

3.1 基于陶瓷薄膜封装的风速计芯片介绍

3.2 基于陶瓷薄膜封装的风速计软硬控制系统

3.2.1 陶瓷薄膜热式风速计的硬件控制系统设计

3.2.2 陶瓷薄膜热式风速计的软件控制系统设计

3.3 基于陶瓷薄膜封装的热式风速计性能测试与分析

3.3.1 基于软件控制的风速计性能测试结果

3.3.2 风速传感器系统功耗的优化

3.3.3 基于软硬件控制的风速计性能对比分析

3.4 本章小结

第四章基于玻璃衬底的MEMS风速计控制系统研究

4.1 基于玻璃衬底的MEMS热式风速计芯片介绍

4.2 基于玻璃衬底的风速计性能测试与分析

4.2.1 传感器量程、灵敏度测试

4.2.2 传感器温漂测试

4.2.3 传感器软硬件控制的测试结果对比

4.3 本章小结

第五章总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙桂荣

导师: 秦明

关键词: 热式风速风向传感器,算法,硬件简化,温漂补偿

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 气象学,仪器仪表工业,自动化技术

单位: 东南大学

基金: 国家自然科学基金项目(61727812,61771125,61704026)

分类号: TP212;TH765.43

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002330

总页数: 61

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