MEMS固態(tài)風速風向傳感器的設(shè)計與制作

　　1 引言

　　風速及風向的測量是氣象觀測中重要的一環(huán)。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(fā)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(jù)三角關(guān)系測量風向信息?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/MEMS">MEMS技術(shù)傳感器有體積小、重量輕及成本低的特點，基于MEMS技術(shù)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(tài)風速風向傳感器的設(shè)計原理及軟件模擬結(jié)果，并依據(jù)理論與模擬結(jié)果設(shè)計了工藝流程，對設(shè)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(shè)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(chǎn)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(shè)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(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風的壓強為0～580.5 Pa。在此范圍之內(nèi)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(guān)于薄膜絕對壓強的函數(shù)。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(shè)ε(x，y)是薄膜的應變函數(shù)，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(guān)。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(guān)系。風速信號解調(diào)出來后，通過正交封裝來解調(diào)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(guān)系式(9)和式(10)最終得出速度和風向值，即

　　2.2 硅懸梁式傳感器原理

　　硅懸梁式測風傳感器的設(shè)計示意圖如圖3。懸梁式風速風向傳感器主要是利用風吹懸梁對懸梁產(chǎn)生力矩導致懸梁彎曲，懸梁上的應變電阻就會感應到薄膜的應變。通過測量應變電阻的變化即可解算出風速大小。測量時風流平均速度為u(y)。根據(jù)流體力學繞流阻力計算公式(11)。其中CD是繞流阻力因素取決于材料的形狀結(jié)構(gòu)，ω是面向風速的懸梁寬度，ρ是空氣密度。通過公式(12)得到風對懸梁力矩的作用，其中l(wèi)是懸梁的長度，y為懸梁長度方向，即

　　懸梁的應變通過式(13)來計算，E是楊氏模量，I是慣性矩。慣性矩計算公式是式(14)，t是懸梁的厚度，ω是懸梁的寬度，則

　　應變電阻的阻值變化可用式(7)計算，即可得電阻變化的歸一化的表達式為

　　并可以得出電阻阻值的相對變化與風速是二次關(guān)系。和薄膜式傳感器一樣，可以通過正交二次集成的方法解算山風向的信息。

　　3 傳感器ANSYS CFD模擬

　　3.1 硅薄膜式傳感器模擬

　　為了方便軟件模擬，簡化了所設(shè)計傳感器的模型。薄膜的厚度取10μm，2000 μm×2000μm的正方形，空腔的厚度取330μm。圖4為帶有薄膜形變的ANSYS模型。薄膜的模型用Solid45，流體模型應用FLUID142，風速從0～30 m/s間隔變化。通過模擬得到了薄膜最大形變、最大應力與風速的關(guān)系曲線，見圖5。分析模擬所得的數(shù)據(jù)，可知薄膜撓度和剪切力都與風速成二次關(guān)系，與薄膜式傳感器的理論分析相一致。

　　3.2 硅懸梁式傳感器模擬

　　所設(shè)計的懸梁式傳感器的模型為懸梁的厚度取10 μm，長度取1500 μm。采用二維ANSYS模擬。懸梁的模型用Solid42，流體模型應用FLUID141，風速從0～30 m/s間隔變化。圖6為帶有懸梁形變的ANSYS模型。通過模擬得到了薄膜最大形變、最大應力與風速的關(guān)系曲線，見圖7。

　　把模擬所得的數(shù)據(jù)進行分析，可知懸梁撓度、剪圖7切力都與風速成二次關(guān)系，與懸梁式傳感器理論分析相一致。

　　4 傳感器工藝流程、封裝及制作

　　4.1 傳感器工藝流程設(shè)計

　　兩種傳感器擬采用基于MEMS的體硅工藝，應用正背面異向濕法刻蝕和背面深刻蝕形成薄膜或懸梁。薄膜設(shè)計為10μm厚，200 μm×2000 μm的正方形;懸梁設(shè)計為10μm厚，1500 μm長，500 μm寬。采用雙面拋光n型(76 mm)100硅片厚度350 μm。硅片清洗后，用熱氧化工藝制作一層氧化硅，再用LPCVD工藝制作一層氮化硅;之后濺射Pt電極，采用lift-off工藝去掉不需要的Pt金屬。完成以上步驟后，薄膜式傳感器直接在背面腐蝕形成薄膜，完成傳感器的制作;懸梁式傳感器需要先在正面腐蝕出10μm的深坑，后在背面先濕法腐蝕5 h深度達到200μm，再深刻蝕直到出現(xiàn)圖形。其過程如圖8。

　　4.2 傳感器封裝設(shè)計

　　測風傳感器通過正交的封裝測量風向信息。正交封裝示意圖如圖9所示。

　　通過用風向信息解算公式(9)和(10)，即可得出風向信息。

　　4.3 傳感器制作

　　依據(jù)所設(shè)計的原理及工藝流程，首先制作了懸梁式測風傳感器如圖10所示。傳感器為雙懸梁結(jié)構(gòu)，通過惠斯通電橋輸出傳感器測量信號，其測試圖如圖11所示。

　　傳感器經(jīng)小型風洞測試后得出，其一致性很好。轉(zhuǎn)動傳感器，其輸出信號有變化，這說明可以通過正交的方法計算出風向。

　　5 結(jié) 論

　　本論文推算了兩種風速風向傳感器的理論，并進行了基于理論的軟件模擬，設(shè)計了傳感器工藝制作流程和封裝，對按照本文中所設(shè)計的理論與原理制作的硅懸梁式傳感器進行了實際測量。傳感器可以很好地感應風速的變化，根據(jù)輸出電壓隨著傳感器旋轉(zhuǎn)的變化，可以計算出風向。