基于MEMS技术无线网络风力传感器的研制.pdfVIP

山西大同大学学报(自然科学版) 1．1 微型风速芯片 在关系式，这样结构形成了一个热丝式风速计，通过 传感器微型测风芯片通常分为两类：热式风速芯 热测试单元中支梁及基底的铂电阻来记录热丝随着 片和机械式风速芯片，力式风速芯片属于第二类网。如 风速的变化而增大或减小的电阻值，从而获得简单 图2展示的两种风速芯片：A种和B种，每一种风速 的风速风向信息。这样封装了两个独立地测风速单 芯片设计时均采用热式和力式双重混合构造，均包含 元的A，B芯片，致使测风时可以独立地用机械测 了两个封装的单元，每个单元用来独立地测量风速。 试单元的单臂电桥和热部件单元的支梁来同时测 量，测量数据相互应证，大大提高了精确度。 由MEMS技术制作微型风速芯片，其制作流程 主要包括热氧化 、低压化学气相沉积7¨形l成的湿法 刻蚀掩膜层、采用 lifI—off_T艺制成力式测试单元和 热式测试单元的电极连线和电阻；还包括在晶硅的 正反面进行的SF6等离子体刻蚀、稀释了的氢氟酸 (al 『h1 a．A种 ：内含一个薄板和两个悬梁；b．B种：内含一个薄板 浸蚀和KOH溶液腐蚀过程进而形成力式以及热式 和一个悬梁 单元的结构。再接下来将晶薄芯片进行切粒后，采 图2 微型测风速芯片简化模型 用印刷电路板(PCB)封装 ，封装后的基于拖动力及 热原理混合构造的微型风速芯片被嵌人到一根聚 图2A种风速芯片力式测试单元含有一个薄平 四氟乙烯棒中的一个 9mm×8ITlm×0．35mm规格 板和两个用来连接平板和硅衬底的短悬梁，两个悬 的一个孑L中。至此，无线网络风传感器的测风速感 梁上面溅射了四个铂电阻；B种风速芯片的力式测 应部件制作完毕。如图1所示： 试单元含有一个薄平板和一个用来连接平板和硅基 1_2 电子罗盘部件 底的短悬梁，仅一个悬梁上面溅射了四个铂电阻。 由于 1．1所描述的风速芯片提供的风向信息只 A，B两芯片力式测试单元功能均为当风吹向传感器 是标识了其与薄板的交叉方向，而不能清晰地标识 时，薄板感应到力后引起悬梁的弯曲，通过悬梁上溅 其精确的地理方向，因此需要借用电子罗盘配合获 射的铂电阻来测量传感器中的薄板的应变，最终获 得其精确的地理方向。平面电子罗盘中双轴磁传感 得风速和简单的风向信息。其具体原理为：芯片中 器使用两个放置在同一水平面的敏感元件测地球的 薄板用来接收和感应风的拖动力，感应过程中整个 水平磁场，它们的敏感轴互相垂直正交，记作X轴 能量的转换顺序为风能转换成机械能再转换成电 和Y轴，每一个磁针根据它的敏感轴测量磁场。测 能，并通过短悬梁上面铂电阻测量其风速信息。A 量磁场的方位可以通过函数tan(y／x)来提供。这样的 种芯片四个铂电阻均匀分布到两个悬梁上面，致使 磁传感器只要保持恒定水平就可以精确地测量磁 每个悬梁上面的两个铂电阻一个负责测量拉伸张力 场。但平面电子罗盘发生倾斜时，由于其没有倾斜 另一个负责挤压张力；相比而言，B种四个铂