论文部分内容阅读
流速传感器已经被广泛应用到日常生活、工业制造、科学研究、航空航天以及军工生产等多个领域。广泛的应用场景使得对流速传感器的性能有了更高的要求。针对目前的MEMS流速传感器量程小,以及无法应用于曲面的不足,设计制造了一种基于柔性材料衬底的MEMS流速传感器。其结构主要包含加热电阻和三对测温热电阻,同时结合热损失和热温差工作原理来实现宽量程的流速测量。本文主要对该柔性MEMS流速传感器的测控电路和流速测量实验进行研究,主要工作如下:(1)介绍了柔性MEMS流速传感器的工作原理、设计结构和微制造工艺。以聚酰亚胺(PI)作为柔性膜材料和铂(Pt)薄膜作为热阻材料,采用柔性MEMS工艺制造了带空腔的柔性膜流速传感器芯片。(2)利用MATLAB/Simulink对柔性流速传感器加热电阻控制电路进行时域建模仿真。分析了工作温度、工作电压的仿真结果,并根据工作温度瞬态分析的结果确定RC常数的选取。得到设计工作温度为67.5℃,工作电压的仿真值为7.3V。仿真结果为恒温差测控电路的设计提供了理论依据。(3)柔性流速传感器的测控电路设计和基于STM32微处理器的多通道模/数转换采样系统设计。分别设计了测量高流速和低流速的测控电路,其中,高速测控电路采用恒温差工作模式和带温度补偿的双惠斯通电桥电路;低速测控电路由三对测温电阻分别构成三路基于惠斯通电桥的电路。使用Multisim软件进行了高速和低速测控电路仿真,并设计制作了PCB板。为同时对传感器测控电路的四路流速测量信号进行采样和数字处理,设计了基于STM32微处理器的多通道模/数转换采样系统。(4)柔性流速传感器的测试实验。搭建了高流速和低流速风速输入的测量实验装置。实现了流速传感器0-32m/s的宽量程风速测量,并基于STM32的多通道采样系统实现了输出信号数字处理和多通道切换。测速实验表明,在1m/s以下的低风速段内传感器平均灵敏度约为100 mV/m·s-1,在高风速(17m/s)和(732m/s)下的灵敏度分别为83.1mV/m·s-1和28.3mV/m·s-1。该柔性MEMS流速传感器可贴于曲面应用,测量范围大、分辨率高,应用前景广阔。