（微电子学与固体电子学专业论文）mems风速风向传感器控制与检测系统研究.pdf

砒。n c 。删i n g 砌嗍必 d e t e c t i n gs y s t e mo f m e m s f l o w s p e e d a n dd i r e c t i o ns e n s o r ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e dt o s o u t h e a s t u n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e r b y z h a n gy a n b o s u p e r v i s e db y p r o f q i nm i n g e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l 2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：趣丝毽日期：竺丝：! ：! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塑整：垫导师签名： 日 期：兰竺! ! ：堡：! ! 摘要 摘要 气象检测与人们的日常生活密切相关，并在国家的工农业生产、航天探空、能源开发、交通旅 游、开发建设以及环境保护等诸多领域起着至关重要的作用，风速风向的测量作为气象检测的重要 部分，在气象检测中提供核心气象信息。传统机械式风速计有体积大、易磨损等缺陷，采用m e m s 技术的热风速风向传感器可以同时测量风速和风向，并具有高可靠性和低成本，可以替代传统的风 杯与风向标。本论文围绕本实验室最新设计的热式风速风向传感器的芯片结构，研究并设计出适合 该芯片的控制电路和检测电路系统，解决风速测量有较大温漂、风向测试结果紊乱等存在的实际问 题，使其达到能够在实际中应用，最终实现小型化和智能化的风速风向传感器测量系统，达到产品 化的目的。 热式风速风向传感器在工作时都要先把传感器加热到一定程度，然后检测因受气体对流影响而 发生变化的输出信号从而得到风速和风向的具体信息。本文首先深入分析传感器常用的控制模式和 检测方式的工作原理，再根据本文的传感器芯片的结构选择出本文所采用恒温差控制模式和热温差 检测方式，并在恒温差控制模型理论分析中提出温度补偿的思路与根据，在热温差检测的理论分析 中推导出风向的计算公式。 温度补偿在恒温差控制模式中至关重要，不可或缺；由于传感器芯片的加工制造、划片和后序 传感器芯片的封装出现误差而导致了芯片的温度分布不对称和热点偏离芯片中心，因而在恒温差控 制模式下的直接热温差检测风向紊乱。本文针对这些主要问题进行深入研究，对温度补偿提出三种 解决方案：基于软件的d a 、基于温敏元件p t l 0 0 和基于温敏芯片a d 5 9 0 ，选择最优方案并对恒温 差控制电路进行完善；对系统硬件电路提出两种解决方案：双控制模式和恒温差控制模式下惠斯通 电桥补偿，并进行了相关的测试与分析；完整的系统还包括电源电路，稳定的系统性能也需要稳定 的电源系统，因而系统的电源电路必不可少。由于系统的硬件电路需要软件的支持，因而本文也在 软件控制程序上进行主要功能模块的详细设计，包括片上模拟模块、s p i 通信模块、l c d 显示模块、 数值插值算法等，软件硬件的相互结合最终构成了本文的风速风向传感器智能系统。 本文的风速风向传感器系统经过实际的性能测试，其结果均能达到性能指标要求，为本实验室 的m e m s 风速风向传感器产品化打下坚实的基础。 关键词：风速风向传感器，电路，恒温差控制，热温差检测，温度补偿 a b s t ra c t a b s t r a c t m e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r i n gi sc l o s e l yr e l a t e dt op e o p l e sd a i l yl i v e s ，a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n m a n yf i e l d s ，s u c ha si n d u s t r i a l a n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，s p a c ee x p l o r a t i o n , e n e r g yd e v e l o p m e n t , t r a n s p o r t a t i o nt o u r i s m ，d e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dm a n yo t h e rf i e l d s a sa l li m p o r t a n tp a r to ft h em e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r i n g ，m e a s u r e m e n to fw i n ds p e e da n dd i r e c t i o np r o v i d e i m p o r t a n tm e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o ni nt h em e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r i n g l a r g es i z ea n de a s ya b r a s i o na r e d e f e c t so ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n e m o m e t e r , u s i n gm e m st e c h n o l o g y , t h et h e r m a lw i n ds p e e da n d d i r e c t i o ns e n s o r sc a ns i m u l t a n e o u s l ym e a s u r ew i n ds p e e da n dd i r e c t i o n , a l s oh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n dl o w c o s t , s oi tc a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a lc u pa n dv a n ew i n d t h i sp a p e rf o c u so nt h el a t e s td e s i g no ft h e r m a l w i n ds p e e da n dd i r e c t i o ns e n s o rc h i pa r c h i t e c t u r ei no u rl a b o r a t o r y , r e s e a r c ha n dd e s i g nac o n t r o la n d m e a s u r e m e n tc i r c u i ts y s t e ms u i t a b l ef o rt h es e n s o rc h i p ，s oa st or e s o l v et h ee x i s tp r o b l e m so fw i n d v e l o c i t ym e a s u r e m e n t sw h i c hh a v el a r g et e m p e r a t u r ee x c u r s i o na n dw i n dd i r e c t i o nm e a s u r e m e n t sw h i c h h a v ead i s o r g a n i z e dr e s u l t s ，a n du l t i m a t e l yw er e a l i z eac o m p a c ta n di n t e l l i g e n tw i n ds p e e da n dd i r e c t i o n s e n s o rm e a s u r e m e n ts y s t e m ，a c h i e v et h ep u r p o s e so f p r o d u c t o r i e n t e d s e n s o rs h o u l df i r s tb eh e a t e dt oac e r t a i ne x t e n tw h e nt h e r m a lw i n ds p e e da n dd i r e c t i o ns e n s o r sa t w o r k , a n dt h e no b t a i nt h es p e c i f i ci n f o r m a t i o no nw i n ds p e e da n dw i n dd i r e c t i o nt h r o u g hd e t e c t i n gt h e i m p a c to fg a sc o n v e c t i o na n dt h ec h a n g e si nt h eo u t p u ts i g n a l i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo fc o m m o n c o n t r o lm o d ea n dt e s tm o d et ot h es e n s o r si sf i r s t l ya n a l y s i s e d ，t h e nt h ec t dc o n t r o l l i n gm o d ea n dt h e r m a l t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ed e t e c t i o nm e t h o da r es e l e c t e dt oa d a p tt ot h i sp a p e r ss t r u c t u r eo ft h es e n s o rc h i p ， a n di d e a sa n db a s i sf o rt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni s p r o p o s e di n t h e o r e t i c a la n a l y s i so fc t d c o n t r o l l i n gm o d e l ，s y n c h r o n o u s l yt h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ew i n dd i r e c t i o ni sp r o p o s e di nt h e o r e t i c a l a n a l y s i so ft h eh o tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ed e t e c t i o n i nc t d c o n t r o l l i n gm o d e ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni sc r u c i a l ，i n d i s p e n s a b l e ；d u et op r o c e s s i n ga n d m a n u f a c t u r i n g ，d i c i n go fs e n s o rc h i p ，a n df o l l o w i n gs e n s o rc h i pp a c k a g e ，w h i c hh a sl e dt oe r r o r si nt h e c h i pt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dh o ts p o t sd e v i a t ef r o mt h ec h i pa s y m m e t r i cc e n t e r ，t h er e s u l t so fd i r e c t d e t e c t i o nf o rw i n dd i r e c t i o nw i t hh o tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea r ed i s o r g a n i z e di nt h ec t dc o n t r o l l i n gm o d e i nt h i sp a p e r , t h r e es o l u t i o n st ot h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na r ep r o p o s e d ：d ab a s e do ns o f t w a r e ，b a s e d o nt h e r m o - s e n s i t i v ec o m p o n e n t sp t l 0 0a n db a s e do nt h e r m o s e n s i t i v ec h i pa d 5 9 0 ，t w os o l u t i o nt ot h e s y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ta r ep r o p o s e d ：d u a lc o n t r o lm o d ea n dw h e a t s t o n eb r i d g ec o m p e n s a t i o ni nt h ec t d c o n t r o l l i n gm o d e ；ac o m p l e t es y s t e ma l s oi n c l u d e st h ep o w e rs u p p l yc i r c u i t , as t a b l es y s t e mp e r f o r m a n c e a l s or e q u i r e sas t a b l ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h e r e f o r et h ep o w e rs u p p l yc i r c u i t r yf o rt h es y s t e mi se s s e n t i a l b e c a u s et h es y s t e m sh a r d w a r ec k c u i t sr e q u i r es o f t w a r es u p p o r t ，t h e r e f o r et h em a i nf u n c t i o n a lm o d u l e so f t h es o f t w a r ep r o g r a mi sd e t a i l e dd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h eo n - c h i pa n a l o gm o d u l e , s p ic o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，l c dd i s p l a ym o d u l e ，n u m e r i c a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o f t w a r ea n d h a r d w a r ef i n a l l ys t r u c t u r et h es e n s o r si n t e l l i g e n ts y s t e m so f w i n ds p e e da n dd i r e c t i o n t h ea c t u a lp e r f o r m a n c et e s t sa r ed o n ef o rt h ew i n ds p e e da n dd i r e c t i o ns e n s o rs y s t e m ，i t sr e s u l t s a c h i e v et h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，s ot h i sl a i das o l i df o u n d a t i o nf o ro u rl a b sm e m sw i n ds p e e da n d d i r e c t i o ns e n s o r s k e y w o r d s ：w i n ds p e e da n dd i r e c t i o ns e n s o r s ，a n e m o m e t e r , c i r c u i t s ，c t dc o n t r o l l i n gc i r c u i t s ，h o t t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ed e t e c t i o n ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i i l 目录 目录 j 1 5 要i a b s t r a c t i i jj j 之i i i 第一章绪论l 1 1 课题的背景和意义1 1 2 课题的主要任务与设计要求3 1 3 论文内容纲要4 1 4 本章小结4 第二章热式风速风向传感器的控制与检测原理5 2 1 常用风传感器的控制模式。5 2 1 1 恒功率( c p ) 控制模式5 2 1 2 温度平衡( t b ) 控制模式6 2 1 3 恒温差( c t d ) 控制模式7 2 1 3 1 基于热敏电阻的恒温差控制模式8 2 1 3 2 基于测温二极管的恒温差控制模式9 2 2 常用风速传感器的检测原理l l 2 2 1 热损失型风速传感器1 l 2 2 2 热脉冲型风速传感器1 2 2 2 3 热温差型风速传感器1 2 2 3 本文所采用的控制模式和检测方式l3 2 3 1 恒温差控制模式的理论模型14 2 3 2 热温差检测理论的应用。1 6 2 4 本章小结1 7 第三章风速风向传感器系统的主要问题及分析1 8 3 1 系统的主要问题1 8 3 2 系统主要问题的深入分析_ 1 9 3 3 本章小结2 l 第四章风速风向传感器系统的硬件设计与测试分析2 2 4 1 恒温差控制系统的温度补偿电路设计2 3 4 1 1 方案一：基于软件的d a 2 3 4 1 2 方案二：基于温敏元件p t l0 0 2 4 4 1 3 方案三：基于温敏芯片a d 5 9 0 2 6 4 1 4 三个方案的实际性能比较2 7 4 2 风速风向传感器系统的具体设计与测试分析2 9 4 2 1 恒温差控制系统电路的完善2 9 4 2 2 系统电路方案一：双模式控制3 0 4 2 3 系统电路方案二：恒温差控制模式下惠斯通电桥补偿3 3 4 3 系统的电源电路设计3 6 4 4 本章小结3 6 第五章风速风向传感器系统的软件设计3 7 5 1 片上模拟功能模块的应用与控制3 7 5 1 1 片上a d c 模块3 7 5 1 2 片上d a c 模块3 9 i i i 5 2s p i 总线通信协议3 9 5 3l c d 液晶控制4 1 5 4 软件程序中的算法4 2 5 4 1 一元线性插值算法4 2 5 4 2 二元线性插值算法4 4 5 5 软件程序的系统流程图4 5 5 5 1 系统电路方案一的软件程序流程图4 6 5 5 2 系统电路方案二的软件程序流程图4 7 5 6 本章小结4 8 第六章传感器系统的总体性能测试与分析4 9 6 。l 风速性能测试4 9 6 2 风向性能测试5 0 6 3 实际环境性能测试5l 6 4 本章小结5 2 第七章总结与展望5 3 7 1 总结5 3 7 2 存在的问题及改进思路5 3 7 3 工作展望5 4 附录a 第5 1 节的主体程序片段5 5 附录b 第5 2 节的主体程序片段5 5 附录c 第5 3 节的主体程序片段5 6 附录d 第5 4 1 节的主体程序片段5 8 附录e 第5 4 2 节的主体程序片段5 8 致谢6 0 参考文献6 1 作者简介6 4 作者攻读硕士期间发表的论文6 5 1 v 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 气象检测与人们的日常生活密切相关，并在国家的工农业生产、航天探空、能源开发、交通旅 游、开发建设以及环境保护等诸多领域，气象检测提供的气象信息都起着至关重要的作用，创造了 巨大的社会财富。气象检测的主要对象是大气环境的温度、湿度、气压、风速、风向、降水、日照 等气象参数i lj 。如图1 1 所示为k e s t r e l 公司的k e s t r e lm e t e r4 0 0 0 型手持式气象仪1 2 l ，其包括风速， 温度，湿度，气压等多个气象参数的测量。风速风向的测量作为气象检测的重要部分，在气象检测 中提供核心气象信息。从图1 1 的手持式气象仪中外观可以看出，其风速的测量采用了叶轮式原理。 图1 1k e s t r e lm e t e r4 0 0 0 型手持式气象仪 传统风速计用机械原理来检测风速大小和风向，如风杯和风向标。尽管这种传统风速计的测量 范围和精度都能达到要求，但也有很多缺陷，如体积较大、价格较贵、有可动部件容易磨损需要经 常维护等。与机械风速计相比，采用m e m s 技术基于热式的风速计没有可动部件，因此不会有器件 磨损，维护也十分简便，而且体积小、造价低。基于上述优点，热式m e m s 风速计得到了很多人的 重视，尤其是近年来，c m o s 和m e m s 技术都得到了长足的发展，出现了c m o s m e m s 技术【即j ， 使传感器和电路集成在同一个芯片上并最终实现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 成为可能，因此各 种各样基于这种工艺的传感器也不断问诸于世1 5 。j ，目前很多研究都希望能够用c m o s m e m s 技术 把传感器和相关的电路集成在同一个芯片上面。 1 9 7 4 年，v a np u t t e n 和m i d d e l h o e k 首次利用标准硅加工工艺实现了自加热热损失型风速计p j ， 如图1 2 所示，其中采用多晶硅作为敏感元件。为了增强输出信号，该传感器集成了两组惠斯通电 桥，并把它们的输出信号相加，电桥采用恒定电压恒定电流方式加热。 图1 2vf p v a np u t t e n 在1 9 7 4 年设计的风速计及其电桥电路 东南大学硕士学位论文 自此之后，人们对利用不同工艺的风速计进行了大量的研究，m e m s 技术也慢慢兴起，硅的湿 法腐蚀等微加工工艺已经开始广泛应用于传感器的制作，基于c m o s 工艺的p n 二极管温度特性也 被广泛应用于温度测量，因而很多大学和研究机构相继推出了各式各样的风速传感器结构和相应的 处理方式，展示了他们在这一领域的最新研究成果，其中相对比较著名是荷兰代尔夫特理工大学 ( d e l ru n i v e r s i t yo f t e c h n o l g o y ) 的研究成果。1 9 9 0 年，荷兰d e l f t 大学电子仪器实验室的o u d h e u s d e n 和h u i j s i n g 等人首次提出了如图1 3 所示的利用标准的i c 工艺实现二维的风速风向传感器【引，芯片 中央为加热电阻，四周为多晶硅铝热电堆测温单元。由于热电堆与c m o s 工艺完全兼容，而且其 具有在温差为零时零输出的优良特性，尤其适合于热温差原理测量。由于其片上集成了正交分布的 两组热电堆，使得其可以测量两组正交的温度差，从而实现二维的风速风向测量。此外，该传感器 完全基于标准的l c 工艺，具有较高的机械强度以及电路集成能力。之后该实验室经过多年的研究， 电路技术先后采用了自动补偿技术( a u t o z e r o ) ，斩波技术( c h o p p i n g ) 和热a ( d e l t a - s i g m a ) 等方式， 终于在2 0 0 1 年推出了产品，产品传感器如图1 4 所示【9 1 。该传感器采用恒温差工作模式，其热堆输 出信号经放大后输入单片机处理得到风速和风向信息。该传感器测量风速范围为0 2 5m s ，误差o 5 l n s ( 即士3 ) ；风向测量范围3 6 0 。，误差士3 0 ，而且它可以在2 5 7 0 内正常工作。 图1 3c m o s 工艺实现的二维风速风向传感器 e e p 只o m 翩呢 一 a d 妒 c a m p ： 一 图1 4 荷兰d e l f t 大学电子仪器实验室2 0 0 1 年推出的产品风速计 及其控制和检测电路示意图 在此研究基础上，荷兰m i e r i jm e t e o 公司开发了m m w 一0 0 5 新型固态二维风速传感器【1 0 】，其可 以同时完成风速和风向的测量，并且能够将传感器结构和信号处理电路封装于一体，并且能够直接 得到数字量的输出值，与同类产品相比具有很强的竞争力。 2 j 。一一 二 图1 5m m w - 0 0 5 型固态二维风速传感器 尽管基于c m o s 工艺的风速计具有较多的优点，然而由于风速计的封装特殊性，其要求传感器 结构需要暴露在空气中进行测量的同时也要求对传感器结构进行相关的保护，加上其他因素的限制， 因而基于其他m e m s 工艺的风速计也处在不断的研究与进步中，其中最具代表的有韩国采用m e m s 工艺加工金属材料铂得到的风速计【l 卜1 4 】，如图1 6 所示，传感器采用恒温差控制模式，用惠斯通电 桥测量风速并用对称热敏电阻测量风向。该风速计测量风速范围能够达到2 0m s ，误差小于0 5m s ： 风向测量范围3 6 0 。，误差小于士5 0 。但是，该系统设计没有温度补偿，存在温漂问题，上述的数据 测试温度是2 0 3 0 。 _ p 酶d 雌一m 棚聊唯f 鼍r 州t - 枷。l 。_ t f m i “器 沪 鼍器” 爿m d r “ 黼j 嚣 妒 “嚣p t 筠7 if l w v d i t ，i 图1 6 韩国以金属铂为材料量热式传感器及其接口电路原理图 本实验室对基于热流量的风速计传感器和相关电路也做了大量研究和试验【1 5 2 0 1 ，并成功地把风 速计传感器集成到手持式气象微检测系统中取得了良好的效果。本论文将在这些基础上针对工程上 的实际应用进行深入的研究与开发，并提升风速风向传感器系统的性能，实现本实验室的风速风向 传感器产品化，以提高我国气象仪器的研制水平，打破气象测量领域中主要的核心技术为国外少数 公司垄断的状况。 1 2 课题的主要任务与设计要求 图1 7 为本实验室最新设计的热式风速风向传感器的芯片版图【2 1 1 ，代表本实验室在这一领域的 最新研究进展。该芯片采用m e m s 剥离工艺在薄陶瓷衬底上加工而成。本课题的主要任务就是在这 个传感器芯片的基础上进行研究并设计出适合该芯片的控制电路和检测电路系统，解决存在的实际 问题，使其达到能够在实际中应用，最终实现小型化和智能化的风速风向传感器测量系统，达到产 品化的目的。 3 彳 图1 7 本实验室的热式风速风向传感器的芯片版图 由于做成产品是本课题的最终目的，所以相关的传感器芯片结构和控制与检测电路的研究，以 及硬件电路的设计、软件控制程序的编写、调试、测试等工作是必不可少的，实质上这些工作的目 的就是要解决实际存在的各种问题，也就是要达到一定的设计要求和性能指标，包括以下几点： i 、风速的检测范围和准确度 风速风向传感器的风速检测范围要求为o 6 0 i n s ，检测精准确度要求为0 5 i i l 趾3 ： 2 、风向的检测范围和准确度 风速风向传感器的风速检测范围要求为o 3 6 0 0 ，检测精准确度要求为士3 0 ： 3 、测量的响应时间 风速风向传感器的检测响应时间要求为3 秒； 4 、工作的温度范围 风速风向传感器的工作温度范围要求为 4 0 6 0 。 1 3 论文内容纲要 本论文的内容纲要大概如下： 第一章主要介绍课题的研究背景意义和本论文的主要任务与设计要求； 第二章主要介绍热式风速风向传感器常用的控制模式和检测原理，接着介绍本文将采用的控制 模式和检测方式，并进行相关的理论分析和公式推导： 第三章主要介绍本实验室的风速风向传感器目前的主要问题，并进行了深入分析； 第四章主要完成风速风向传感器的系统硬件设计，对存在的主要问题提出解决方案，并对解决 方案进行测试与分析： 第五章主要完成与传感器硬件系统相对应的软件控制程序的主体设计，并给出了软件系统的程 序流程图； 第六章主要进行风速风向传感器系统的总体性能测试与分析。 最后一章给出了结论，并对存在的问题进行分析，并提出改进建议。 1 4 本章小结 本章首先介绍本课题的国内外研究背景和意义，然后指出了本论文研究的主要任务和设计要求， 明确了本论文的目的，最后提出了本论文的内容提纲，明确了本论文的结构。 4 第二章热式风速风向传感器的控制与检测原理 第二章热式风速风向传感器的控制与检测原理 2 1 常用风传感器的控制模式 热式风速风向传感器有很多种结构，但无论哪种结构，在工作时都要先把传感器加热到一定程 度，然后再检测因受气体对流影响而发生变化的输出信号，根据一定的公式反推得到风速和风向的 具体信息。通常传感器系统的结构如图2 1 所示：传感器在一定的控制电路下被加热，通过热电耦 合输出信号并被信号检测电路放大及处理，得到风速和风向的信息，或者从系统控制电路中直接测 量反映风速的物理量而得到风速的信息。根据不同的控制模式，控制电路中可以有或者没有从检测 电路中反馈回来的信号，所以图中的反馈控制用了虚线。常用的控制模式可以分为如下几种： l 、恒电流( c c ) 控制模式，即保持给加热元件的加热电流恒定； 2 、恒电压( c v ) 控制模式，即保持给加热元件的加热电压恒定； 3 、恒功率( c p ) 控制模式，即保持给加热元件的加热功率恒定； 4 、恒温度( c t ) 控制模式，即保持加热元件的温度恒定； 5 、恒温差( c t d ) 控制模式，即保持加热元件和周围环境温度( 流体温度) 的温度差恒定： 6 、温度平衡( t b ) 模式，即利用热s i g m a - d e l t a 调制技术实现的c t d 工作模式。 图2 1 风速风向传感器系统的示意图 在上面的几种控制模式中，恒定电流( c c ) 控制模式和恒定电压( c v ) 控制模式不需要反馈控制， 相应的控制电路比较简单，一般常用于传感器原型研发早期，而且很多情况下经常用恒定电压控制 模式带近似代替恒定功率控制模式。恒定温度的控制模式( c t ) 可以看作是没有环境温度跟踪的恒温 差控制模式( c t d ) 。温度平衡( t b ) 模式则可以看成是恒温差控制模式( c t d ) 的一种延续和发展。在商 业风速风向传感器中较为广泛应用的是恒温差、恒定功率和温度平衡控制模式，故本章重点介绍恒 温差控制模式、恒定功率和温度平衡控制模式。 2 1 1 恒功率( c p ) 控制模式 恒定功率控制模式就是控制系统给敏感元件提供一个恒定的加热功率，建立稳定的温度场。在 近似情况下，通常用恒流或恒压工作方式去近似恒定功率控制方式，但是由于加热电阻的温度系数 不为零，无论是恒压或恒流加热电阻均会导致加热功率变化，从而导致传感器的输出是非线性的。 一种典型的恒功率补偿电路如图2 2 所示，图中v 、i o 均是常量，为加热电阻，也是敏 感元件，其两端的电压为： 5 东南大学硕士学位论文 圪：( v r - + - i o e c ) r h ( 2 - 1 ) - ，= = 一 ” r + r 。 v h 相对于凡的变化关系为： 篝圯+ i o r c ) 丽r c ( 2 2 ) 传感器的加热功率主要由电流源提供，而电压源只需要提供很小的附加补偿电流【l 捌，即v h v f ， 电流源供给的加热功率可以保证功率与电源变化是一阶无关的，这在实际应用中非常重要，因为实 际中电源常常是变化的。当加热电阻由于温度的升高而变大时，带隙电压源的输出经过反向放大， 然后利用电阻氏对加热电阻进行补偿，根据2 2 式，随着加热电阻的变大，其两端的功率电压v h 稍微上升，电流源提供的加热功率所占的比例加大，从而更趋向于恒定功率。图2 2 所示的电路可 以在标准c m o s 工艺上实现得到片上集成恒定功率控制电路【3 】，放大器的反馈电阻用工作在三极管 区的m o s 晶体管来实现可以减小芯片面积，用长沟道器件可以减小反馈回路的电流，降低放大器 的反馈电阻的功耗。 图2 2c m o s 恒定功率控制电路 h 恒定功率工作模式的最大优点就是电路比较简单，不需要跟踪环境温度，因此控制环路不要闭 环工作，即图2 1 中示出的系统没有反馈控制( 没有热域的反馈，但是恒定功率控制电路本身可能会 有电域的反馈) ，但是它有一个最大的缺点就是测风速的范围比较小，因为当把功率设定得比较低时， 由于此时芯片的温度比较低因此会限制风速计的灵敏度和响应速度，风速较大时该现象更加明显； 而当把功率设定得比较高时，在风速小的情况下又会使传感器过热。尽管有这些缺点，由于这种工 作方式的控制电路相对而言比较简单，因此还是得到了广泛的应用1 4 , 5 j 。 2 1 2 温度平衡( t b ) 控制模式 如果将热s i g m a - d e l t a 调制技术引入到热风速风向传感器的控制，就可以形成温度平衡控制方 式l o j 。温度平衡控制对传感器芯片的不同部分提供不同的功率，使传感器芯片的温度场达到恒温差 或者恒温，进而利用芯片周围的测温元件检测风速和风向的信息。在如图2 3 所示的单端热 s i g m a - d e l t a 调制器中，t c h i 。和t a m b 分别代表芯片温度和环境温度，而1 k 是设定的参考温度。r 玎。 是芯片热传导和空气对流的热阻，c 枉是集总参数形式的热容。测温元件通过热电耦合将热能域的温 度信号转换为电域的电压信号，与参考电压( 温度) 通过比较后输出到d 触发器中；加热条相当于换 能器，将电域的电压信号转换到热域中的功率。当芯片温度1 c h i 口低于参考温度1 k 时，触发器输出 高电平，使芯片以一个恒定功率p r e f 加热，。将不断上升；当芯片温度。高于参考温度t r e f 时， 触发器输出低电平，芯片将以耗散功率p l 。冷却，t c h i 。将不断下降。这样，芯片处于一个脉冲加热 之下，由于热容的存在( 芯片本身就相当于一个热域的低通滤波器) ，芯片温度将会在参考温度上下 波动。如果触发器的时钟频率远高于热低通滤波器的截至频率，那么t c h j d t r e f ，此时加热条上的加 热功率与耗散功率相等，从而触发器的输出占空比与p i 髓卯r e f 成正比。 6 第二章热式风速风向传感器的控制与检测原理 图2 3s i g m a l - d e l t a 控制电路示意图 图2 4 基于热s i g m a l - d e l t a 调制技术的风速传感器整体框图 将图2 3 所示的单端热s i g m a - d e l t a 调制器的加热电路分成四路，将传感器芯片上的加热元件分 部在四个方向，得到最终的电路形式，将温度平衡型测量原理和温度平衡控制方式结合起来，构成 了分时的热s i g m a - d e l t a 调制技术【。如图2 4 所示，两个差分的热s i g m a - d e l t a 调制器抵消流体感生 的温度差，一个共模热s i g m a - d e l t a 调制器保持芯片温度高于环境温度一个恒定值。其通过一个控制 电路进行分时工作，如图2 5 所示，在时间间隔i l 内，四个加热条都被共模调制器调制，而在时间 间隔1 2 内，其中两个加热条被差分调制器调制。 n s 嗡 o m o d 粕 c m 瞻 m 0 d 。 v n s s i t 。1 2 o no f f 图2 5 热s i g m a l - d e l t a 风速传感器工作时序图 2 1 3 恒温差( c t d ) 控制模式 恒温差控制方式就是通过电学和热学之间的耦合和负反馈，保持芯片和环境间的温度