基于MEMS技术无线网络风力传感器的研制

王文军，杜利东，刘春贵，孟献青

（1.山西大同大学数学与计算机科学学院，山西大同 037009；2.中国科学院电子学研究所传感器国家重点实验室，北京 100190）

基于MEMS技术无线网络风力传感器的研制

王文军1，杜利东2，刘春贵1，孟献青1

（1.山西大同大学数学与计算机科学学院，山西大同 037009；2.中国科学院电子学研究所传感器国家重点实验室，北京 100190）

研制了一种严酷环境下使用的无线网络测风传感器，传感器由微型风速芯片、电子罗盘和主控及旋转部件构成。微型风速芯片基于拖动力及热式原理设计、采用Micro Electro Mechanical System（MEMS）技术制作而成，由微型风速芯片和电子罗盘通过感应数据配合获得所测风的瞬时风速和风向信息，气象监测环境风传感器具体工作过程，其无线主控部件接收到测试命令后，采用旋转部件将微型风速芯片旋转一周，通过对比各时刻输出信息获得max值，由风速芯片与电子罗盘解析该时刻的数据即为所测的风速和风向信息，最后由负责传输的部件传输出去。经初步测试，本设计特别适合用在高山、森林等环境恶劣的无线网络气象检测站。

无线网络测风传感器；微风速芯片；MEMS技术

近来，我们国家自然灾害发生频繁，其中一个重要原因就是气象预警监测信息相对缺乏。目前尽管国内已经设置了许多气象监测站，但由于其所用传感器体积大、成本高和便携性差等原因致使高山、森林、沙漠等严酷的环境中气象监测存在大量的空白区和薄弱区。作为气象监测的重要参数之一，风信息在严酷的环境中尤其缺乏。幸运的是，近年来，随着MEMS技术发展，基于MEMS技术研制的传感器因其体积小、重量轻、成本低和灵敏度高等特征而著称，而无线网络技术的发展为气象信息的跨地域便捷传输功能提供了可行及其保障，可以考虑利用MEMS技术及无线传感器网络技术设计制作专门适用于高山、森林、沙漠等严酷的环境气象监测用途的无线网络测风传感器。

目前，国内外测风传感器研究现状是，一方面大多数基于wireless sensors networks（WSN）的气象监控技术的研究主要集中于发展中间件、已知位置数据网络定位、无线网络间数据集成聚合及其归约变换和构建大规模集群网络的网络技术［1-2］。另一方面大部分风力传感器的研究主要集中在传感器的结构及其敏感材料选用上面［3］。研究者们均很少将注意力集中于无线网络风力传感器的设计上面。笔者小组研制了一种基于Micro Electro Mechanical System（MEMS）技术由微型风速芯片、电子罗盘和主控部件构成的无线网络测风传感器。其微型风速芯片属于热式和机械式双重混合测风传感器芯片，通过热原理和拖动力原理各自触发其闭合子系统的输出电阻应变来获得风速信息和简单的风向信息，双重测速功能可相互应证提高所测数据精确率；同时再附带上协助获取实际测试环境中精确风速和风向信息的电子罗盘及其旋转系统；另外配套上负责传感器各部件间所测数据的通信与无线传输的主控部件最终形成无线网络风力传感器体系结构。实验测试结果表明，所研制的本传感器较适用于严酷的环境下对风的测量。

1 无线网络测风传感器的体系结构

无线网络测风传感器体系结构包括微型风速芯片、电子罗盘和主要控制部件三个部分。如图1所示：

图1 无线网络风传感器

1.1 微型风速芯片

传感器微型测风芯片通常分为两类：热式风速芯片和机械式风速芯片，力式风速芯片属于第二类［6］。如图2展示的两种风速芯片：A种和B种，每一种风速芯片设计时均采用热式和力式双重混合构造，均包含了两个封装的单元，每个单元用来独立地测量风速。

图2 微型测风速芯片简化模型

图2A种风速芯片力式测试单元含有一个薄平板和两个用来连接平板和硅衬底的短悬梁，两个悬梁上面溅射了四个铂电阻；B种风速芯片的力式测试单元含有一个薄平板和一个用来连接平板和硅基底的短悬梁，仅一个悬梁上面溅射了四个铂电阻。A，B两芯片力式测试单元功能均为当风吹向传感器时，薄板感应到力后引起悬梁的弯曲，通过悬梁上溅射的铂电阻来测量传感器中的薄板的应变，最终获得风速和简单的风向信息。其具体原理为：芯片中薄板用来接收和感应风的拖动力，感应过程中整个能量的转换顺序为风能转换成机械能再转换成电能，并通过短悬梁上面铂电阻测量其风速信息。A种芯片四个铂电阻均匀分布到两个悬梁上面，致使每个悬梁上面的两个铂电阻一个负责测量拉伸张力另一个负责挤压张力；相比而言，B种四个铂电阻统一溅射在一个悬梁上面，其中两个负责测量拉伸张力，另两个负责测量压缩张力，如此分布，四个电阻几乎在同一环境下，将最大限度的消除环境温度对传感器准确率性能的影响；当风吹引起传感器薄板的压应变时，阻值随着风速的增大而减小；当风吹引起薄板的拉应变时，阻值随着风速的增大而增大。根据这一原理可以测量出正反风向的信息。

图2A，B两种传感器测风芯片热式测试单元均由两端固定的一根溅射了两个铂电阻的支梁构成，另两个铂电阻溅射在传感器的基底上。当风沿垂直方向流过金属丝（支梁）时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热丝散失的热量Q与风的速度v之间存在关系式，这样结构形成了一个热丝式风速计，通过热测试单元中支梁及基底的铂电阻来记录热丝随着风速的变化而增大或减小的电阻值，从而获得简单的风速风向信息。这样封装了两个独立地测风速单元的A，B芯片，致使测风时可以独立地用机械测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］形成的湿法刻蚀掩膜层、采用lift-off工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、稀释了的氢氟酸浸蚀和KOH溶液腐蚀过程进而形成力式以及热式单元的结构。再接下来将晶薄芯片进行切粒后，采用印刷电路板（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入到一根聚四氟乙烯棒中的一个9mm×8mm×0.35mm规格的一个孔中。至此，无线网络风传感器的测风速感应部件制作完毕。如图1所示：

1.2 电子罗盘部件

由于1.1所描述的风速芯片提供的风向信息只是标识了其与薄板的交叉方向，而不能清晰地标识其精确的地理方向，因此需要借用电子罗盘配合获得其精确的地理方向。平面电子罗盘中双轴磁传感器使用两个放置在同一水平面的敏感元件测地球的水平磁场，它们的敏感轴互相垂直正交，记作x轴和y轴，每一个磁针根据它的敏感轴测量磁场。测量磁场的方位可以通过函数tan（y/x）来提供。这样的磁传感器只要保持恒定水平就可以精确地测量磁场。但平面电子罗盘发生倾斜时，由于其没有倾斜补偿措施，实际航行与测量航行差距较大，三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。在我们的设计中，无线网络风传感器电子罗盘部件采用三维电子罗盘，由双轴磁阻传感器（本系统采用Honeywell公司的HMC1052）、倾角处理及串行外设SPI接口芯片和MCU构成。

1.3 主控芯片

无线网络风传感器的主要控制端包含微控制器，电源和通信部件。微控制器采用C8051F410单片机来收集和处理数据并保持与射频模块通信；电源由一组3.7V 1900mAh的锂聚合物动力电池组提供；通信部分采用CC2520芯片。CC2520芯片是一款第二代IEEE802.15.4射频收发器，工作于2.4Ghz频段，其能与超低功耗MCU协同工作，为各种应用提供广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据包计时等功能，在实现高性能的同时，而且确保其功耗很低，另外本设计中将CC2520设备连接到硬件中断部件用于其唤醒处理器来感知有新数据包的传入。本传感器设计中CC2520芯片的使用是实现其在高山、森林等严酷环境下体积小，功耗低，便携性优良，又能实现信息的无线接收与传输的根本保障。

2 风传感器实验测试及其实践改进

实验1：风向固定（指定为90°），测试芯片中热单元和机械单元各自铂电阻输出值随风速大小变化情况。

无线网络风传感器的电阻与风速数据见图3，图中电阻值是通过电桥法测得，机械测试单元精度为0.1mv，热测试单元精度为0.3mv，风速值由标准测风传感器测得，精度为±0.5m/s，其展示了当风垂直吹向微型风速芯片时，其热单元和机械单元各自电阻输出信号的特征数据值随风速变化的分布图；

实验2：风速固定，测试芯片中热单元和机械单元各自铂电阻输出值随风向角度的变化状况。

无线网络风传感器的电阻与风向数据见图4，图中电阻值是同样通过电桥法测得，机械测试单元精度为0.1mv，热测试单元精度为0.2mv，风向值由标准测风传感器测得，精度为5°，其图4展示了当风速固定，本实验选择了0～20中五项风速值（0.25m/s，2.45m/s，5.5m/s，16.16m/s，19.96m/s）；其热单元及机械单元各自电阻输出信号的特征数据值随风向角度变化的分布图；很明显从图上可知，当风向是90°和270°时，其与风速芯片薄板垂直时，芯片的铂电阻输出信号绝对值是最大的。

图3 风速芯片中机械及热测试单元随风速变化实验数据结果

图4 风速芯片中a机械测试单元；b热测试单元随风向变化实验数据结果

由于电子罗盘显示所测方向与地磁北极的夹角，当风垂直吹向传感器微型风速芯片薄板时，其芯片感应输出信号最大，此时与风速芯片配合的电子罗盘显示的方向即为所测风向。然而，WNWS在实际无线传感器网络测试环境中，需要确定使风速芯片输出信号最大的风向，在本设计中，我们改进其不足引入了一个步进电机系统，在步进电机控制下通过旋转传感器一周可以获得风速芯片信号输出的最大值，此时与其配合的电子罗盘显示方向即为所测风向。图5所示的旋转系统包含一个步进电机和由另一个微控制器控制的同步驱动电路，旋转率随着风速测定的要求而变化。旋转系统与WNWS通过接口进行连接，这样WNWS能随着旋转系统而旋转。以实验2风速19.96m/s为例，通过步进电机转动一周后风速芯片机械测试单元采集的数据如下表1，数据显示在相对起始位置90度的时候，电阻值最大。

图5 步进电机旋转控制下的无线网络风传感器

表1 机械测试部件不同角度时所测数据

3 总结

无线传感网络的出现使得恶劣环境气象监测成为可能，尤其，当基于MEMS技术的传感器被使用在无线网络中时，因其体积小、重量轻、成本低和灵敏度高等特征为恶劣环境气象监测工作提供了坚实保障。在本文中，一种无线网络风传感器已经被设计和研制出来，通过微型风速芯片及电子罗盘共同作用来获知实验环境精确的风速及风向信息；另外在WNWS中引入旋转系统，使得传感器在实际使用环境中更加适用可行。通过具体环境实验测试，与普通的风传感器相比，本WNWS更适合于在强烈干旱、山地高温、严寒等恶劣环境下工作来获得具体的风速及风向信息。下一步的工作中，我们需要增强本设计的性能，以及提高其在恶劣环境下检测风信息的快捷性和准确性。

［1］方震，赵湛.一种基于已知位置数据库的传感器网络定位算法［J］.计算机研究与发展，2011，48（增刊）：116-124.

［2］康健，左宪章，唐力伟，等.无线传感器网络数据融合技术［J］.计算机科学，2010，37（4）：31-36.

［3］孙萍，秦明.一种基于光点位置敏感器件的风速风向测试系统设计［J］.东南大学学报：自然科学版，2010，40（6）：1222-1225.

［4］杜利东，赵湛，庞程，等.电阻热效应对力式微固态测风传感器测量精度的影响［J］.功能材料与器件学报，2009，15（4）：339：344.

［5］高冬晖，秦明，程海洋，等.一种基于CMOS工艺的二维风速传感器的设计与测试［J］.固体电子学研究与进展，2006，26（1）：96-99.

〔责任编辑 高海〕

Fabrication of Wireless Networks Wind Sensor based on MEMS Technology

WANG Wen-jun1，DU Li-dong2，LIU Chun-gui1，MENG Xian-qing1
（1.School of Mathematics and Computer Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009；2.State Key Laboratory of Transducer Technology Institutes of Electronics，CAS Beijng，100190）

In this paper a kind of wireless networks wind sensor（WNWS），used in harsh environment，is introduced.It is integrated MEMS-based wind velocity chip and rotation structure supplemented with electronic compass and main control part.The micro wind velocity chip，designed based on drag force and thermal principle，is mainly used to get the information of wind velocity and direction cooperated with electronic compass.In prectice，when main control part of WNWS receives instruction requirements to test wind，the maximum output of wind velocity ship can be obtained by rotating the sensor a cycle under the control of stepping motor and the wind sensor obtains and radios wind velocity and direction by measuring the value of micro wind velocity chip and electronic compass.Compared with conventional wind sensor，the designed WNWS is suitable to monitor the wind in harsh environment such as：high mountain and forest etc.

Wireless Networks Wind sensor；Micro Wind Velocity Chip；MEMS technology

TP212.1

A

1674-0874（2012）06-0011-04

2012-05-25

山西省软科学基金资助项目［2011041069-03］；山西大同大学2012年度教研重点项目［XJY2012105］；山西大同大学2011年度青年科研基金项目［2011Q12］

王文军（1977-），男，山西应县人，硕士，讲师，研究方向：人工智能、数据库技术与数据挖掘、无线网络。