高灵敏度MEMS三维矢量风速计设计

王任鑫，白　冰，刘　源

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术重点实测验室，山西 太原 030051)



高灵敏度MEMS三维矢量风速计设计

王任鑫1,2，白冰1,2，刘源1,2

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术重点实测验室，山西 太原 030051)

本项目针对矿井通风监测问题，提出仿蟋蟀尾须纤毛的MEMS三维矢量风速计，实现三维风向和风速感知.传感器传感单元采用四梁支撑结构，信号接收区域采用“盘型”结构接收X,Y和Z方向的风速信号，在满足测量带宽前提下实现三维方向的高灵敏度检测.分析了三维MEMS矢量风速计的敏感机理，根据三轴受力分析，合理排布悬臂梁上压阻的惠斯通电桥检测方式；通过ANSYS仿真分析了“盘型”直径对敏感梁应力和结构谐振频率的影响；在优化的结构参数下分析了X,Y,Z三轴灵敏度.仿真结果表明：盘型结构设计可以实现三维风速感知，相比于一维和二维风速计而言在探测维度上有所改进.

MEMS；三维矢量风速计；仪器灵敏度；矿井通风

0　引　言

安全是煤矿生产的第一要务，其中矿井通风的好坏直接影响着煤矿安全状况.风速计在矿井通风监测中所起的作用是不可忽视的，为保证井下各作业地点有合适的风量，必须依靠风速计实时可靠监测.传统的矿用风速计主要有电子叶轮式风速计和超声波涡旋式风速计两大类.电子叶轮式风速计测定原理是：叶轮随着风流旋转，其转速和风速成正比关系，利用霍尔效应、光电、磁电等工作原理监测叶轮转速.虽然技术较为成熟，但该类传感器结构复杂，体积比较庞大，不便于固定安装，叶轮转动可能会产生静电，在井下瓦斯环境中有发生爆炸的危险，不适合长期实时监测，且不能测风向；超声波风速计是通过检测超声波多普勒频移来测量风速，结构简单，精度高，线性关系好，风速测量范围大，但体积相对比较大，在测试部周围有可能发生紊流，并且容易受到环境噪声的影响.

为保证风流在井下巷道中按照既定路线流动，在井下巷道中设置了通风设施.如果通风设施出现故障，就会使得巷道中出现风流紊乱和有害气体涌出等状况，导致通风系统的瘫痪，甚至可能导致重大事故.所以，面对可能出现的气流紊乱，对在潮湿、多尘、易燃爆的矿井环境下进行三维矢量风速实时监测提出了挑战与需求.

针对实时风速测量，科技工作者提出了多种微小型集成器件的方案.H.Liu等通过在圆柱体探头周围贴装3个基于MEMS热膜的标量风速计，实现0.1～10 m/s范围内3.6%精度的二维风速监测[1]；P.Zyka等设计了一种MEMS悬臂梁式的湍流风速计，线性测量范围5～22 m/s[2]；M.Piotto等制备了单芯片集成的二维矢量风速计，可以测量0.4～7.9 m/s风速[3]；M.Shikida等研制了用于空调系统的MEMS热流式传感器[4,5]；Y.Wang等展示了翘曲悬臂梁结构的金属压阻式MEMS风速计，测量上限至45 m/s[6]；J.Sun等提出双加热源风传感器，由重掺杂硅和氮化硅构成梁结构，采用惠斯通电桥读出[7].

基于仿生原理的风速计也见诸报道.G.Krijnen等提出基于差分电容检测的仿生风速计，采用氮化硅悬臂梁和SU-8纤毛结构，实现一维方向的风速感知[8,9]；C.Liu等研发仿纤毛的高灵敏MEMS压阻式风速计，将SU-8纤毛制备在Si悬臂梁上，可在二维方向测量低至1 mm/s的风速[10,11].

然而，目前的研究主要集中在一维和二维风速计，对微小型三维矢量风速计的研究较少，亟需对三维风速敏感机制和结构开展研究.针对矿井通风监测应用，本文提出一种仿蟋蟀尾须纤毛的MEMS三维矢量风速计，设计盘型结构和压阻检测方式，实现三维风向和风速感知.

1　三维矢量风速计的设计

图1　三维矢量风速计Fig.1　Tri-axial vector anemometer

针对矿井复杂环境通风监测问题，模仿蟋蟀通过尾须纤毛感知气流，设计MEMS三维矢量风速计，如图1所示，利用纤毛-四梁结构压阻检测三维矢量风速，分析MEMS三维矢量风速计的敏感机理，实现三维风向和风速感知，为矿井下风速实时监测提供技术支持.该风速计具有体积小巧，易于在矿井中固定，可批量生产，实时监测等优点，并且由于利用的是静力测量，无静电现象，安全可靠，在矿井通风监测领域有着广阔的应用前景和市场.

当风压作用到纤毛上，纤毛发生振动，引起四梁发生变形.在悬臂梁根部的压敏电阻受到应力而产生变化.通过惠斯通电桥把四梁的压敏电阻变化以电压的形式输出.通过受力分析，可以得到应变图，如图2所示.压敏电阻的分布在四梁的根部，如图3所示.根据其应变图，惠斯通电桥连接图如图4所示.

图2　应变图Fig.2　Strain distributions

图3　电阻分布图Fig.3　Piezoresistors distribution

图4　惠斯通电桥Fig.4　Wheatstone bridge

根据伯努利方程得出风压和风速的关系

(1)

式中：ρ是空气的密度; P是风压; u是风速.

该传感器包含X，Y和Z轴输出，其中X和Y路利用纤毛进行传递信号，悬臂梁上的压敏电阻因梁的变形而产生变化，利用惠斯通电桥把电阻变化转化成电压输出，由于X和Y路结构对称，X或Y路的输出与结构参数的关系为

(2)

式中：Vout_x/y是X或Y轴输出电压; Vin是输入电压; Rx/y和ΔRx/y是X或Y路压敏电阻及其变化值.电阻的相对变化ΔR/R与应力的关系如式(3)所示

(3)

式中：πl是纵向压阻系数.根据之前的研究，悬臂梁上的应力分布σx/y和风压之间的关系为

(4)

式中：Px/y是作用在X或Y路的风压; a为中心连接体的半宽长; L为悬臂梁的长度; H为刚硬柱体的高度; b为悬臂梁的宽度; t为悬臂梁的厚度，结合式(3)和式(4)，得到风速计的电压输出和风压的关系为

Z轴的信号的输出，由于不能像X或Y轴利用杠杆原理，放大接收得到风压，所以采用一个圆盘结构增大其信号接收的面积.Z轴的电压输出与结构参数的关系为

(6)

式中：Rz和ΔRz是X或Y路压敏电阻及其变化值; r是圆盘结构的半径; Pz是风压Z的分压.以X/Y轴为列，输出分贝形式表示为

(7)

其中，

可以得到灵敏度和风速成线性关系，如图5所示.

2　结构参数

MEMS三维风速计的信号接收区域变成一个“盘型”结构.针对X路和Y路而言，盘型的高度对灵敏度影响比较大；对Z路而言，主要是直径影响较大.从提高灵敏度的角度，盘型结构尺寸应该设计的越大越好；但是结构固有频率会随“盘型”结构的增大而降低，从而使得传感器带宽减小.所以在设计时要考虑到灵敏度和固有频率的影响.考虑工艺兼容性，盘型材料采用聚氨酯材料.由于目前工艺限制，该盘型的高度最小是0.5 mm，固定这个尺寸，分析直径对灵敏度和固有频率的影响.如图6所示，随着直径变大，悬臂梁上的最大应力增大，而固有频率下降.由于矢量风速计的频带上限应该低于其水听器共振频率的2/3倍频程.因此取直径尺寸为1.5 mm.此时，风速计的共振频率为809 Hz.也即是说风速计的工作频率上限可到500 Hz.

图6　直径与应力的关系Fig.6　Stress varying with plate diameter

图7　直径和共振频率的关系Fig.7　Resonant frequency varying with plate diameter

3　灵敏度特性

为了验证灵敏度的提高，我们需要比较与原二维结构和现三维结构的应力分布.设定“盘型”直径的尺寸为1.5 mm，通过ANSYS提取悬臂梁上的应力分布.X路和Y路的应力分布特性一致，所以只需提取其中一路的信号.应力分布如图8所示，X和Y路的最大应力可以提高到3倍.如果用dB表示，则

(9)

相对于二维结构，三维结构的灵敏度可以提高9.5 dB.同时，从图8中也可以得出Z路的最大应力和原二维结构接近，表明Z轴灵敏度接近原二维结构的X和Y路的灵敏度.由此，可以验证三维风速计的可行性.

图8　三轴应力分布Fig.8　Tri-axial stress distribution

4　结　论

本文提出了一种仿蟋蟀尾须纤毛高灵敏度MEMS三维矢量风速计.通过结构力学分析了其三维矢量风速的敏感机理，表明了可行性.结合灵敏度和频带进行分析，优化得到盘型信号接收区的尺寸.通过最后灵敏度特性的分析可以得出：在保证Z路灵敏度的情况下，X路和Y路的灵敏度提高了9.5 dB.因此，三维微结构的设计能够实现三维信息获取.

[1]Liu H,Lin N,Pan S,et al.High sensitivity,miniature,full 2-D anemometer based on MEMS hot-film sensors[J].IEEE Sens.J.,2013,13(5)：1914-1920.

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[4]Shikida M Y,Yamazaki K,Yoshikawa,et al.A MEMS flow sensor applied in a variable-air-volume unit in a building air-conditioning system[J].Sensors Actuators A Phys.,2013,189:212-217.

[5]Shikida M,Yoshikawa K,Iwai S,et al.Flexible flow sensor for large-scale air-conditioning network systems[J].Sensors Actuators A Phys.,2012,188：2-8.

[6]Wang Y,Lee C,Chiang C.A MEMS-based air flow sensor with a free-standing microcantilever structure[J].Sensors,2007(7)：2389-2401.

[7]Sun J,Cui D,Zhang L,et al.Fabrication and characterization of a double-heater based MEMS thermal flow sensor[J].Sensors Actuators A Phys.,vol.2013,193：25-29.

[8]Wiegerink R J,Krijnen G J M.Highly-sensitive,biomimetic hart sensor arrays for sensing low-frequency air flows[C].In Transducers,2009：1541-1544.

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[10]Mcconney M E,Chen N,Lu D,et al.Biologically inspired design of hydrogel-capped hair sensors for enhanced underwater flow detection[J].Soft Matter,2009(5)：292-295.

[11]Liu C.Micromachined biomimetic artificial haircell sensors[J].Bioinspir.Biomim.,2007(2)：S162-S169.

Design of High-Sensitivity MEMS Tri-Axial Vector Anemometer

WANG Renxin1,2,BAI Bing1,2,LIU Yuan1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education, North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, North University of China,Taiyuan 030051,China)

In view of mine ventilation inspection,MEMS tri-axial vector anemometer inspired by imitate cricket's cerci hair is proposed to detect the wind velocity and direction.Cross beams are adopted and plate-like structure receives X/Y/Z airflow velocity signal,which could realize tri-axial high-sensitivity detection in terms of measuring bandwidth.Firstly,the theory for the detection of wind velocity and direction is provided by the analysis of sense principle of MEMS tri-axial vector anemometer.According to the tri-axial stress analysis,the piezoresistors are arranged on the beam to perform wheatstone bridge output.Consequently,the influences of plate diameter on the structure stress and resonant frequency are researched through ANSYS simulation.Finally,tri-axial sensitivities are compared in the case that the structure parameters are optimized.Simulation results demonstrate that plate-like structure is capable of detecting tri-axial wind velocity,which could bring improvement on detecting dimension comparing to mono-axial and bi-axial anemometers.

MEMS; tri-axial vector anemometer; instrument fsensitivity; mine ventilation

1671-7449(2016)05-0427-05

2016-01-17

王任鑫(1987-)，男，讲师，博士，主要从事微纳机械系统的研究.

TD723

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.011