论文总字数：29972字

摘 要

风速测量广泛应用于气象监测、工业生产和交通运输等领域。本论文提出了一种新型的基于柔性电感器的风速传感器。其原理是，柔性电感因风力产生弯曲，电感值减小，通过测量电感值变化幅度可以转换得到风速值。该传感器的优势在于采用柔性材料，结构轻便，形变具有即时性，响应速度较快。此外，相比于传统的热式风速传感器，该结构中的电感热损耗小，有效降低了传感器的功耗。

首先，本论文设计了单面柔性电感器，并利用丝网印刷技术完成了不同尺寸器件的制备工作。在风洞中对其进行测试，结果表明，随着衬底高度增大（由1cm增大到4cm），传感器的最大量程减小（由23.9m/s 减小到9.6m/s），对低风速的灵敏度增大（可测量的最小风速由6.4m/s减小到2m/s），测量精度增大（由0.41nH•m^-1•s增大到0.58nH•m^-1•s）；随着衬底宽度增大（由6cm增大到10cm），传感器的最大量程不变（11.2m/s），对低风速的灵敏度不变（可测量的最小风速为3.3m/s），测量精度不变（0.53nH•m^-1•s）；随着衬底厚度增大（由75μm增加到175μm），传感器的最大量程增大（由11.2m/s 增加到23.9m/s），对低风速的灵敏度减小（可测量的最小风速由3.3m/s增加到12.7m/s），测量精度减小（由0.58nH•m^-1•s减小到0.12nH•m^-1•s）。可见，传感器性能与衬底高度和厚度有关，与衬底宽度与无关；此外，提高最大量程与提升灵敏度、精度之间存在互斥关系，即无法通过改变衬底参数在不降低最大量程的同时提升灵敏度和精度。

进一步地，为了提高风速测量的灵敏度，在柔性衬底上设计了双面柔性电感器结构，并完成了相关制备工作。测试数据表明，相比于单面柔性电感，基于双面柔性电感的风速传感器最大量程不变（均为11.2m/s），对低风速的灵敏度增大（可测量的最小风速由3.3m/s减小到2m/s），测量灵敏度显著增大（由0.52nH•m^-1•s增大到2.24nH•m^-1•s）。可见，通过对传感器进行双面结构优化，我们解决了之前提到的性能互斥问题，这其中，互感发挥着重要作用，对我们提升传感器性能有巨大帮助。

关键词：柔性衬底，电感，弯曲效应，风速传感器

Abstract

In this thesis, an anemometer based on flexible inductor is developed. The flexible inductor is bent by the wind and the inductance value is reduced. The wind speed value can be converted by measuring the inductance value.

First, we made a single-sided flexible inductor. As the height of the substrate increases, the maximum range of the sensor decreases, the sensitivity to low wind speed increases, and the measurement accuracy increases. As the substrate width increases, the maximum range of the sensor does not change, and the sensitivity to low wind speed remains unchanged. The measurement accuracy is unchanged. As the thickness of the substrate increases, the maximum range of the sensor increases, the sensitivity to low wind speed decreases, and the measurement accuracy decreases. It can be seen that the performance of the sensor is related to the height and thickness of the substrate, and has nothing to do with the width of the substrate. In addition, there is a mutual exclusion relationship between the maximum range and the sensitivity and accuracy of the improvement, that is, the sensitivity and accuracy cannot be improved without lowering the maximum range.

Then, we made a double-sided flexible inductor. Compared with the single-sided flexible inductor, the maximum speed range of the wind speed sensor based on the double-sided flexible inductor is unchanged, the sensitivity to the low wind speed is increased, and the measurement accuracy is increased. It can be seen that we solved the previously mentioned performance mutual exclusion problem by optimizing the double-sided structure of the sensor. Among them, mutual inductance plays an important role and it helps us to improve sensor performance.

KEY WORDS: flexible substrate, inductance, bending effect, anemometer

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1风速测量的研究背景及现状 1

1.1.1风速测量的研究背景 1

1.1.2风速测量的研究现状 1

1.2柔性电子器件的研究背景及现状 4

1.2.1柔性电子器件的研究背景 4

1.2.2柔性电子器件的研究现状 4

1.3课题的主要内容及论文的结构安排 5

1.3.1课题的主要内容 5

1.3.2论文的结构安排 5

1.4本章小结 6

第二章 丝网印刷技术 7

2.1丝网印刷技术概述 7

2.1.1丝网印刷技术的基本原理 7

2.1.2丝网印刷的器材选取及注意事项 7

2.2丝网印刷技术的实际应用 8

2.2.1丝网印刷技术在纸类印刷中的应用 8

2.2.2丝网印刷技术在工艺品印刷中的应用 9

2.2.3丝网印刷技术在电子器件制作中的应用 9

2.3丝网印刷技术的发展前景 11

2.4本章小结 12

第三章 基于柔性电感的风速传感器的设计与制作 13

3.1基于柔性电感的风速传感器的设计思路 13

3.2基于柔性电感的风速传感器的制作流程 13

3.2.1制作丝印网版 14

3.2.2准备PET衬底 14

3.2.3进行丝网印刷 14

3.2.4进行第一次高温固化 15

3.2.5进行切孔引线 15

3.2.6进行第二次高温固化 15

3.3本章小结 15

第四章 基于柔性电感的风速传感器的实验测试与数据分析 16

4.1基于柔性电感的风速传感器的测试方案 16

4.2基于柔性电感的风速传感器的测试结果 17

4.2.1改变衬底高度的测试结果 17

4.2.2改变衬底宽度的测试结果 18

4.2.3改变衬底厚度的测试结果 18

4.3测试结果的理论分析 19

4.4本章小结 20

第五章 基于柔性电感的风速传感器的优化改进 21

5.1改进方案 21

5.2器件制作 21

5.2.1制作单面螺旋电感 21

5.2.2制作反面螺旋电感 22

5.2.3进行切孔引线 22

5.3实验测试及分析 22

5.3.1测试方案 22

5.3.2实验结果 23

5.3.3理论分析 23

5.4本章小结 24

第六章 总结与展望 25

6.1课题总结 25

6.2工作展望 25

致谢 26

参考文献 27

作者简介 29

第一章 绪论

1.1风速测量的研究背景及现状

1.1.1风速测量的研究背景

风作为一种自然现象无处不在，而且它与我们的生活息息相关，在气象预报、环境监测、农业生产、工业建设以及航空航天等诸多领域都占据着相当重要的地位。因此，从刀耕火种的古代到如今科技主导的信息时代，测量风的重要指标——风速，始终都是一个经典而又不失活力的课题。

1.1.2风速测量的研究现状

综合目前风速测量的研究情况，我们根据原理差异将主流的风速传感器分为以下四种。

一是转动式风速传感器，这类风速传感器的转子依靠风力的作用产生转动，将风速转化为转子转速，通过测量转子转速，可以转换得到风速值，实现对风速的测量。典型代表有风杯式风速计和螺旋桨式风速计。

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