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摘 要

MEMS风速传感器是MEMS技术在环境监测领域的主要应用之一，但其长期置于户外，工作状态容易受到灰尘的影响。我国正处于经济高速发展的阶段，空气污染日益严重，沙尘暴、雾霾现象井喷式爆发，在城市里，空气中的灰尘含量也一直居高不下，这会对风速传感器的输出特性造成一定的影响。因此，无论在野外还是城市，工作在户外的 MEMS 风速传感器都将面临严重的灰尘效应。目前，国内外对 MEMS 风速传感器实际应用中的环境效应研究主要集中在温度效应和湿度效应两个方面。事实上，不仅空气中灰尘的浓度影响MEMS风速传感器的输出特性，长期暴露在灰尘 的环境中，也会导致灰尘受潮之后覆盖在风速传感器表面，并积累形成一定的厚度。由于 封装陶瓷很薄（约为300μm），当灰尘的厚度与封装陶瓷厚度可比拟时，风速传感器的热场分布就会受到影响，最终导致灵敏度以及测量精度的降低。利用ANSYS这一有限元软件来进行MEMS风速传感器的灰尘效应的仿真，对其进行对其温度分布进行模拟。本文对风速传感器进行简易建模，仿真出传感器上温度分布，并对其进行一定的分析。

关键词：微电子机械，风速传感器，灰尘效应，ANSYS

A STUDY ON DUST EFFECT OF MEMS WIND SENSOR

Abstract

MEMS wind speed sensor, one of the main applications of MEMS technology in the environmental monitoring field, is long-term placed in the outside, therefore its working condition is easily been affected by dusts. As China is in a rapid economic development, the increasingly serious air pollution, dust, haze phenomenon are blowing out in the city. The dust content in air remains high, that will cause a certain impact on the output characteristics of the wind speed sensor. Therefore, whether in the field or in the city, outdoor-working MEMS wind speed sensor will face a serious dust effect. At present, both domestic and overseas researches of environmental effects in the MEMS wind speed sensor practical application mainly focus on the temperature effect and the humidity effect. As a matter of fact, the dust concentration in the air not only affects the output characteristics of MEMS wind speed sensor, can also cause the dust damp covering on the surface of the wind speed sensor and accumulated to form a certain thickness after long-term exposed to the environment of dust. Because the ceramics package are very thin (about 300μm), when the thicknesses of the dust and the package are analogous, the thermal-field distribution of the wind speed sensor will be affected, resulting in a reduction in the sensitivity and accuracy of the measurement. The temperature distribution in the dust effect of MEMS wind speed sensor can be simulated by a finite element software called ANSYS. In this study, a simple model of wind speed sensor is used to simulate the temperature distribution on the sensor, and carried on to certain analysis.

KEY WORDS: dust effect,wind sensor, MEMS,ANSYS

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 MEMS风速传感器与环境的关系 1

第二章 二维风速传感器概述 3

2.1风速传感器工作方式 3

2.2风速传感器制作方式 6

2.3风速传感器部分设计 8

第三章 ANSYS有限元仿真 15

3.1 有限元思想 15

3.2 有限元求解问题的基本步骤 15

3.3 ANSYS有限元分析软件 16

第四章 仿真模型与仿真结果 18

4.1仿真模型 18

4.2仿真过程及仿真结果 19

第五章 总结 24

致谢 25

参考文献（References） 26

第一章 绪 论

1.1 引言

风速传感器的前进由微电子机械系统（MEMS）制造技术的发展所推动，并使我们能够制造更加得小型化、更加便携化和更加低成本的风速传感器。MEMS 风速传感器测量分速大小和风向的原理是通过风引起气流从而导致芯片上热量分布不对称的原理来进行测量。MEMS 风速传感器的工作状态除了受到空气的温度和湿度的影响，也常常受到灰尘效应的影响。同时，我国正处于经济高速发展的阶段，空气污染日益严重，沙尘暴、雾霾现象井喷式爆发，在城市里，空气中的灰尘含量也一直居高不下，这会对风速传感器的输出特性造成一定的影响。因此，无论在野外还是城市，工作在户外的 MEMS 风速传感器都将面临严重的灰尘效应。

硅流量传感器基于热原理并被广泛研究应用于工业过程控制、环境保护监测和室内空调系统，自从1974年开始，许多效应被用于制造先进与良好操作性的流量传感器。现在对于通过基于微电子机械系统技术的制造的固体硅热流量传感器的产品检验已经经历了超过10年，并且由于通过这种技术制造的传感器具有小型化、低功耗、高敏感度以及简单的补偿环境温度的变化等特性被认为是一项具有前景的技术。为了提高流量传感器的灵敏度。使用从正面或背面的各向异性刻蚀硅基板制备微膜和桥接器。传感器的部分热能为了使它远离速度层的底部从衬底上升，由此传感器可以接触到更大的流速和体现出更好的敏感度。

1.2 MEMS风速传感器与环境的关系

目前，国内外对 MEMS 风速传感器实际应用中的环境效应研究主要集中在温度效应和湿度效应两个方面：

温度效应：2010 年 6 月，德国 University of Bremen 的 Walter Lang 教授研究了不同环境温度（20℃-50℃）下，MEMS 风速传感器输出温差的变化。风速传感器的输出温差会随着环境温度的升高而减小，这种现象的产生会导致灵敏度降低。为了实现输出信号的稳定，作者设计了两个惠斯通电桥组成的带有温度补偿的恒温差（CTD）处理电路，使得芯片与环境保持一个恒定的温差，最终实现风速传感器的输出温差不再随着环境温度而变化。

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