王文軍，杜利東，劉春貴，孟獻(xiàn)青

（1.山西大同大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009；2.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

基于MEMS技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)力傳感器的研制

王文軍1，杜利東2，劉春貴1，孟獻(xiàn)青1

（1.山西大同大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009；2.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

研制了一種嚴(yán)酷環(huán)境下使用的無線網(wǎng)絡(luò)測風(fēng)傳感器，傳感器由微型風(fēng)速芯片、電子羅盤和主控及旋轉(zhuǎn)部件構(gòu)成。微型風(fēng)速芯片基于拖動力及熱式原理設(shè)計、采用Micro Electro Mechanical System（MEMS）技術(shù)制作而成，由微型風(fēng)速芯片和電子羅盤通過感應(yīng)數(shù)據(jù)配合獲得所測風(fēng)的瞬時風(fēng)速和風(fēng)向信息，氣象監(jiān)測環(huán)境風(fēng)傳感器具體工作過程，其無線主控部件接收到測試命令后，采用旋轉(zhuǎn)部件將微型風(fēng)速芯片旋轉(zhuǎn)一周，通過對比各時刻輸出信息獲得max值，由風(fēng)速芯片與電子羅盤解析該時刻的數(shù)據(jù)即為所測的風(fēng)速和風(fēng)向信息，最后由負(fù)責(zé)傳輸?shù)牟考鬏敵鋈ァ＝?jīng)初步測試，本設(shè)計特別適合用在高山、森林等環(huán)境惡劣的無線網(wǎng)絡(luò)氣象檢測站。

無線網(wǎng)絡(luò)測風(fēng)傳感器；微風(fēng)速芯片；MEMS技術(shù)

近來，我們國家自然災(zāi)害發(fā)生頻繁，其中一個重要原因就是氣象預(yù)警監(jiān)測信息相對缺乏。目前盡管國內(nèi)已經(jīng)設(shè)置了許多氣象監(jiān)測站，但由于其所用傳感器體積大、成本高和便攜性差等原因致使高山、森林、沙漠等嚴(yán)酷的環(huán)境中氣象監(jiān)測存在大量的空白區(qū)和薄弱區(qū)。作為氣象監(jiān)測的重要參數(shù)之一，風(fēng)信息在嚴(yán)酷的環(huán)境中尤其缺乏。幸運(yùn)的是，近年來，隨著MEMS技術(shù)發(fā)展，基于MEMS技術(shù)研制的傳感器因其體積小、重量輕、成本低和靈敏度高等特征而著稱，而無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為氣象信息的跨地域便捷傳輸功能提供了可行及其保障，可以考慮利用MEMS技術(shù)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計制作專門適用于高山、森林、沙漠等嚴(yán)酷的環(huán)境氣象監(jiān)測用途的無線網(wǎng)絡(luò)測風(fēng)傳感器。

目前，國內(nèi)外測風(fēng)傳感器研究現(xiàn)狀是，一方面大多數(shù)基于wireless sensors networks（WSN）的氣象監(jiān)控技術(shù)的研究主要集中于發(fā)展中間件、已知位置數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)定位、無線網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)集成聚合及其歸約變換和構(gòu)建大規(guī)模集群網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［1-2］。另一方面大部分風(fēng)力傳感器的研究主要集中在傳感器的結(jié)構(gòu)及其敏感材料選用上面［3］。研究者們均很少將注意力集中于無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)力傳感器的設(shè)計上面。筆者小組研制了一種基于Micro Electro Mechanical System（MEMS）技術(shù)由微型風(fēng)速芯片、電子羅盤和主控部件構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)測風(fēng)傳感器。其微型風(fēng)速芯片屬于熱式和機(jī)械式雙重混合測風(fēng)傳感器芯片，通過熱原理和拖動力原理各自觸發(fā)其閉合子系統(tǒng)的輸出電阻應(yīng)變來獲得風(fēng)速信息和簡單的風(fēng)向信息，雙重測速功能可相互應(yīng)證提高所測數(shù)據(jù)精確率；同時再附帶上協(xié)助獲取實(shí)際測試環(huán)境中精確風(fēng)速和風(fēng)向信息的電子羅盤及其旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)；另外配套上負(fù)責(zé)傳感器各部件間所測數(shù)據(jù)的通信與無線傳輸?shù)闹骺夭考罱K形成無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)力傳感器體系結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，所研制的本傳感器較適用于嚴(yán)酷的環(huán)境下對風(fēng)的測量。

1 無線網(wǎng)絡(luò)測風(fēng)傳感器的體系結(jié)構(gòu)

無線網(wǎng)絡(luò)測風(fēng)傳感器體系結(jié)構(gòu)包括微型風(fēng)速芯片、電子羅盤和主要控制部件三個部分。如圖1所示：

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)傳感器

1.1 微型風(fēng)速芯片

傳感器微型測風(fēng)芯片通常分為兩類：熱式風(fēng)速芯片和機(jī)械式風(fēng)速芯片，力式風(fēng)速芯片屬于第二類［6］。如圖2展示的兩種風(fēng)速芯片：A種和B種，每一種風(fēng)速芯片設(shè)計時均采用熱式和力式雙重混合構(gòu)造，均包含了兩個封裝的單元，每個單元用來獨(dú)立地測量風(fēng)速。

圖2 微型測風(fēng)速芯片簡化模型

圖2A種風(fēng)速芯片力式測試單元含有一個薄平板和兩個用來連接平板和硅襯底的短懸梁，兩個懸梁上面濺射了四個鉑電阻；B種風(fēng)速芯片的力式測試單元含有一個薄平板和一個用來連接平板和硅基底的短懸梁，僅一個懸梁上面濺射了四個鉑電阻。A，B兩芯片力式測試單元功能均為當(dāng)風(fēng)吹向傳感器時，薄板感應(yīng)到力后引起懸梁的彎曲，通過懸梁上濺射的鉑電阻來測量傳感器中的薄板的應(yīng)變，最終獲得風(fēng)速和簡單的風(fēng)向信息。其具體原理為：芯片中薄板用來接收和感應(yīng)風(fēng)的拖動力，感應(yīng)過程中整個能量的轉(zhuǎn)換順序?yàn)轱L(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成電能，并通過短懸梁上面鉑電阻測量其風(fēng)速信息。A種芯片四個鉑電阻均勻分布到兩個懸梁上面，致使每個懸梁上面的兩個鉑電阻一個負(fù)責(zé)測量拉伸張力另一個負(fù)責(zé)擠壓張力；相比而言，B種四個鉑電阻統(tǒng)一濺射在一個懸梁上面，其中兩個負(fù)責(zé)測量拉伸張力，另兩個負(fù)責(zé)測量壓縮張力，如此分布，四個電阻幾乎在同一環(huán)境下，將最大限度的消除環(huán)境溫度對傳感器準(zhǔn)確率性能的影響；當(dāng)風(fēng)吹引起傳感器薄板的壓應(yīng)變時，阻值隨著風(fēng)速的增大而減?。划?dāng)風(fēng)吹引起薄板的拉應(yīng)變時，阻值隨著風(fēng)速的增大而增大。根據(jù)這一原理可以測量出正反風(fēng)向的信息。

圖2A，B兩種傳感器測風(fēng)芯片熱式測試單元均由兩端固定的一根濺射了兩個鉑電阻的支梁構(gòu)成，另兩個鉑電阻濺射在傳感器的基底上。當(dāng)風(fēng)沿垂直方向流過金屬絲（支梁）時，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。根據(jù)強(qiáng)迫對流熱交換理論，可導(dǎo)出熱絲散失的熱量Q與風(fēng)的速度v之間存在關(guān)系式，這樣結(jié)構(gòu)形成了一個熱絲式風(fēng)速計，通過熱測試單元中支梁及基底的鉑電阻來記錄熱絲隨著風(fēng)速的變化而增大或減小的電阻值，從而獲得簡單的風(fēng)速風(fēng)向信息。這樣封裝了兩個獨(dú)立地測風(fēng)速單元的A，B芯片，致使測風(fēng)時可以獨(dú)立地用機(jī)械測試單元的單臂電橋和熱部件單元的支梁來同時測量，測量數(shù)據(jù)相互應(yīng)證，大大提高了精確度。

由MEMS技術(shù)制作微型風(fēng)速芯片，其制作流程主要包括熱氧化、低壓化學(xué)氣相沉積［7］形成的濕法刻蝕掩膜層、采用lift-off工藝制成力式測試單元和熱式測試單元的電極連線和電阻；還包括在晶硅的正反面進(jìn)行的SF6等離子體刻蝕、稀釋了的氫氟酸浸蝕和KOH溶液腐蝕過程進(jìn)而形成力式以及熱式單元的結(jié)構(gòu)。再接下來將晶薄芯片進(jìn)行切粒后，采用印刷電路板（PCB）封裝，封裝后的基于拖動力及熱原理混合構(gòu)造的微型風(fēng)速芯片被嵌入到一根聚四氟乙烯棒中的一個9mm×8mm×0.35mm規(guī)格的一個孔中。至此，無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)傳感器的測風(fēng)速感應(yīng)部件制作完畢。如圖1所示：

1.2 電子羅盤部件

由于1.1所描述的風(fēng)速芯片提供的風(fēng)向信息只是標(biāo)識了其與薄板的交叉方向，而不能清晰地標(biāo)識其精確的地理方向，因此需要借用電子羅盤配合獲得其精確的地理方向。平面電子羅盤中雙軸磁傳感器使用兩個放置在同一水平面的敏感元件測地球的水平磁場，它們的敏感軸互相垂直正交，記作x軸和y軸，每一個磁針根據(jù)它的敏感軸測量磁場。測量磁場的方位可以通過函數(shù)tan（y/x）來提供。這樣的磁傳感器只要保持恒定水平就可以精確地測量磁場。但平面電子羅盤發(fā)生傾斜時，由于其沒有傾斜補(bǔ)償措施，實(shí)際航行與測量航行差距較大，三維電子羅盤克服了平面電子羅盤在使用中的嚴(yán)格限制，因?yàn)槿S電子羅盤在其內(nèi)部加入了傾角傳感器，如果羅盤發(fā)生傾斜時可以對羅盤進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準(zhǔn)確無誤。在我們的設(shè)計中，無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)傳感器電子羅盤部件采用三維電子羅盤，由雙軸磁阻傳感器（本系統(tǒng)采用Honeywell公司的HMC1052）、傾角處理及串行外設(shè)SPI接口芯片和MCU構(gòu)成。

1.3 主控芯片

無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)傳感器的主要控制端包含微控制器，電源和通信部件。微控制器采用C8051F410單片機(jī)來收集和處理數(shù)據(jù)并保持與射頻模塊通信；電源由一組3.7V 1900mAh的鋰聚合物動力電池組提供；通信部分采用CC2520芯片。CC2520芯片是一款第二代IEEE802.15.4射頻收發(fā)器，工作于2.4Ghz頻段，其能與超低功耗MCU協(xié)同工作，為各種應(yīng)用提供廣泛的硬件支持，包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)包計時等功能，在實(shí)現(xiàn)高性能的同時，而且確保其功耗很低，另外本設(shè)計中將CC2520設(shè)備連接到硬件中斷部件用于其喚醒處理器來感知有新數(shù)據(jù)包的傳入。本傳感器設(shè)計中CC2520芯片的使用是實(shí)現(xiàn)其在高山、森林等嚴(yán)酷環(huán)境下體積小，功耗低，便攜性優(yōu)良，又能實(shí)現(xiàn)信息的無線接收與傳輸?shù)母颈Ｕ稀?/p>

2 風(fēng)傳感器實(shí)驗(yàn)測試及其實(shí)踐改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)1：風(fēng)向固定（指定為90°），測試芯片中熱單元和機(jī)械單元各自鉑電阻輸出值隨風(fēng)速大小變化情況。

無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)傳感器的電阻與風(fēng)速數(shù)據(jù)見圖3，圖中電阻值是通過電橋法測得，機(jī)械測試單元精度為0.1mv，熱測試單元精度為0.3mv，風(fēng)速值由標(biāo)準(zhǔn)測風(fēng)傳感器測得，精度為±0.5m/s，其展示了當(dāng)風(fēng)垂直吹向微型風(fēng)速芯片時，其熱單元和機(jī)械單元各自電阻輸出信號的特征數(shù)據(jù)值隨風(fēng)速變化的分布圖；

實(shí)驗(yàn)2：風(fēng)速固定，測試芯片中熱單元和機(jī)械單元各自鉑電阻輸出值隨風(fēng)向角度的變化狀況。

無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)傳感器的電阻與風(fēng)向數(shù)據(jù)見圖4，圖中電阻值是同樣通過電橋法測得，機(jī)械測試單元精度為0.1mv，熱測試單元精度為0.2mv，風(fēng)向值由標(biāo)準(zhǔn)測風(fēng)傳感器測得，精度為5°，其圖4展示了當(dāng)風(fēng)速固定，本實(shí)驗(yàn)選擇了0～20中五項(xiàng)風(fēng)速值（0.25m/s，2.45m/s，5.5m/s，16.16m/s，19.96m/s）；其熱單元及機(jī)械單元各自電阻輸出信號的特征數(shù)據(jù)值隨風(fēng)向角度變化的分布圖；很明顯從圖上可知，當(dāng)風(fēng)向是90°和270°時，其與風(fēng)速芯片薄板垂直時，芯片的鉑電阻輸出信號絕對值是最大的。

圖3 風(fēng)速芯片中機(jī)械及熱測試單元隨風(fēng)速變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

圖4 風(fēng)速芯片中a機(jī)械測試單元；b熱測試單元隨風(fēng)向變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

由于電子羅盤顯示所測方向與地磁北極的夾角，當(dāng)風(fēng)垂直吹向傳感器微型風(fēng)速芯片薄板時，其芯片感應(yīng)輸出信號最大，此時與風(fēng)速芯片配合的電子羅盤顯示的方向即為所測風(fēng)向。然而，WNWS在實(shí)際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境中，需要確定使風(fēng)速芯片輸出信號最大的風(fēng)向，在本設(shè)計中，我們改進(jìn)其不足引入了一個步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，在步進(jìn)電機(jī)控制下通過旋轉(zhuǎn)傳感器一周可以獲得風(fēng)速芯片信號輸出的最大值，此時與其配合的電子羅盤顯示方向即為所測風(fēng)向。圖5所示的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包含一個步進(jìn)電機(jī)和由另一個微控制器控制的同步驅(qū)動電路，旋轉(zhuǎn)率隨著風(fēng)速測定的要求而變化。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)與WNWS通過接口進(jìn)行連接，這樣WNWS能隨著旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)而旋轉(zhuǎn)。以實(shí)驗(yàn)2風(fēng)速19.96m/s為例，通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一周后風(fēng)速芯片機(jī)械測試單元采集的數(shù)據(jù)如下表1，數(shù)據(jù)顯示在相對起始位置90度的時候，電阻值最大。

圖5 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制下的無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)傳感器

表1 機(jī)械測試部件不同角度時所測數(shù)據(jù)

3 總結(jié)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得惡劣環(huán)境氣象監(jiān)測成為可能，尤其，當(dāng)基于MEMS技術(shù)的傳感器被使用在無線網(wǎng)絡(luò)中時，因其體積小、重量輕、成本低和靈敏度高等特征為惡劣環(huán)境氣象監(jiān)測工作提供了堅(jiān)實(shí)保障。在本文中，一種無線網(wǎng)絡(luò)風(fēng)傳感器已經(jīng)被設(shè)計和研制出來，通過微型風(fēng)速芯片及電子羅盤共同作用來獲知實(shí)驗(yàn)環(huán)境精確的風(fēng)速及風(fēng)向信息；另外在WNWS中引入旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使得傳感器在實(shí)際使用環(huán)境中更加適用可行。通過具體環(huán)境實(shí)驗(yàn)測試，與普通的風(fēng)傳感器相比，本W(wǎng)NWS更適合于在強(qiáng)烈干旱、山地高溫、嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境下工作來獲得具體的風(fēng)速及風(fēng)向信息。下一步的工作中，我們需要增強(qiáng)本設(shè)計的性能，以及提高其在惡劣環(huán)境下檢測風(fēng)信息的快捷性和準(zhǔn)確性。

［1］方震，趙湛.一種基于已知位置數(shù)據(jù)庫的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法［J］.計算機(jī)研究與發(fā)展，2011，48（增刊）：116-124.

［2］康健，左憲章，唐力偉，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)［J］.計算機(jī)科學(xué)，2010，37（4）：31-36.

［3］孫萍，秦明.一種基于光點(diǎn)位置敏感器件的風(fēng)速風(fēng)向測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，40（6）：1222-1225.

［4］杜利東，趙湛，龐程，等.電阻熱效應(yīng)對力式微固態(tài)測風(fēng)傳感器測量精度的影響［J］.功能材料與器件學(xué)報，2009，15（4）：339：344.

［5］高冬暉，秦明，程海洋，等.一種基于CMOS工藝的二維風(fēng)速傳感器的設(shè)計與測試［J］.固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2006，26（1）：96-99.

〔責(zé)任編輯 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

山西省軟科學(xué)基金資助項(xiàng)目［2011041069-03］；山西大同大學(xué)2012年度教研重點(diǎn)項(xiàng)目［XJY2012105］；山西大同大學(xué)2011年度青年科研基金項(xiàng)目［2011Q12］

王文軍（1977-），男，山西應(yīng)縣人，碩士，講師，研究方向：人工智能、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘、無線網(wǎng)絡(luò)。