王任鑫，白　冰，劉　源

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)測(cè)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

?

高靈敏度MEMS三維矢量風(fēng)速計(jì)設(shè)計(jì)

王任鑫1,2，白冰1,2，劉源1,2

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)測(cè)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

本項(xiàng)目針對(duì)礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)問題，提出仿蟋蟀尾須纖毛的MEMS三維矢量風(fēng)速計(jì)，實(shí)現(xiàn)三維風(fēng)向和風(fēng)速感知.傳感器傳感單元采用四梁支撐結(jié)構(gòu)，信號(hào)接收區(qū)域采用“盤型”結(jié)構(gòu)接收X,Y和Z方向的風(fēng)速信號(hào)，在滿足測(cè)量帶寬前提下實(shí)現(xiàn)三維方向的高靈敏度檢測(cè).分析了三維MEMS矢量風(fēng)速計(jì)的敏感機(jī)理，根據(jù)三軸受力分析，合理排布懸臂梁上壓阻的惠斯通電橋檢測(cè)方式；通過ANSYS仿真分析了“盤型”直徑對(duì)敏感梁應(yīng)力和結(jié)構(gòu)諧振頻率的影響；在優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)下分析了X,Y,Z三軸靈敏度.仿真結(jié)果表明：盤型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)三維風(fēng)速感知，相比于一維和二維風(fēng)速計(jì)而言在探測(cè)維度上有所改進(jìn).

MEMS；三維矢量風(fēng)速計(jì)；儀器靈敏度；礦井通風(fēng)

0　引　言

安全是煤礦生產(chǎn)的第一要?jiǎng)?wù)，其中礦井通風(fēng)的好壞直接影響著煤礦安全狀況.風(fēng)速計(jì)在礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)中所起的作用是不可忽視的，為保證井下各作業(yè)地點(diǎn)有合適的風(fēng)量，必須依靠風(fēng)速計(jì)實(shí)時(shí)可靠監(jiān)測(cè).傳統(tǒng)的礦用風(fēng)速計(jì)主要有電子葉輪式風(fēng)速計(jì)和超聲波渦旋式風(fēng)速計(jì)兩大類.電子葉輪式風(fēng)速計(jì)測(cè)定原理是：葉輪隨著風(fēng)流旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速和風(fēng)速成正比關(guān)系，利用霍爾效應(yīng)、光電、磁電等工作原理監(jiān)測(cè)葉輪轉(zhuǎn)速.雖然技術(shù)較為成熟，但該類傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積比較龐大，不便于固定安裝，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生靜電，在井下瓦斯環(huán)境中有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，不適合長期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且不能測(cè)風(fēng)向；超聲波風(fēng)速計(jì)是通過檢測(cè)超聲波多普勒頻移來測(cè)量風(fēng)速，結(jié)構(gòu)簡單，精度高，線性關(guān)系好，風(fēng)速測(cè)量范圍大，但體積相對(duì)比較大，在測(cè)試部周圍有可能發(fā)生紊流，并且容易受到環(huán)境噪聲的影響.

為保證風(fēng)流在井下巷道中按照既定路線流動(dòng)，在井下巷道中設(shè)置了通風(fēng)設(shè)施.如果通風(fēng)設(shè)施出現(xiàn)故障，就會(huì)使得巷道中出現(xiàn)風(fēng)流紊亂和有害氣體涌出等狀況，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的癱瘓，甚至可能導(dǎo)致重大事故.所以，面對(duì)可能出現(xiàn)的氣流紊亂，對(duì)在潮濕、多塵、易燃爆的礦井環(huán)境下進(jìn)行三維矢量風(fēng)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提出了挑戰(zhàn)與需求.

針對(duì)實(shí)時(shí)風(fēng)速測(cè)量，科技工作者提出了多種微小型集成器件的方案.H.Liu等通過在圓柱體探頭周圍貼裝3個(gè)基于MEMS熱膜的標(biāo)量風(fēng)速計(jì)，實(shí)現(xiàn)0.1～10 m/s范圍內(nèi)3.6%精度的二維風(fēng)速監(jiān)測(cè)[1]；P.Zyka等設(shè)計(jì)了一種MEMS懸臂梁式的湍流風(fēng)速計(jì)，線性測(cè)量范圍5～22 m/s[2]；M.Piotto等制備了單芯片集成的二維矢量風(fēng)速計(jì)，可以測(cè)量0.4～7.9 m/s風(fēng)速[3]；M.Shikida等研制了用于空調(diào)系統(tǒng)的MEMS熱流式傳感器[4,5]；Y.Wang等展示了翹曲懸臂梁結(jié)構(gòu)的金屬壓阻式MEMS風(fēng)速計(jì)，測(cè)量上限至45 m/s[6]；J.Sun等提出雙加熱源風(fēng)傳感器，由重?fù)诫s硅和氮化硅構(gòu)成梁結(jié)構(gòu)，采用惠斯通電橋讀出[7].

基于仿生原理的風(fēng)速計(jì)也見諸報(bào)道.G.Krijnen等提出基于差分電容檢測(cè)的仿生風(fēng)速計(jì)，采用氮化硅懸臂梁和SU-8纖毛結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一維方向的風(fēng)速感知[8,9]；C.Liu等研發(fā)仿纖毛的高靈敏MEMS壓阻式風(fēng)速計(jì)，將SU-8纖毛制備在Si懸臂梁上，可在二維方向測(cè)量低至1 mm/s的風(fēng)速[10,11].

然而，目前的研究主要集中在一維和二維風(fēng)速計(jì)，對(duì)微小型三維矢量風(fēng)速計(jì)的研究較少，亟需對(duì)三維風(fēng)速敏感機(jī)制和結(jié)構(gòu)開展研究.針對(duì)礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，本文提出一種仿蟋蟀尾須纖毛的MEMS三維矢量風(fēng)速計(jì)，設(shè)計(jì)盤型結(jié)構(gòu)和壓阻檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)三維風(fēng)向和風(fēng)速感知.

1　三維矢量風(fēng)速計(jì)的設(shè)計(jì)

圖1　三維矢量風(fēng)速計(jì)Fig.1　Tri-axial vector anemometer

針對(duì)礦井復(fù)雜環(huán)境通風(fēng)監(jiān)測(cè)問題，模仿蟋蟀通過尾須纖毛感知?dú)饬鳎O(shè)計(jì)MEMS三維矢量風(fēng)速計(jì)，如圖1所示，利用纖毛-四梁結(jié)構(gòu)壓阻檢測(cè)三維矢量風(fēng)速，分析MEMS三維矢量風(fēng)速計(jì)的敏感機(jī)理，實(shí)現(xiàn)三維風(fēng)向和風(fēng)速感知，為礦井下風(fēng)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持.該風(fēng)速計(jì)具有體積小巧，易于在礦井中固定，可批量生產(chǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，并且由于利用的是靜力測(cè)量，無靜電現(xiàn)象，安全可靠，在礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和市場.

當(dāng)風(fēng)壓作用到纖毛上，纖毛發(fā)生振動(dòng)，引起四梁發(fā)生變形.在懸臂梁根部的壓敏電阻受到應(yīng)力而產(chǎn)生變化.通過惠斯通電橋把四梁的壓敏電阻變化以電壓的形式輸出.通過受力分析，可以得到應(yīng)變圖，如圖2所示.壓敏電阻的分布在四梁的根部，如圖3所示.根據(jù)其應(yīng)變圖，惠斯通電橋連接圖如圖4所示.

圖2　應(yīng)變圖Fig.2　Strain distributions

圖3　電阻分布圖Fig.3　Piezoresistors distribution

圖4　惠斯通電橋Fig.4　Wheatstone bridge

根據(jù)伯努利方程得出風(fēng)壓和風(fēng)速的關(guān)系

(1)

式中：ρ是空氣的密度; P是風(fēng)壓; u是風(fēng)速.

該傳感器包含X，Y和Z軸輸出，其中X和Y路利用纖毛進(jìn)行傳遞信號(hào)，懸臂梁上的壓敏電阻因梁的變形而產(chǎn)生變化，利用惠斯通電橋把電阻變化轉(zhuǎn)化成電壓輸出，由于X和Y路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，X或Y路的輸出與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為

(2)

式中：Vout_x/y是X或Y軸輸出電壓; Vin是輸入電壓; Rx/y和ΔRx/y是X或Y路壓敏電阻及其變化值.電阻的相對(duì)變化ΔR/R與應(yīng)力的關(guān)系如式(3)所示

(3)

式中：πl(wèi)是縱向壓阻系數(shù).根據(jù)之前的研究，懸臂梁上的應(yīng)力分布σx/y和風(fēng)壓之間的關(guān)系為

(4)

式中：Px/y是作用在X或Y路的風(fēng)壓; a為中心連接體的半寬長; L為懸臂梁的長度; H為剛硬柱體的高度; b為懸臂梁的寬度; t為懸臂梁的厚度，結(jié)合式(3)和式(4)，得到風(fēng)速計(jì)的電壓輸出和風(fēng)壓的關(guān)系為

Z軸的信號(hào)的輸出，由于不能像X或Y軸利用杠桿原理，放大接收得到風(fēng)壓，所以采用一個(gè)圓盤結(jié)構(gòu)增大其信號(hào)接收的面積.Z軸的電壓輸出與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為

(6)

式中：Rz和ΔRz是X或Y路壓敏電阻及其變化值; r是圓盤結(jié)構(gòu)的半徑; Pz是風(fēng)壓Z的分壓.以X/Y軸為列，輸出分貝形式表示為

(7)

其中，

可以得到靈敏度和風(fēng)速成線性關(guān)系，如圖5所示.

2　結(jié)構(gòu)參數(shù)

MEMS三維風(fēng)速計(jì)的信號(hào)接收區(qū)域變成一個(gè)“盤型”結(jié)構(gòu).針對(duì)X路和Y路而言，盤型的高度對(duì)靈敏度影響比較大；對(duì)Z路而言，主要是直徑影響較大.從提高靈敏度的角度，盤型結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)該設(shè)計(jì)的越大越好；但是結(jié)構(gòu)固有頻率會(huì)隨“盤型”結(jié)構(gòu)的增大而降低，從而使得傳感器帶寬減小.所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到靈敏度和固有頻率的影響.考慮工藝兼容性，盤型材料采用聚氨酯材料.由于目前工藝限制，該盤型的高度最小是0.5 mm，固定這個(gè)尺寸，分析直徑對(duì)靈敏度和固有頻率的影響.如圖6所示，隨著直徑變大，懸臂梁上的最大應(yīng)力增大，而固有頻率下降.由于矢量風(fēng)速計(jì)的頻帶上限應(yīng)該低于其水聽器共振頻率的2/3倍頻程.因此取直徑尺寸為1.5 mm.此時(shí)，風(fēng)速計(jì)的共振頻率為809 Hz.也即是說風(fēng)速計(jì)的工作頻率上限可到500 Hz.

圖6　直徑與應(yīng)力的關(guān)系Fig.6　Stress varying with plate diameter

圖7　直徑和共振頻率的關(guān)系Fig.7　Resonant frequency varying with plate diameter

3　靈敏度特性

為了驗(yàn)證靈敏度的提高，我們需要比較與原二維結(jié)構(gòu)和現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布.設(shè)定“盤型”直徑的尺寸為1.5 mm，通過ANSYS提取懸臂梁上的應(yīng)力分布.X路和Y路的應(yīng)力分布特性一致，所以只需提取其中一路的信號(hào).應(yīng)力分布如圖8所示，X和Y路的最大應(yīng)力可以提高到3倍.如果用dB表示，則

(9)

相對(duì)于二維結(jié)構(gòu)，三維結(jié)構(gòu)的靈敏度可以提高9.5 dB.同時(shí)，從圖8中也可以得出Z路的最大應(yīng)力和原二維結(jié)構(gòu)接近，表明Z軸靈敏度接近原二維結(jié)構(gòu)的X和Y路的靈敏度.由此，可以驗(yàn)證三維風(fēng)速計(jì)的可行性.

圖8　三軸應(yīng)力分布Fig.8　Tri-axial stress distribution

4　結(jié)　論

本文提出了一種仿蟋蟀尾須纖毛高靈敏度MEMS三維矢量風(fēng)速計(jì).通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析了其三維矢量風(fēng)速的敏感機(jī)理，表明了可行性.結(jié)合靈敏度和頻帶進(jìn)行分析，優(yōu)化得到盤型信號(hào)接收區(qū)的尺寸.通過最后靈敏度特性的分析可以得出：在保證Z路靈敏度的情況下，X路和Y路的靈敏度提高了9.5 dB.因此，三維微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)三維信息獲取.

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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，講師，博士，主要從事微納機(jī)械系統(tǒng)的研究.

TD723

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.011