基于MEMS技術無線網(wǎng)絡風力傳感器的研制

王文軍，杜利東，劉春貴，孟獻青

（1.山西大同大學數(shù)學與計算機科學學院，山西大同 037009；2.中國科學院電子學研究所傳感器國家重點實驗室，北京 100190）

基于MEMS技術無線網(wǎng)絡風力傳感器的研制

王文軍1，杜利東2，劉春貴1，孟獻青1

（1.山西大同大學數(shù)學與計算機科學學院，山西大同 037009；2.中國科學院電子學研究所傳感器國家重點實驗室，北京 100190）

研制了一種嚴酷環(huán)境下使用的無線網(wǎng)絡測風傳感器，傳感器由微型風速芯片、電子羅盤和主控及旋轉部件構成。微型風速芯片基于拖動力及熱式原理設計、采用Micro Electro Mechanical System（MEMS）技術制作而成，由微型風速芯片和電子羅盤通過感應數(shù)據(jù)配合獲得所測風的瞬時風速和風向信息，氣象監(jiān)測環(huán)境風傳感器具體工作過程，其無線主控部件接收到測試命令后，采用旋轉部件將微型風速芯片旋轉一周，通過對比各時刻輸出信息獲得max值，由風速芯片與電子羅盤解析該時刻的數(shù)據(jù)即為所測的風速和風向信息，最后由負責傳輸?shù)牟考鬏敵鋈?。?jīng)初步測試，本設計特別適合用在高山、森林等環(huán)境惡劣的無線網(wǎng)絡氣象檢測站。

無線網(wǎng)絡測風傳感器；微風速芯片；MEMS技術

近來，我們國家自然災害發(fā)生頻繁，其中一個重要原因就是氣象預警監(jiān)測信息相對缺乏。目前盡管國內已經(jīng)設置了許多氣象監(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，風信息在嚴酷的環(huán)境中尤其缺乏。幸運的是，近年來，隨著MEMS技術發(fā)展，基于MEMS技術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)絡技術的發(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技術及無線傳感器網(wǎng)絡技術設計制作專門適用于高山、森林、沙漠等嚴酷的環(huán)境氣象監(jiān)測用途的無線網(wǎng)絡測風傳感器。

目前，國內外測風傳感器研究現(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)絡定位、無線網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)集成聚合及其歸約變換和構建大規(guī)模集群網(wǎng)絡的網(wǎng)絡技術［1-2］。另一方面大部分風力傳感器的研究主要集中在傳感器的結構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)絡風力傳感器的設計上面。筆者小組研制了一種基于Micro Electro Mechanical System（MEMS）技術由微型風速芯片、電子羅盤和主控部件構成的無線網(wǎng)絡測風傳感器。其微型風速芯片屬于熱式和機械式雙重混合測風傳感器芯片，通過熱原理和拖動力原理各自觸發(fā)其閉合子系統(tǒng)的輸出電阻應變來獲得風速信息和簡單的風向信息，雙重測速功能可相互應證提高所測數(shù)據(jù)精確率；同時再附帶上協(xié)助獲取實際測試環(huán)境中精確風速和風向信息的電子羅盤及其旋轉系統(tǒng)；另外配套上負責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)絡風力傳感器體系結構。實驗測試結果表明，所研制的本傳感器較適用于嚴酷的環(huán)境下對風的測量。

1 無線網(wǎng)絡測風傳感器的體系結構

無線網(wǎng)絡測風傳感器體系結構包括微型風速芯片、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)絡風傳感器

1.1 微型風速芯片

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

圖2 微型測風速芯片簡化模型

圖2A種風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風吹向傳感器時，薄板感應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變，最終獲得風速和簡單的風向信息。其具體原理為：芯片中薄板用來接收和感應風的拖動力，感應過程中整個能量的轉換順序為風能轉換成機械能再轉換成電能，并通過短懸梁上面鉑電阻測量其風速信息。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責測量拉伸張力另一個負責擠壓張力；相比而言，B種四個鉑電阻統(tǒng)一濺射在一個懸梁上面，其中兩個負責測量拉伸張力，另兩個負責測量壓縮張力，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)境溫度對傳感器準確率性能的影響；當風吹引起傳感器薄板的壓應變時，阻值隨著風速的增大而減小；當風吹引起薄板的拉應變時，阻值隨著風速的增大而增大。根據(jù)這一原理可以測量出正反風向的信息。

圖2A，B兩種傳感器測風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成，另兩個鉑電阻濺射在傳感器的基底上。當風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)強迫對流熱交換理論，可導出熱絲散失的熱量Q與風的速度v之間存在關系式，這樣結構形成了一個熱絲式風速計，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速的變化而增大或減小的電阻值，從而獲得簡單的風速風向信息。這樣封裝了兩個獨立地測風速單元的A，B芯片，致使測風時可以獨立地用機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)相互應證，大大提高了精確度。

由MEMS技術制作微型風速芯片，其制作流程主要包括熱氧化、低壓化學氣相沉積［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溶液腐蝕過程進而形成力式以及熱式單元的結構。再接下來將晶薄芯片進行切粒后，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造的微型風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)絡風傳感器的測風速感應部件制作完畢。如圖1所示：

1.2 電子羅盤部件

由于1.1所描述的風速芯片提供的風向信息只是標識了其與薄板的交叉方向，而不能清晰地標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，由于其沒有傾斜補償措施，實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格限制，因為三維電子羅盤在其內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行傾斜補償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準確無誤。在我們的設計中，無線網(wǎng)絡風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SPI接口芯片和MCU構成。

1.3 主控芯片

無線網(wǎng)絡風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，在實現(xiàn)高性能的同時，而且確保其功耗很低，另外本設計中將CC2520設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。本傳感器設計中CC2520芯片的使用是實現(xiàn)其在高山、森林等嚴酷環(huán)境下體積小，功耗低，便攜性優(yōu)良，又能實現(xiàn)信息的無線接收與傳輸?shù)母颈Ｕ稀?/p>

2 風傳感器實驗測試及其實踐改進

實驗1：風向固定（指定為90°），測試芯片中熱單元和機械單元各自鉑電阻輸出值隨風速大小變化情況。

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

實驗2：風速固定，測試芯片中熱單元和機械單元各自鉑電阻輸出值隨風向角度的變化狀況。

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

圖3 風速芯片中機械及熱測試單元隨風速變化實驗數(shù)據(jù)結果

圖4 風速芯片中a機械測試單元；b熱測試單元隨風向變化實驗數(shù)據(jù)結果

由于電子羅盤顯示所測方向與地磁北極的夾角，當風垂直吹向傳感器微型風速芯片薄板時，其芯片感應輸出信號最大，此時與風速芯片配合的電子羅盤顯示的方向即為所測風向。然而，WNWS在實際無線傳感器網(wǎng)絡測試環(huán)境中，需要確定使風速芯片輸出信號最大的風向，在本設計中，我們改進其不足引入了一個步進電機系統(tǒng)，在步進電機控制下通過旋轉傳感器一周可以獲得風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向。圖5所示的旋轉系統(tǒng)包含一個步進電機和由另一個微控制器控制的同步驅動電路，旋轉率隨著風速測定的要求而變化。旋轉系統(tǒng)與WNWS通過接口進行連接，這樣WNWS能隨著旋轉系統(tǒng)而旋轉。以實驗2風速19.96m/s為例，通過步進電機轉動一周后風速芯片機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 步進電機旋轉控制下的無線網(wǎng)絡風傳感器

表1 機械測試部件不同角度時所測數(shù)據(jù)

3 總結

無線傳感網(wǎng)絡的出現(xiàn)使得惡劣環(huán)境氣象監(jiān)測成為可能，尤其，當基于MEMS技術的傳感器被使用在無線網(wǎng)絡中時，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)測工作提供了堅實保障。在本文中，一種無線網(wǎng)絡風傳感器已經(jīng)被設計和研制出來，通過微型風速芯片及電子羅盤共同作用來獲知實驗環(huán)境精確的風速及風向信息；另外在WNWS中引入旋轉系統(tǒng)，使得傳感器在實際使用環(huán)境中更加適用可行。通過具體環(huán)境實驗測試，與普通的風傳感器相比，本W(wǎng)NWS更適合于在強烈干旱、山地高溫、嚴寒等惡劣環(huán)境下工作來獲得具體的風速及風向信息。下一步的工作中，我們需要增強本設計的性能，以及提高其在惡劣環(huán)境下檢測風信息的快捷性和準確性。

［1］方震，趙湛.一種基于已知位置數(shù)據(jù)庫的傳感器網(wǎng)絡定位算法［J］.計算機研究與發(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)絡數(shù)據(jù)融合技術［J］.計算機科學，2010，37（4）：31-36.

［3］孫萍，秦明.一種基于光點位置敏感器件的風速風向測試系統(tǒng)設計［J］.東南大學學報：自然科學版，2010，40（6）：1222-1225.

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

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

〔責任編輯 高?！?/p>

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

山西省軟科學基金資助項目［2011041069-03］；山西大同大學2012年度教研重點項目［XJY2012105］；山西大同大學2011年度青年科研基金項目［2011Q12］

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