采用CTD控制电路的二维CMOS风速计研究

　　1　引　　言

　　近几十年以来,研究和工程人员将半导体材料硅的应用拓展到数据获取领域以构成各种微型的传感器。利用日益发展完善的集成电路(IC)制造工艺完成大批量,低成本,集成传感器、接口电路和信号处理电路的片上系统(SOC)。

　　这里主要研究微型化的热流量CMOS风速风向传感器。这类器件常常是基于这样两种原理:(1)热损失,或者热导线或热薄膜[1],利用测量风吹过时损失的热量来测量风速。(2)热温差型,风吹过时在风的方向上会引起传感器表面温度梯度的变化。这种类型风速计能够同时测量风速和风向。可以采用恒功率(CP)[2]或恒温差(CTD)[3]模式来控制芯片。笔者利用CTD控　　制传感器芯片,并进行了风速和风向的测量。

　　2　传感器工作原理

　　将传感器的表面加热,使其温度高于环境一定数值,在有风吹过传感器表面时,由于不均匀冷却会在风向的上下游产生一个温度梯度。通过测量中心对称处两点的温差可以决定风速的大小。通过两个垂直相同的热堆,能够得到360°的风向,工作原理如图1所示,整个传感器由标准CMOS工艺完成。

　　3　CTD控制驱动电路及其测试

　　任何热流量传感器,都需要保持芯片温度高于周围环境,才可能引起与风速相关的温度梯度。在驱动电路设计中,采用一个闭环控制以保证芯片与环境温差恒定(CTD)。随着风速的增加,加热器上的耗散功率也增加以保证设定的温差值保持不变。两组相互垂直的热堆差模输出信号同样也会随着风速的增加而增加。从这相互垂直的差模信号中可以同时得到风速和风向的信息。驱动电路原理图如图2所示。

　　图2中Vx1,Vx2,Vy1和Vy2分别代表四个方向上热堆绝对输出信号,四个热堆的输出信号的叠加正好可以代表芯片中心的平均温度。参考电压(代表恒温差)加入到放大器(用作调节器)。输出信号控制三极管,从而决定与三极管相连的加热条上的功率随着风速增加而增加。维持设定的恒温差数值。风速随着损失功率的关系如图3所示(经过了进一步放大)。

　　在恒温差控制模式下,通过读取垂直方向的热堆的差模信号,可以获得风向的信息。风速在U=4m/s下一对热堆的信号数据如图4所示。具有较好的正弦特性。根据两对垂直分布的热堆可以得到方向。

　　4　总　　结

　　介绍了一种CMOS二维硅热流量风速计。该风速计工作在恒温差(CTD)控制模式,能够同时测量流过的风速和风向。样品经过风洞试验,得到了0～23m/s的测量范围,具有良好的线性度,并且360°内方向敏感。今后的工作主要在传感器功耗的降低和接口电路芯片的集成。