气象监测指导着工农业生产、交通运输、国防等各行各业,与我们每个人都息息相关。风速风向是气象监测中必不可少的关键信息,风速风向传感器的开发和研究对国民经济的发展具有重要的意义。与传统的机械式风速计如风杯、风向标等相比,MEMS热式风速风向传感器具有体积小、维护成本低、量程大、精度高等优点。本实验室自2000年来一直进行着MEMS热式风速计相关的研究,在设计、制造、封装、电路系统上积累了大量的成果与经验,目前致力于实现风速计的产品化。我们目前的产品采用恒温差的控制方案,在经过繁琐的调试之后能很好地抑制温漂。但芯片生产制造过程中并不能保证成品的参数完全一致,元器件不可避免地存在容差,在批量化生产中难以逐套地对产品进行调试。同时,在硬件电路、软件设计、封装方案上,还未对产品化以及批量化生产进行必要的优化。本论文的主要研究内容如下:a)在稳定性方面,根据传热学和电学原理,对未经严格硬件温漂补偿的风速传感器的零点漂移问题进行理论分析,使用PSPICE软件对加热电阻进行建模,并进行电路整体的仿真。通过短时变温测试与户外长时测试的结果来验证理论分析和仿真的结论,给出了分段线性补偿的软件补偿方案。并通过理论推导和软件仿真研究了外接贴片电阻温漂对传感器性能的影响。b)在可靠性方面,设计了有利于批量化生产的高可靠性传感器封装方案。采用硬件上的防护、滤波和软件上的看门狗定时器、CRC校验技术进行了电磁兼容性的设计,通过了相关测试的认证。针对传感器低温工作的需求进行了系统温控设计,通过环境试验验证了-50℃低温和+50℃高温下工作的可靠性。并通过实验验证了传感器的性能几乎不受空气湿度影响的结论。c)在批量化生产的优化方面,设计了便于批量化测试和标定的传感器软件架构和功能完备的基于RS-485标准的Modbus-RTU通讯协议,基于C8051F410提供的flash在线编程功能实现了通过通讯对系统进行调试和标定,避免了烧写程序的繁琐。d)对批量生产的传感器进行测试。测试了传感器的主要性能指标以及零点漂移的补偿效果。实验结果表明,在-20℃～+50℃的温度范围内,软件补偿能将热损失测风的零点温漂造成的误差由最高2.32 m/s降至0.16 m/s;惠斯通全桥电路的硬件方案对于热温差零点温漂的抑制是非常有效的,X、Y方向上的零点漂移造成的最大误差不超过0.5 m/s。