具有蘑菇形敏感结构的光电式风速和风向传感器
2026-10-24 15:21:03 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
重庆大学和南京邮电大学等机构的联合研究团队提出了一种基于单片集成四通道光电芯片和蘑菇形敏感结构的新型光电式风传感器。该四通道光电芯片由位于中心的LED和对称布置在LED周围的四个光电探测器组成。
风速和风向是天气预报、环境监测、可再生能源以及航空航天等众多领域的关键参数。长期以来，科研人员已经开发了多种用于检测风速和风向的测量原理，由此催生了不同类型的风传感器。其中，光电式风传感器凭借响应快、维护成本低以及可靠性高等优势，近年受到了广泛关注。
通常，光电式风传感器主要由三大核心部件组成：光源、风敏感单元和光电探测器。气流与风敏感单元相互作用时，会使后者产生形变或振动。朝向风敏感单元的光源因而会被其运动调制。光电探测器随后测量调制后的光信号，进而解调出实时的风速和风向信息。然而，由于光电探测器的直接暴露，以及对称性的缺失，亟需开发兼具高可靠性和有效对称性的光电式风传感器。
据麦姆斯咨询介绍，重庆大学和南京邮电大学等机构的联合研究团队提出了一种基于单片集成四通道光电芯片和蘑菇形敏感结构的新型光电式风传感器。该四通道光电芯片由位于中心的LED和对称布置在LED周围的四个光电探测器组成。通过采用单片集成制造技术，有效减小了四个光电探测器之间的差异与装配误差。此外，还设计并优化了一种环境适应性强的蘑菇形风敏感结构，用于封装四通道光电芯片。这种封装方式可以避免光电芯片与环境直接接触，进而提升传感器的可靠性。
论文摘要附图
光电式风传感器的工作原理
图1展示了基于四通道光电芯片的风传感器示意图。该传感器由七个主要部件组成。基于氮化镓（GaN）的四通道光电集成芯片焊接在PCB板上，支撑板则用于定位PDMS弹性结构。铝（Al）反射膜安装在PDMS弹性结构内部，并用盖板将PDMS弹性结构固定在支撑板上。蘑菇形传感结构与PDMS弹性结构相连。在这种风传感器设计中，四通道光电集成芯片通过蘑菇形风敏感结构和盖板双重防护，避免直接暴露在外界环境中，显著提升了传感器的可靠性。
图1 光电式风传感器及四通道GaN光电集成芯片的结构示意图
GaN光电集成芯片
本文所提出光电式风传感器的核心部件为四通道GaN光电集成芯片，该芯片包含一个用于发射光线的LED，以及四个用于接收光信号的光电探测器。如图1f所示，这种四通道芯片可通过晶圆级制造工艺制备。基于蓝宝石的GaN外延结构从下到上依次堆叠，包括一层厚度为3.5 μm的非故意掺杂GaN层、一层厚度为2 μm的n型GaN层、一层厚度为400 nm的多量子阱（MQW）层，以及一层厚度为250 nm的p型GaN层。
图2 光电式风传感器设计的仿真结果
结合全面的流体和光学仿真结果，所提出的蘑菇形风敏感结构在气流中能产生相对较大的垂直气动力，同时保持较低的横向气动力。这确保了传感器在气流作用下，旋转位移减小、垂直位移增大，进而使气流大小与光电探测器输出之间的关系呈现单调变化趋势。
图3 四通道GaN光电集成芯片的光学与电学特性
光电式传感器的结构优化
如图4所示，研究人员将组装好的光电式风传感器安装在旋转底座上，并放置在风洞的测试段内。测试段内安装了商用标准风速计，用于校准风洞内部的实时风速。图4c-f分别展示了焊接在印刷电路板上的微芯片、安装支撑板后的微芯片、PDMS支撑结构以及组装好的风传感器照片。
图4 光电式风传感器实验装置示意图
在实验中，研究人员首先采用了纯圆柱型风敏感结构，并在不同风速条件下对对应的风速传感器进行了测试。可以观察到，随着风速升高，光电探测器测得的输出电压先升高后降低，使得风速与输出电压之间呈现出非单调关系。这与纯圆柱型风敏感结构的仿真结果相符。
此外，研究团队进一步探究了蘑菇形结构顶部直径D对组装后风传感器性能的影响。结果表明，随着D的增大，沿z方向的阻力也随之增加，使得铝反射膜在相同风速下的位移更大，进而导致光电探测器输出电压下降得更为显著。
光电式风传感器的性能表征
将优化后的风传感器放置在风洞中，气流沿x轴方向流动。当风速从0增加到18 m/s时，对位于x方向上游和下游的光电探测器1与光电探测器3的输出电压进行求和，得到传感器在不同风速条件下的响应。结果显示，传感器的输出电压随风速增大而降低，表明传感器输出与施加的风速之间存在显著的线性关系。经计算，该传感器的风速测量灵敏度约为0.21 V/(m/s)。
图5 光电式风传感器的风速测试实验结果
研究人员还测试了该传感器对风速变化的响应时间。结果表明，随着风速升高，传感器的响应时间逐渐延长，从风速1.8 m/s时的0.11至0.12 ms，增加到18 m/s时的0.35至0.36 ms。这是因为在更高风速下，风敏感结构会产生更大的变形，需要更长时间恢复至原始状态。
此外，研究人员还评估了该传感器测量风向的能力。在实验中，在每个设定风速下调整旋转底座，记录当风向从0°变化至360°时四个光电探测器的输出电压。图6a的结果显示，随着风向改变，四个光电探测器的输出呈正弦曲线变化，相邻光电探测器之间的相位差约为90°。基于上述结果，计算得到对应x轴（光电探测器1-光电探测器3）和y轴（光电探测器2-光电探测器4）方向的输出，以反映不同风向下传感器的输出情况。
图6 光电式风传感器的风向测试实验结果
结论
该研究提出了一种单片集成四通道光电式风传感器，该传感器采用新型蘑菇形敏感结构，可同时测量风速和风向。该传感器的核心部件是一款用于光发射和吸收的四通道光电集成芯片。该芯片采用晶圆级制造工艺制备，有效消除了光电探测器之间的差异与装配误差，确保了传感器的最佳对称性。此外，对蘑菇形风敏感结构的优化，使其在与风场相互作用的同时，为光电芯片提供了可靠的户外环境防护。风洞实验测试表明，该传感器可测量0～18 m/s的风速和360°全范围的风向。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01441-8
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