工作原理
目前，热流量传感器的工作原理主要有热损失型和热温差型。当流体流过加热体的时候，上游的温度下降会比下游快，从而导致加热体附近热场会发生变化。通过测量这个温度差可以同时反映风速和风向。
对于二维热温差型风速计芯片，对流体感生的温度梯度进行分解，可以得到
式中s为温差对风速的灵敏度系数。
对于阻值为R温度系数为α的测温电阻，惠斯通电桥的输出电压分量为
3 有限元模拟
为了缩短研发周期，研究热风速计在不同风速和风向情况下的表面温度分布，利用ANSYS对恒功率工作方式下的芯片表面温度进行了一系列模拟。为了便于ANSYS实体建模，进行了一些简化：考虑到钛铂电阻的厚度很薄而且间隙很小，用薄膜代替，并采用等效热导率。此外，压焊块的影响也被忽略。加热电阻半径为450 μm，四周扇形测温电阻内径为500 μm，外径为1200 μm。考虑到风吹过芯片表面要符合层流边界条件，模型中空气层的厚度取为500 μm。
为了提高有限元模拟的精度，利用ANSYSICEM CFD的模块(Block)方法进行网格划分，然后导入ANSYS CFX进行计算与分析。具体实施在CFX-Pre中，定义出流体域和固体域，并设置流-固耦合面和边界条件；设置计算参数，并将结果送入CFX-Solver进行计算；利用CFX-Post查看计算结果。从图2可以看出，热损失和热温差原理都可以用于风速测量，但是后者输出较小，且存在量程限制。当风速较大时，由于上风口不可能比环境温度更低，而下风口不可能比加热条温度更高，所以△T会饱和，热温差测量风速的时候量程受限。图3为几个典型风速情况下，芯片的温差随着风向360°变化时都呈正弦变化。
4 测试结果
本传感器加工工艺简单，利用单步剥离工艺即可在玻璃衬底上完成芯片加工。在室温下，芯片加热条和测温电阻分别为400 Ω和2 kΩ，温度系数为1.05×10-3。本文在恒定加热功率工作方式下，对不同风速情况下的传感器进行了360°风向测试。测试方法为固定加热条电压，将测温电阻接成惠斯通电桥，然后利用仪器放大器进行放大输出。当加热条两端电压为2 V时，输出电压如图4所示，两路输出随风向分别随角度呈正弦和余弦变化。经过反正切计算，误差不超过10％。图中T132，T135为风速分别在2，5 m／s时测温电阻1，3间的温差；T242，T245为风速分别在2，5m／s时测温电阻2，4间的温差。
