[发明专利]一种基于状态空间法的热式风速传感器宏模型提取方法

说明书

本发明提出一种基于状态空间法的热式风速传感器宏模型提取方法：该方法首先对热式风速传感器尺寸、结构和材料参数提取并进行三维建模，设置空气域，初始化边界条件进行有限元仿真，获得在风速为0情况下热式风速传感器模型的阶跃响应和在风速不为0时热式风速传感器模型加热单元和上下游测温单元表面的对流换热系数，基于热式风速传感器模型阶跃响应利用状态空间法构建热式传感器的状态空间模型，同时拟合对流换热系数获得等效风速的多项式，再通过Verilog‑A语言将状态空间模型和等效风速多项式耦合，得到完整的热式风速传感器宏模型，最后调用宏模型进恒功率电路中进行验证仿真。

技术领域

本发明属于热式传感器仿真领域，尤其涉及一种基于状态空间法的热式风速传感器宏模型提取方法。

背景技术

MEMS热风传感器能够依靠热量的变化测量风速的大小和方向，其涉及流体，热学和电学三个物理场，是典型的复杂多物理场耦合器件。当前，针对热式风速传感器的模拟，主要是以传统计算方程组或者建模仿真为主，这些方法是非常耗费时间和人力的，对传感器设计和优化是相当不利的。而对传感器参数的设定又需要大量的实验或仿真才能总结出最优方案，为缩短设计周期、降低成本，迫切需要对传感器进行系统级模拟仿真。在系统级仿真中，传感器宏模型的提取是关键的一环，因此急需一种普遍适用的提取传感器宏模型的流程方法。利用等效电路法建立器件的宏模型是常用的一种方法。它是根据电和非电的类比，将非电部分用相应的电路表示。其主要优点是可以清楚了解器件的动态特性，进行小信号分析。但等效电路法能够描述的模型种类少，且局限于线性模型。但本方法综合了状态空间法、硬件描述语言法和多项式拟合法，能够在非线性模型中提取宏模型，并且可以对宏模型进行大信号分析也可进行小信号分析，最重要的是可以插入系统级仿真工具(如cadence)与电路进行协同仿真，以便优化。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于状态空间法的热式风速传感器宏模型提取方法，以形成较为准确、完整、且可以充分反映热式风速传感器的响应特性的基本器件单元模型，之后通过直接调用单元模型与设计好的电路进行协同仿真，预测传感器在整个系统中的响应特性，为热式风速传感器的设计优化提供参考依据。

技术方案，为了实现上述发明目的，本发明提出一种基于状态空间法的热式风速传感器宏模型提取方法，该方法包括如下步骤：

1)根据热式风速传感器尺寸、结构和材料参数，对热式风速传感器芯片进行三维建模以获得热式风速传感器模型；

2)将热式风速传感器模型包裹在设立的空气域中，对连同空气域在内的整体进行网格划分，将模型划分为若干节点，初始化空气域和模型的温度条件后进行有限元仿真，获得热式风速传感器模型的阶跃响应和热式风速传感器加热单元和风速方向上测温单元的对流换热系数；

3)将步骤2)的对流换热系数进行拟合，获得对流换热系数和风速的关系多项式；

4)对热式风速传感器构建状态空间模型，所述状态空间模型的阶跃响应与风速为0时的热式风速传感器模型阶跃响应相同；

5)将步骤3)中得到的等效风速多项式与步骤4)得到的状态空间模型用Verilog-A语言耦合，获得热式风速传感器的宏模型，将其被cadence virtuoso封装为电路元件，

并且，可以将该元件接入电路中进行仿真。

进一步的，步骤1)中，热式风速传感器模型中包括衬底、加热单元和测温单元；加热单元位于衬底的中央，测温单元分布在加热单元的上下左右四个方向上，其中，加热单元左侧的测温单元是上游测温单元，加热单元右侧的测温单元是下游测温单元。

进一步的，步骤2)中，热式风速传感器模型位于空气域的中心位置，空气域与上游测温单元同方向的一面设置为入口，与下游测温单元同方向的一面设置为出口，风从入口进入出口流出，其余空气域的面为绝热壁，空气域内的空气为不可压缩流体，流动状态为层流。