Simulationsgestützte Designoptimierung zur Reduktion des Winkelfehlers bei miniaturisierten thermischen Windsensoren

Abstract

In diesem Artikel wird die simulationsgestützte Designoptimierung von miniaturisierten kalorimetrischen Windsensoren hinsichtlich der Reduktion des Winkelfehlers untersucht. Im ersten Schritt wird gezeigt, warum die naheliegende, einfache Zusammenfassung von zwei orthogonal angeordneten länglichen Strömungssensoren auf einer einzelnen Membran keine gute Lösung ist und welche Nachteile sich daraus ergeben. Im zweiten Schritt wird ein neues Sensordesign mithilfe von FEM-Simulationen so evaluiert und optimiert, dass sich ein Winkelfehler von weit unter 1° ergibt. Auf Basis von diesem Design wurde ein mikromechanischer thermischer Strömungssensor gefertigt und messtechnisch charakterisiert. Die Unzulänglichkeiten des verwendeten Messaufbaus verursachen eine Störung des Fluidflusses in bestimmten, beschränkten Winkelbereichen, was einen erhöhten Winkelfehler bedingt. In den ungestörten Bereichen liegt der Winkelfehler im Rahmen der Messgenauigkeit, was den Erfolg der Optimierungsmethode unterstreicht.

This paper addresses simulation-based design optimizations of miniaturized calorimetric wind sensors with respect to the reduction of the angular error. In the first step, it is shown why the obvious, simple combination of two orthogonally arranged elongated flow sensors on a single membrane is not a good solution and what disadvantages result from it. In the second step, a new sensor design is evaluated and optimized using FEM simulations in order to achieve an angular error of far less than 1°. Based on this design, a micromechanical thermal flow sensor was fabricated and characterized. The applied measurement setup disturbs the fluid flow in limited areas of the azimuth angle, resulting in an increased error. In the undisturbed areas, the error is within the measurement accuracy, which underlines the success of the optimization method.