基于光斑位置敏感的风速传感器集成系统研究中文摘要

环境检测需要高质量的传感器, 本项目提出了一种创新的基于光斑位置敏感的风速传感器系统方案，风压引起结构变形，从而改变光斑位置。光斑在平面的位置反映了风速和风向的信息。该系统具有体积小、功耗低、 测量范围宽、温度漂移小和便携化等突出优点。项目组针对此新方案首次提出了一种可CMOS集成的光斑位置传感器检测原理与结构, 利用半导体光电相关理论建立该传感器的数学模型；利用弹性力学和流体理论分析机械竿在流场中的受力和变形情况, 进行传感器的结构优化设计和工艺设计；开展微光学传感器和微机械的一体化封装涉及的材料匹配、工艺兼容和对准组装等关键问题研究，利用倒装焊和微机械加工等工艺设计系统的整体封装方案，最终实现系统并开展测试分析。通过对本项目的研究，不仅为环境风速测量提供新途径，也将完善本项目中首次提出的CMOS光斑位置传感器的理论模型和促进其在其他领域的应用。

环境检测需要高质量的传感器, 本项目主要研究了一种基于光斑位置敏感的风速传感器系统。项目首先对光斑位置敏感器件开展了研究，首次提出了一种基于雪崩击穿原理的光斑位置敏感器件。从工作原理、结构尺寸和工艺方法等方面进行了探索；其次又创新性地提出了一种薄膜型光斑位置敏感结构，采用有限元方法对传感器进行了建模分析并进行了传感器的结构优化设计和工艺设计，针对关键光敏材料CdS开展了工艺生长研究。实验测试了研制的传感器样品。在风速系统研究方面，利用光斑位置敏感器件开展了风速传感器的实验研究，利用弹性力学和流体理论分析了机械竿在流场中的受力和变形情况并进行了标准化设计与标准封装后的测试。为后续传感器的产业化推进奠定了基础。

本研究着眼于基于生态性能的计算机辅助建筑设计方法，旨在对相应的生成-分析-优化系统（生成优化系统）进行搭建、应用和开发进行研究。课题组通过对生成优化系统的主要部分，即参数化模型生成、生态性能模拟及评价、智能寻优，以及相关技术方法，包括软件间接口、优化设计策略等进行系统研究，最终搭建一系列针对单项及综合生态性能的优化系统。作为一项集计算机技术、建筑物理与建筑设计与一体的交叉学科研究，本课题的研究内容涵盖建筑生成设计、建筑性能模拟与分析、计算机优化、计算机程序开发等多个方面。 在研究期间，课题组在生成优化系统的各个方面获得了显著的进展。首先，课题组根据各种生态设计策略，建构相应的参数化模型，同时也探讨了模型的建构逻辑，以及控制结构的应用策略，并提出基于“性能-形态”的参数化模型建构方法、参数化模型控制结构对寻优过程“效率-效用”分析方法。其次，课题组研究软件间接口的传输机制，并对所缺的数据接口在参数化设计平台上进行二次开发，完成“Grasshopper-Fluent”接口插件开发。第三，课题组在参数化模型和接口研究的基础上，对各种单项和综合的生态性能生成设计系统进行搭建，并对不同优化算法的运算机制和应用策略进行深入的研究，对比分析和改进适用于不同生态性能的系统搭建和性能评价方法。最后，针对建筑生态优化生成设计涉及的模拟时间长、输入变量多等特点，课题组针对“小样本量优化”和多目标优化的应用策略进行研究，并提出利用“多岛遗传算法”、“分步式”等生成优化设计系统应用策略，使优化生成设计系统能更好地满足建筑设计行业的实际需求。 课题组成员在国内核心期刊发表13篇研究文章，完成硕士学位论文16篇，申请1项软件著作权，6次参加国内外相关会议并做会议报告，培养硕士毕业生24人，在读博士3人。此外，课题组也进行多项国际交流和举办一次国际学术会议，进一步推动建筑性能优化生成设计的发展与普及。 2100433B

基于性能的建筑设计生成系统是计算机辅助建筑设计领域新兴研究方向，它试图将计算机生成系统与性能分析结合，由计算机自动进行设计问题求解，辅助建筑师新型的基于性能的设计，推动建筑设计发展创新。 本项目在大力提倡建筑节能减排形势下，研究基于建筑生态性能的方案设计生成方法，开发相应的辅助设计系统，为建筑师提供方法参考和有效工具，推进我国绿色/生态建筑发展，在学术和实践层面均具重要意义。 研究将针对自然通风、自然采光、日照控制、保温、风能太阳能应用等方面建筑性能，分析设计策略和生成策略，再以实验研究探讨计算机生成方法及发生、分析、评价、优化等环节的关键问题，形成基于各单项性能和综合性能的方案设计生成模块的原型。最后通过开发形成以建筑师为主导的辅助设计系统。 项目组前期开展了大量相关研究，本项目的理论研究和部分实验研究已经开展，研究思路、方法和路径已明晰，项目周期内可达成目标。