熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器集成與封裝技術(shù)研究.pdf

1、氣象檢測(cè)與人們的日常生活密切相關(guān)，在環(huán)境檢測(cè)、航天探空等諸多領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用。目前，氣象測(cè)量領(lǐng)域主要的核心技術(shù)依然為國(guó)外少數(shù)公司所壟斷，因此研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MEMS微傳感器為核心元器件的自動(dòng)氣象站，對(duì)打破國(guó)外壟斷，提高我國(guó)氣象儀器研制水平具有重大的意義。采用MEMS技術(shù)的熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器可以同時(shí)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，具有高可靠性和低成本，可以替代傳統(tǒng)的風(fēng)杯與風(fēng)向標(biāo)。本論文以設(shè)計(jì)出一種性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)可靠的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)為導(dǎo)向，

2、提出了包括風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)，模擬驗(yàn)證，制備，封裝和補(bǔ)償?shù)冉鉀Q方案，并實(shí)現(xiàn)了與測(cè)量電路的系統(tǒng)集成。 本文首先在前期研究工作基礎(chǔ)上，研究了一種采用熱損失原理的CMOS風(fēng)速傳感器，并介紹了其封裝和恒溫差控制系統(tǒng)。本文提出了熱風(fēng)速傳感器系統(tǒng)級(jí)模型，解決了風(fēng)速傳感器系統(tǒng)中熱、電和流體多能域耦合分析的難點(diǎn)。由于該模型采用模塊化、功能化的思想，使得熱損失型和熱溫差型兩種類(lèi)型的傳感器，在恒溫差和恒功率兩種控制方式下的輸出均可以利用該系統(tǒng)級(jí)模

3、型在SPICE下進(jìn)行仿真。在恒功率工作模式下，對(duì)系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)果利用有限元模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。在恒溫差工作模式下，對(duì)熱損失工作原理的風(fēng)速傳感器在風(fēng)洞中進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)級(jí)仿真基本一致，誤差不超過(guò)8％。 通過(guò)對(duì)傳感器工作原理的深入分析，本文提出了低熱導(dǎo)率襯底上實(shí)現(xiàn)高靈敏度的熱溫差型風(fēng)速傳感器。為了提高風(fēng)向測(cè)量的精度，本文提出了一種圓形結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其中央為加熱電阻，四周為測(cè)溫鉑電阻。利用ANSYS建立了有限元模型，并對(duì)

4、不同風(fēng)速風(fēng)向條件下的傳感器輸出進(jìn)行了模擬和對(duì)比分析。該MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器分別在Pyrex7740玻璃和陶瓷襯底上利用剝離工藝進(jìn)行了制備。對(duì)正面引線(xiàn)封裝的傳感器，在恒功率工作模式下進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，該傳感器的風(fēng)速測(cè)量范圍為0～10m/s，精度為0．5m/s，風(fēng)向測(cè)量精度為1°。該傳感器可用于風(fēng)速量程要求低，低功耗的手持式氣象儀中。 為了提高熱溫差測(cè)量風(fēng)速的量程和靈敏度，本文提出了在距離加熱電阻不同距離的位置集成了兩組測(cè)溫

5、電阻，并將兩組惠斯通半橋反向相接，形成全橋電路進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)量。這樣設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)輸出為半橋結(jié)構(gòu)的近2倍，還可對(duì)傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了解決熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器封裝這一難點(diǎn)，本文提出了將陶瓷襯底的風(fēng)速風(fēng)向傳感器倒扣在封裝基板上，利用芯片背面進(jìn)行感風(fēng)，并設(shè)計(jì)了芯片直接安裝封裝和倒裝到板封裝兩種封裝形式。最終的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)利用微控制器集成的DA電流實(shí)現(xiàn)風(fēng)速傳感器的在線(xiàn)式恒溫差控制，并利用熱溫差和熱損失工作原理同時(shí)

6、測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。由于微控制器集成了溫度傳感器，可以用于溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)。傳感器系統(tǒng)最終可以利用I2C總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向的數(shù)字輸出。該風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)在風(fēng)洞中進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，結(jié)果表明該傳感器風(fēng)速測(cè)量量程為60m/s，誤差不超過(guò)3％，風(fēng)向測(cè)量精度為3°，滿(mǎn)足了氣象應(yīng)用的要求。 在不增加額外檢測(cè)元件的情況下，本文設(shè)計(jì)出了一種具有自檢測(cè)功能的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣象微系統(tǒng)的數(shù)字化，智能化。該傳感器采用加熱電阻十字架結(jié)構(gòu)形狀，可以在