低功耗MEMS熱式風(fēng)速傳感器的研究.pdf

1、近年來(lái)人們?cè)跓崾斤L(fēng)速傳感器的研究和發(fā)展方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，其產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象測(cè)試、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)以及居室、溫室環(huán)境控制等諸多領(lǐng)域。在熱式風(fēng)速傳感器問(wèn)世以前，人們主要依靠機(jī)械類(lèi)的傳感部件來(lái)測(cè)量風(fēng)速。而當(dāng)熱式風(fēng)速傳感器的制作技術(shù)與現(xiàn)行的集成電路制作技術(shù)相兼容時(shí)，不僅可以降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)成批量地生產(chǎn)，還可以將信號(hào)處理電路和熱式風(fēng)速傳感器制作在同一芯片上，從而就能生產(chǎn)出集成智能型熱式風(fēng)速傳感器。
　　

2、本文提出了一種基于硅通孔技術(shù)的低功耗MEMS熱式風(fēng)速傳感器，其中低熱導(dǎo)率材料玻璃作為傳感器的襯底，硅通孔作為導(dǎo)電通路。本文設(shè)計(jì)的傳感器具有封裝簡(jiǎn)單、熱隔離效果好、可低功耗工作等優(yōu)點(diǎn)，能在低于250mW的系統(tǒng)功耗下達(dá)到30m/s的風(fēng)速量程，且精度滿(mǎn)足±(0.5m/s+5％*W)。具體內(nèi)容如下:
　　首先，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外在降低MEMS熱式風(fēng)速傳感器功耗方面的研究進(jìn)行了分析，概述了降低功耗的三種方法:一是優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu);二是選擇低熱導(dǎo)率

3、的襯底材料和高性能的溫度敏感材料;三是改進(jìn)傳感器的控制模式和電路。本文結(jié)合了第二種和第三種方法來(lái)降低系統(tǒng)功耗。通過(guò)仿真優(yōu)化傳感器的尺寸，將傳感器制造在玻璃基板的正面，傳感器的敏感結(jié)構(gòu)通過(guò)硅通孔實(shí)現(xiàn)到信號(hào)處理電路的電連接，這樣可以減小傳感器由于熱傳導(dǎo)而損失的熱量，提高傳感器的靈敏度，簡(jiǎn)化了封裝工藝，提高傳感器電連接的可靠性。
　　其次，對(duì)基于硅襯底和陶瓷襯底傳感器的硬件控制電路進(jìn)行了功耗分析，確定硬件控制電路的簡(jiǎn)化方案。以新設(shè)計(jì)的低

4、功耗傳感器為對(duì)象，分別設(shè)計(jì)了CP模式和CTD模式下的硬件控制電路，并分析其功耗與性能的關(guān)系。CP模式下的傳感器加熱功耗為11.52mW，硬件電路功耗為153mW。CTD模式下傳感器加熱功耗為101.56mW～148.73mW，硬件電路功耗為92.85mW。
　　最后，對(duì)傳感器樣品進(jìn)行了功耗和量程、穩(wěn)定性等性能的測(cè)試，并對(duì)兩種模式下的功耗和性能進(jìn)行了對(duì)比。CP模式下的傳感器功耗較低且穩(wěn)定，但靈敏度較低，且有嚴(yán)重的溫漂現(xiàn)象;CTD模式