MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其系統(tǒng)研究.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)作為目前最為先進(jìn)的制造技術(shù)之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、航空航天和消費(fèi)類電子等相關(guān)領(lǐng)域。近年來，隨著氣象系統(tǒng)的發(fā)展和氣象檢測(cè)器件的不斷進(jìn)步，越來越多的氣象傳感器，如：溫度、濕度、大氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、露點(diǎn)、太陽輻照等，已經(jīng)開始采用MEMS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工。基于MEMS技術(shù)研制的微氣象傳感器具備低功耗、小型化、批量化、低成本等優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)室在2000年就提出了“芯片上的氣象站(WeatherStationon

2、Chip，WSC)”的先進(jìn)理念。風(fēng)速計(jì)是MEMS氣象系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，本論文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和MEMS工藝，以優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)，提高傳感器性能和一致性為目的，重點(diǎn)對(duì)風(fēng)速計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片封裝、標(biāo)準(zhǔn)化制備及其測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。本論文主要工作內(nèi)容如下：
　　(1)本文在前期研究的基礎(chǔ)上提出了一種基于CMOS-MEMS制備模式的風(fēng)速風(fēng)向傳感器。首先，傳感器結(jié)構(gòu)利用ANSYS-CFX軟件進(jìn)行熱流固耦合仿真，驗(yàn)證了傳感器芯片的熱一流體

3、特性。該傳感器的熱敏感芯片利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝加工完成，最大程度上保證了芯片中關(guān)鍵元件的精度和可靠性，使其性能一致性能夠保證在98％以上。MEMS工藝用于在芯片中制備熱隔離槽并對(duì)芯片襯底進(jìn)行減薄，以便能夠提高芯片的縱向熱傳導(dǎo)，從而有利于降低芯片功耗和響應(yīng)時(shí)間，并提高芯片的靈敏度。通過測(cè)試，制備了150μm深熱隔離槽的芯片較無熱隔離槽的芯片能夠降低約31％的熱功耗和減小約35％的響應(yīng)時(shí)間。恒溫差模式下，該傳感器能夠達(dá)到40m/s以上的測(cè)試

4、范圍，全量程能夠保證測(cè)量誤差小于±3％，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速計(jì)高一致性、批量化、低成本生產(chǎn)的目的。
　　(2)在保證標(biāo)準(zhǔn)化制備工藝的前提下，為了更進(jìn)一步提升傳感器的性能(低功耗、高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間)，本文發(fā)明了一種基于金金鍵合工藝的圓片級(jí)封裝風(fēng)速計(jì)。該芯片制備采用了標(biāo)準(zhǔn)化工藝(IC工藝)與MEMS工藝相結(jié)合的方式。首先，該傳感器利用標(biāo)準(zhǔn)IC工藝制備風(fēng)速計(jì)的最關(guān)鍵部分-熱敏感芯片，其次在熱敏感芯片和陶瓷封裝基板上制備金凸點(diǎn)，然后利用金金鍵

5、合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳感器的圓片級(jí)封裝。其中，金凸點(diǎn)通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了熱敏感芯片與封裝基板之間的電連接和熱連接。芯片襯底利用濕法腐蝕工藝進(jìn)行減薄，提高了芯片性能并解決了封裝中的電引出問題。此款風(fēng)速計(jì)最大的優(yōu)勢(shì)在于優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了傳感器的圓片級(jí)封裝，保證了封裝一致性，并降低了封裝成本。通過測(cè)試，該風(fēng)速計(jì)能夠在極低啟動(dòng)功耗(<2mW)下實(shí)現(xiàn)較大的測(cè)試范圍(0.5m/s～40m/s)，并全量程保持了較高的靈敏度(>2.37mW/

6、ms-1)。經(jīng)過校準(zhǔn)，該傳感器輸出能夠?qū)崿F(xiàn)的風(fēng)速和風(fēng)向全量程測(cè)試誤差分別為±4％和±2°。
　　(3)為了提升傳感器測(cè)控系統(tǒng)的能力，本文提出了一種具有溫度自平衡功能的風(fēng)速計(jì)測(cè)控系統(tǒng)。該模式的傳感器芯片包含有4個(gè)恒溫差(CTD)模塊，各模塊相互獨(dú)立，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身的加熱功率使各CTD模塊所在芯片區(qū)域的過熱溫度恒高于環(huán)境流體溫度一個(gè)定值，從而實(shí)現(xiàn)芯片上下游溫度自動(dòng)平衡控制。該控制模式最大的特點(diǎn)是結(jié)合了恒溫差和熱溫差兩種模式的優(yōu)點(diǎn)，并