熱風速風向傳感器集成與封裝技術研究.pdf

1、氣象檢測與人們的日常生活密切相關，在環(huán)境檢測、航天探空等諸多領域都起著至關重要的作用。目前，氣象測量領域主要的核心技術依然為國外少數公司所壟斷，因此研制出具有自主知識產權的MEMS微傳感器為核心元器件的自動氣象站，對打破國外壟斷，提高我國氣象儀器研制水平具有重大的意義。采用MEMS技術的熱風速風向傳感器可以同時測量風速和風向，具有高可靠性和低成本，可以替代傳統(tǒng)的風杯與風向標。本論文以設計出一種性能優(yōu)良，結構可靠的風速風向測量系統(tǒng)為導向，

2、提出了包括風速風向傳感器的設計，模擬驗證，制備，封裝和補償等解決方案，并實現了與測量電路的系統(tǒng)集成。 本文首先在前期研究工作基礎上，研究了一種采用熱損失原理的CMOS風速傳感器，并介紹了其封裝和恒溫差控制系統(tǒng)。本文提出了熱風速傳感器系統(tǒng)級模型，解決了風速傳感器系統(tǒng)中熱、電和流體多能域耦合分析的難點。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)級模

3、型在SPICE下進行仿真。在恒功率工作模式下，對系統(tǒng)級仿真結果利用有限元模擬進行了驗證。在恒溫差工作模式下，對熱損失工作原理的風速傳感器在風洞中進行了試驗，測試結果與系統(tǒng)級仿真基本一致，誤差不超過8％。 通過對傳感器工作原理的深入分析，本文提出了低熱導率襯底上實現高靈敏度的熱溫差型風速傳感器。為了提高風向測量的精度，本文提出了一種圓形結構的熱風速風向傳感器，其中央為加熱電阻，四周為測溫鉑電阻。利用ANSYS建立了有限元模型，并對

4、不同風速風向條件下的傳感器輸出進行了模擬和對比分析。該MEMS風速風向傳感器分別在Pyrex7740玻璃和陶瓷襯底上利用剝離工藝進行了制備。對正面引線封裝的傳感器，在恒功率工作模式下進行了測試。經過校準后，該傳感器的風速測量范圍為0～10m/s，精度為0．5m/s，風向測量精度為1°。該傳感器可用于風速量程要求低，低功耗的手持式氣象儀中。 為了提高熱溫差測量風速的量程和靈敏度，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溫

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

6、測量風速和風向。由于微控制器集成了溫度傳感器，可以用于溫度補償和校準。傳感器系統(tǒng)最終可以利用I2C總線實現風速和風向的數字輸出。該風速風向測量系統(tǒng)在風洞中進行了實際測量，結果表明該傳感器風速測量量程為60m/s，誤差不超過3％，風向測量精度為3°，滿足了氣象應用的要求。 在不增加額外檢測元件的情況下，本文設計出了一種具有自檢測功能的二維風速風向傳感器，進而實現氣象微系統(tǒng)的數字化，智能化。該傳感器采用加熱電阻十字架結構形狀，可以在