低功耗MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的研究.pdf

1、風(fēng)速風(fēng)向的準(zhǔn)確測量對社會生產(chǎn)生活的多個方面都有非常重要的作用。因此，風(fēng)速風(fēng)向傳感器廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、裝備制造、能源利用和天氣預(yù)測等各個領(lǐng)域。近年來，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，各種新型的MEMS風(fēng)速傳感器不斷涌現(xiàn)，風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)也逐漸趨向于微型化、集成化、智能化。其中，MEMS熱式風(fēng)速傳感器因具有無可動結(jié)構(gòu)、初始靈敏度高、成本低等優(yōu)點而得到了廣泛的關(guān)注。但是另一方面，因為需要將芯片加熱到高于環(huán)境溫度，熱式風(fēng)速傳

2、感器的功耗一直較高，限制了其在移動式氣象測量設(shè)備等低功耗場合的應(yīng)用。因此，本文以設(shè)計出一種功耗較低，性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)牢固的MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器為目標(biāo)，對熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的理論模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝、芯片封裝等多個方面進(jìn)行了深入研究，主要工作包括:
　　(1)提出了一種新型背面感風(fēng)方式的低功耗MEMS熱溫差型風(fēng)速風(fēng)向傳感器。該傳感器采用硅-玻璃混合基底作為傳感器的襯底，傳感器的加熱元件和測溫元件通過嵌入在玻璃中高熱導(dǎo)率硅通孔

3、實現(xiàn)與外界流體的熱交換，而加熱元件和測溫之間通過低熱導(dǎo)率的玻璃實現(xiàn)熱隔離，從而提高了傳感器的靈敏度和降低了傳感器的功耗。傳感器的制備基于玻璃熱回流工藝和金屬剝離工藝，整個工藝流程簡單可靠。傳感器采用自封裝結(jié)構(gòu)，有效地提高了傳感器的可靠性，降低了器件的封裝成本。利用測試系統(tǒng)對風(fēng)速傳感器的性能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，在總功耗為24.5 mW的條件下，傳感器的風(fēng)速測試量程為0-25 m/s，5m/s時的靈敏度約為7.2 mV/(m/s)，低

4、風(fēng)速條件下的測量誤差約為0.1 m/s，高風(fēng)速條件下的誤差約為0.5 m/s;傳感器的風(fēng)向測試量程為0-360°，最大風(fēng)向誤差小于6°。
　　(2)研究了封裝誤差對使用不同形狀加熱結(jié)構(gòu)的MEMS熱式風(fēng)速傳感器輸出性能的影響。實驗結(jié)果表明，封裝誤差對傳感器輸出信號的影響主要表現(xiàn)在輸出電壓幅度的偏移以及風(fēng)向角的相移。由于封裝誤差引入的熱不對稱性，在實際測試中，風(fēng)速測量精度會隨風(fēng)向的改變而變化，而測試得到的風(fēng)向值與實際風(fēng)向值也會偏離線性

5、變化關(guān)系。在不同的加熱結(jié)構(gòu)中，使用環(huán)狀加熱結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感器在測試過程中受封裝誤差的影響最小。在0-30 m/s的范圍內(nèi)，環(huán)狀加熱結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感器的輸出電壓隨風(fēng)向改變的均方根誤差只有5 mV左右，風(fēng)向測量誤差平均值在4°左右。
　　(3)提出了一種改進(jìn)低功耗MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器靈敏度的后端加工工藝。在工藝完成后，傳感器的襯底厚度變薄，通過襯底橫向熱傳導(dǎo)損耗的熱量減少;與此同時，玻璃襯底中的硅通孔突出襯底表面，使得傳感器與流體之

6、間的熱對流效應(yīng)增強(qiáng);兩者的疊加最終顯著提高了傳感器的靈敏度。測試結(jié)果顯示，與腐蝕前的傳感器相比，經(jīng)過7min和14 min的濕法腐蝕后，傳感器的靈敏度得到了顯著改進(jìn)，分別提高了27.7％和112.5％。研究還發(fā)現(xiàn)，提高傳感器的靈敏度可以使得傳感器在高風(fēng)速下獲得更好的風(fēng)速測量準(zhǔn)確度，但是對傳感器的風(fēng)向測量準(zhǔn)確度幾乎沒有影響;傳感器的風(fēng)向測量準(zhǔn)確度主要由傳感器芯片的結(jié)構(gòu)對稱性和熱對稱性決定。
　　(4)開發(fā)了一種針對正面感風(fēng)方式的低功

7、耗MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的新型封裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使用嵌入在玻璃中的低阻硅通孔實現(xiàn)傳感器和測試電路間的電通路，提高了傳感器電信號引出的可靠性，且為傳感器與電路芯片之間的三維異質(zhì)集成提供了可能。成功完成了傳感器的工藝制備和封裝測試。測試結(jié)果顯示，在總功耗為14.5 mW的條件下，傳感器的風(fēng)速測試量程為0-33 m/s，5m/s時的靈敏度約為20.2 mV/(m/s)，低風(fēng)速條件下的測量誤差小于0.5 m/s，高風(fēng)速條件下的誤差小于5％FS

8、(Full-scale range);傳感器的風(fēng)向測試量程為0-360°，最大風(fēng)向誤差小于5°，平均風(fēng)向誤差約為2°。
　　(5)研究了環(huán)境溫度對MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的輸出信號的影響。首先建立了正面感風(fēng)MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其封裝結(jié)構(gòu)的解析模型，該模型提供了風(fēng)速傳感器的輸出信號與傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性以及加熱功率之間的量化關(guān)系。接著測試了封裝后的風(fēng)速傳感器在不同溫度條件下的電壓輸出。實驗結(jié)果表明，風(fēng)速傳感器的電壓輸出

9、信號隨溫度的升高而降低，低風(fēng)速條件下的下降絕對值較小，高風(fēng)速條件下的下降絕對值較大，但是高低風(fēng)速下電壓下降值的相對比例一致，溫度每上升1K，傳感器的輸出電壓下降幅度約為0.75％?；诮⒌膫鞲衅鹘馕瞿Ｐ秃陀邢拊抡?，最終發(fā)現(xiàn)傳感器輸出信號的溫度漂移主要是由空氣的熱屬性參數(shù)、傳感器襯底的熱導(dǎo)率以及封裝結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率隨溫度的變化引起。
　　本論文以實現(xiàn)MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化制備、高結(jié)構(gòu)可靠性和低功耗為目標(biāo)，著重于對熱式風(fēng)速