高性能硅基MEMS热式风速传感器的研究

发布时间：2021-05-20 12:52

　　随着人们对更高生活品质的追求,气象信息的实时监测变得越来越重要。而风速传感器,作为测量风速和风向信息的关键部件,也越来越多地受到了人们的关注。特别是近年来,微电子机械系统（MEMS）技术的飞速发展,使得风速传感器的微型化、集成化和智能化成为了可能,大量基于MEMS技术的风速传感器相继面世。在众多的MEMS风速传感器中,基于热原理的风速传感器因具有无可动部件、对小风速灵敏度较高等优点,成为了MEMS风速传感器研究的主流。本实验室自2000年以来,就开始了MEMS热式风速传感器的研究,已经形成了一套完整的风速传感器系统解决方案。但是,该解决方案虽然可靠性较高,但存在灵敏度较低,功耗较大的问题,较难满足便携式风速传感器的应用需求。因此,本论文在实验室前期研制的风速传感器的基础上,从芯片结构和芯片封装的角度对传感器进行了进一步地研究,提出了一些相应的热式风速传感器性能改进方案,使得MEMS风速传感器具有了更好的性能。本文的主要研究内容和创新包括:（1）提出了利用深反应离子刻蚀（DRIE）技术制造隔热深槽的方法来提高MEMS热式风速传感器的性能。在对热式风传感技术工作原理及其所涉及的基础理论作出... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：115 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 风速和风向的测量
        1.1.1 风速风向测量的意义
        1.1.2 风速风向的测量方法
    1.2 微电子机械系统MEMS
        1.2.1 MEMS的定义和发展
        1.2.2 MEMS的主要特征
    1.3 MEMS热式风速传感器概述
        1.3.1 MEMS热式风速传感器的检测方法
        1.3.2 MEMS热式风速传感器研究进展
        1.3.3 MEMS热式风速传感器的比较
    1.4 本论文的主要研究工作
        1.4.1 前期研究基础
        1.4.2 主要研究工作
第二章 MEMS热式风速传感器的深槽隔热设计
    2.1 MEMS热式风速传感器理论分析
        2.1.1 MEMS热式风速传感器工作原理
        2.1.2 MEMS热式风速传感器对流换热理论
        2.1.3 MEMS热式风速传感器温度场分析
    2.2 基于深槽隔热技术的MEMS热式风速传感器结构设计
        2.2.1 含有深槽隔热设计的MEMS热式风速传感器的提出
        2.2.2 隔热槽形式和尺寸的有限元仿真优化
    2.3 基于深槽隔热设计的MEMS热式风速传感器的制备
        2.3.1 传感器制备材料的选择
        2.3.2 传感器的制备工艺
    2.4 基于深槽隔热设计的MEMS热式风速传感器的封装
    2.5 MEMS热式风速传感器测控系统
        2.5.1 信号处理电路的设计与实现
        2.5.2 软件控制算法的设计与实现
        2.5.3 风洞测试平台的搭建
    2.6 基于深槽隔热设计的MEMS热式风速传感器的测试与分析
        2.6.1 热敏镍电阻的温度特性
        2.6.2 恒电压工作模式下传感器的输出特性
        2.6.3 恒温差工作模式下传感器的输出特性
    2.7 本章小结
第三章 深槽隔热MEMS热式风速传感器的灵敏度提升
    3.1 惠斯通全桥风速传感器结构设计与分析
    3.2 惠斯通全桥风速传感器灵敏度改进仿真验证
    3.3 惠斯通全桥风速传感器的制备与封装
    3.4 惠斯通全桥风速传感器的测试与分析
        3.4.1 热敏镍电阻温度特性
        3.4.2 传感器在不同风速下的输出响应
        3.4.3 传感器在不同风向下的输出响应
        3.4.4 传感器的测量准确度测试
        3.4.5 传感器的重复性测试
    3.5 本章小结
第四章 MEMS热式风速传感器测量准确度提升设计
    4.1 高测量准确度MEMS热式风速传感器结构设计
    4.2 高测量准确度MEMS热式风速传感器仿真验证
    4.3 高测量准确度MEMS热式风速传感器的制备
    4.4 高测量准确度MEMS热式风速传感器的测试与分析
        4.4.1 热敏铂电阻的温度特性测试
        4.4.2 传感器测试系统搭建
        4.4.3 风速响应测试
        4.4.4 风向响应测试
        4.4.5 测量准确度测试
    4.5 本章小结
第五章 高性能MEMS热式风速传感器的封装研究
    5.1 MEMS热式风速传感器陶瓷薄膜封装方案的提出
        5.1.1 MEMS热式风速传感器封装背景
        5.1.2 陶瓷薄膜制备技术
        5.1.3 MEMS热式风速传感器陶瓷薄膜封装设计
    5.2 基于陶瓷薄膜封装的MEMS热式风速传感器性能分析
        5.2.1 陶瓷薄膜封装热式风速传感器温度场分析
        5.2.2 陶瓷薄膜封装热式风速传感器性能仿真验证
    5.3 封装陶瓷薄膜的制备
        5.3.1 陶瓷样品密度测试
        5.3.2 陶瓷样品热膨胀系数和热导率测试
        5.3.3 复合衬底残余应力测试
    5.4 基于陶瓷薄膜封装的MEMS热式风速传感器的制备
    5.5 传感器自封装方案的改进
        5.5.1 传感器自封装改进方案的提出
        5.5.2 传感器自封装改进方案的有限元仿真验证
        5.5.3 传感器自封装改进方案的实施
        5.5.4 传感器自封装改进方案的实验验证
    5.6 基于陶瓷薄膜封装的MEMS热式风速传感器的测试与分析
        5.6.1 热敏镍电阻的温度特性测试
        5.6.2 恒电压模式下陶瓷薄膜风速传感器的风速测量性能
        5.6.3 恒电压模式下陶瓷薄膜风速传感器的风速测量性能
        5.6.4 陶瓷薄膜风速传感器测量准确度测试
    5.7 本章小结
第六章 总结和展望
    6.1 工作总结
    6.2 工作展望
致谢
参考文献
在学期间学术成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化铝陶瓷低温烧结助剂的研究进展[J]. 李悦彤,杨静.  硅酸盐通报. 2011(06)
[2]我国的主要气象灾害及其经济损失[J]. 刘彤,闫天池.  自然灾害学报. 2011(02)
[3]陶瓷薄膜制备技术研究进展[J]. 田永生,陈传忠,王德云,陈丽霞,雷廷权.  材料科学与工艺. 2005(04)
[4]LTCC基板制造及控制技术[J]. 何健锋.  电子工艺技术. 2005(02)
[5]微机电系统（MEMS）技术及发展趋势[J]. 王亚珍,朱文坚.  机械设计与研究. 2004(01)
[6]微电子机械系统中的残余应力问题[J]. 钱劲,刘澂,张大成,赵亚溥.  机械强度. 2001(04)
[7]MEMS技术的现状和发展趋势[J]. 刘光辉,亢春梅.  传感器技术. 2001(01)
[8]微系统集成技术研究的动向[J]. 钟先信,李建蜀,肖沙里,徐涛,朱维安,缪秀娥.  光学精密工程. 1998(04)

博士论文
[1]低功耗MEMS热式风速风向传感器的研究[D]. 朱雁青.东南大学 2016
[2]高性能MEMS风速风向传感器环境效应研究[D]. 陈蓓.东南大学 2016
[3]LTCC厚膜的受约束烧结致密化行为及连续介质力学理论模拟[D]. 齐世顺.合肥工业大学 2015

硕士论文
[1]玻璃/陶瓷系低温共烧材料研究[D]. 温琳.华中科技大学 2007
[2]CMOS集成二维风速传感器的研究[D]. 朱昊.东南大学 2004



本文编号：3197787