低功耗MEMS热式风速风向传感器的研究

发布时间：2018-05-15 11:50

本文选题：MEMS + 热式风速传感器　；参考：《东南大学》2016年博士论文

【摘要】：风速风向的准确测量对社会生产生活的多个方面都有非常重要的作用。因此,风速风向传感器广泛应用于农业生产、交通运输、装备制造、能源利用和天气预测等各个领域。近年来,随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,各种新型的MEMS风速传感器不断涌现,风速传感器结构也逐渐趋向于微型化、集成化、智能化。其中,MEMS热式风速传感器因具有无可动结构、初始灵敏度高、成本低等优点而得到了广泛的关注。但是另一方面,因为需要将芯片加热到高于环境温度,热式风速传感器的功耗一直较高,限制了其在移动式气象测量设备等低功耗场合的应用。因此,本文以设计出一种功耗较低,性能优良,结构牢固的MEMS热式风速风向传感器为目标,对热式风速风向传感器的理论模型、结构设计、制备工艺、芯片封装等多个方面进行了深入研究,主要工作包括:(1)提出了一种新型背面感风方式的低功耗MEMS热温差型风速风向传感器。该传感器采用硅-玻璃混合基底作为传感器的衬底,传感器的加热元件和测温元件通过嵌入在玻璃中高热导率硅通孔实现与外界流体的热交换,而加热元件和测温之间通过低热导率的玻璃实现热隔离,从而提高了传感器的灵敏度和降低了传感器的功耗。传感器的制备基于玻璃热回流工艺和金属剥离工艺,整个工艺流程简单可靠。传感器采用自封装结构,有效地提高了传感器的可靠性,降低了器件的封装成本。利用测试系统对风速传感器的性能进行了测试。测试结果表明,在总功耗为24.5 mW的条件下,传感器的风速测试量程为0-25 m/s,5 m/s时的灵敏度约为7.2 mV/(m/s),低风速条件下的测量误差约为0.1 m/s,高风速条件下的误差约为0.5 m/s;传感器的风向测试量程为0-360°,最大风向误差小于6°。(2)研究了封装误差对使用不同形状加热结构的MEMS热式风速传感器输出性能的影响。实验结果表明,封装误差对传感器输出信号的影响主要表现在输出电压幅度的偏移以及风向角的相移。由于封装误差引入的热不对称性,在实际测试中,风速测量精度会随风向的改变而变化,而测试得到的风向值与实际风向值也会偏离线性变化关系。在不同的加热结构中,使用环状加热结构的风速传感器在测试过程中受封装误差的影响最小。在0-30 m/s的范围内,环状加热结构的风速传感器的输出电压随风向改变的均方根误差只有5 mV左右,风向测量误差平均值在4°左右。(3)提出了一种改进低功耗MEMS热式风速风向传感器灵敏度的后端加工工艺。在工艺完成后,传感器的衬底厚度变薄,通过衬底横向热传导损耗的热量减少;与此同时,玻璃衬底中的硅通孔突出衬底表面,使得传感器与流体之间的热对流效应增强;两者的叠加最终显著提高了传感器的灵敏度。测试结果显示,与腐蚀前的传感器相比,经过7 min和14 min的湿法腐蚀后,传感器的灵敏度得到了显著改进,分别提高了 27.7%和112.5%。研究还发现,提高传感器的灵敏度可以使得传感器在高风速下获得更好的风速测量准确度,但是对传感器的风向测量准确度几乎没有影响;传感器的风向测量准确度主要由传感器芯片的结构对称性和热对称性决定。(4)开发了一种针对正面感风方式的低功耗MEMS热式风速风向传感器的新型封装结构。该结构使用嵌入在玻璃中的低阻硅通孔实现传感器和测试电路间的电通路,提高了传感器电信号引出的可靠性,且为传感器与电路芯片之间的三维异质集成提供了可能。成功完成了传感器的工艺制备和封装测试。测试结果显示,在总功耗为14.5 mW的条件下,传感器的风速测试量程为0-33m/s.,5m/s时的灵敏度约为20.2mV/(m/s),低风速条件下的测量误差小于0.5 m/s,高风速条件下的误差小于5%FS(Full-scale range);传感器的风向测试量程为0-360°,最大风向误差小于5°,平均风向误差约为2°。(5)研究了环境温度对MEMS热式风速风向传感器的输出信号的影响。首先建立了正面感风MEMS热式风速风向传感器及其封装结构的解析模型,该模型提供了风速传感器的输出信号与传感器结构参数、材料属性以及加热功率之间的量化关系。接着测试了封装后的风速传感器在不同温度条件下的电压输出。实验结果表明,风速传感器的电压输出信号随温度的升高而降低,低风速条件下的下降绝对值较小,高风速条件下的下降绝对值较大,但是高低风速下电压下降值的相对比例一致,温度每上升1K,传感器的输出电压下降幅度约为0.75%。基于建立的传感器解析模型和有限元仿真,最终发现传感器输出信号的温度漂移主要是由空气的热属性参数、传感器衬底的热导率以及封装结构的热导率随温度的变化引起。本论文以实现MEMS热式风速风向传感器的标准化制备、高结构可靠性和低功耗为目标,着重于对热式风速风向传感器的设计理论、结构优化、工艺制备和芯片封装等4个方面进行了研究和改进,设计的传感器具备芯片可靠性高,功耗低,测试精度好和测试范围大等特点,适合于移动气象监测设备等低功耗应用场合的指标要求。
[Abstract]:In recent years , with the development of microelectronic mechanical system ( MEMS ) technology , various new MEMS wind speed sensors have been widely used in various fields such as agricultural production , transportation , equipment manufacturing , energy utilization and weather forecasting . ( 2 ) The influence of package error on the output performance of MEMS thermal wind speed sensor using different shape heating structures is studied . The experimental results show that the sensitivity of the sensor is less than 5 mV . ( 5 ) The influence of ambient temperature on the output signal of MEMS thermal wind speed wind direction sensor is studied .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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