本文選題：MEMS + 熱式風(fēng)速傳感器�。� 參考：《東南大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：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(yùn)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(diǎn)而得到了廣泛的關(guān)注。但是另一方面,因?yàn)樾枰獙⑿酒訜岬礁哂诃h(huán)境溫度,熱式風(fēng)速傳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(jì)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(jì)、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)率硅通孔實(shí)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(shí)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,5 m/s時的靈敏度約為7.2 mV/(m/s),低風(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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)際風(fēng)向值也會偏離線性變化關(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7 min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(shí)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0-33m/s.,5m/s時的靈敏度約為20.2mV/(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(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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,風(fēng)速傳感器的電壓輸出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%。基于建立的傳感器解析模型和有限元仿真,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(shí)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)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)理論、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝制備和芯片封裝等4個方面進(jìn)行了研究和改進(jìn),設(shè)計(jì)的傳感器具備芯片可靠性高,功耗低,測試精度好和測試范圍大等特點(diǎn),適合于移動氣象監(jiān)測設(shè)備等低功耗應(yīng)用場合的指標(biāo)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 .

【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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本文編號：1892350