基于陶瓷芯片的热风速传感器研究

摘要

在气象信息的检测、生活环境的监测和自然灾害的预防中，风速风向信息具有重要的作用。相比于传统的风速风向传感器，热风速风向传感器以其体积小、稳定性高、便于携带和精度高等优点在风速风向传感器市场中具有不可替代的地位。
　　本文主要针对低热导率陶瓷衬底热风速风向传感器进行研究，主要内容如下:首先，本文对不同尺寸的热风速风向传感器系统封装结构进行讨论，利用CFX对计算流体力学(CFD)模型进行流场模拟，结合模拟结果讨论传感器表面的流场情况，为热风速风向传感器的系统封装设计提供合理的设计参考尺寸。综合考虑传感器的灵敏度与稳定性，通过仿真结果可以得到系统封装结构的尺寸设计参数为:传感器系统封装上下底座的直径可以设计在60mm～120mm之间，传感器封装的直径可以设计在55mm～77mm之间，传感器距离下底座的距离可以设计在5.5mm～8.5mm之间。
　　第二，结合陶瓷芯片的DCA封装工艺和硅芯片贴陶瓷的封装工艺，提出了基于改进型直接芯片安装(DCA)的陶瓷热风速风向传感器，并利用相应的计算流体力学(CFD)模拟对陶瓷芯片的改进型DCA封装结构进行优化设计。本文同时对陶瓷热风速风向传感器恒温差(CTD)控制电路进行了改进，传感器采用热温差检测模式和相位扫描算法。改进型DCA的优化之处为:在改进型DCA封装结构的边缘设计了流线型的过渡结构，将传感器芯片的封装结构的直径设计为55mm，陶瓷芯片的直径设计为20mm。
　　第三，陶瓷热风速风向传感器的测试以及相关测试数据的分析。针对陶瓷芯片热风速风向传感器的测试数据所反映出的问题进行理论分析，并利用CFD模拟对分析结果进行验证，最后将陶瓷热风速风向传感器测试数据在Matlab中进行拟合。通过理论和CFD模拟分析，检测电桥中电阻的差异导致传感器出现零点漂移并且使得输出电压不仅取决于芯片表面上下游温差值，还受表面温度分布的影响;另外加热电阻差异和芯片划片误差都会使得传感器的输出零点出现偏离，芯片划片误差会使得传感器在不同风向下输出电压的对称性受到影响。通过Matlab的拟合数据可知传感器在WE和NS方向上输出电压幅值的灵敏度分别为0.1003V/(m/s)0.5和0.1036V/(m/s)0.5。从测试结果来看陶瓷热风速风向传感器在灵敏度和功耗方面性能优于硅芯片热风速风向传感器，陶瓷热风速传感器的角度测量误差基本在5°以内，单一方向上的测量误差在0.5m/s左右。
　　本文着重对陶瓷热风速风向传感器系统设计进行了讨论，并对传感器的测试数据进行了分析和讨论，指出目前陶瓷芯片热风速风向传感器设计中存在的问题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 热风速风向传感器研究现状

1．2．1 国外经典的硅热风速风向传感器简述

1．2．2 低热导率衬底的热风速传感器国内外研究现状

1．3 热风速风向传感器工作原理

1．3．1 热风速风向传感器控制模式

1．3．2 热风速风向传感器检测模式

1．4 目前存在的问题

1．5 本课题的任务

1．6 本章小结

第二章 热风速风向传感器系统封装结构与CFX模拟分析

2．1 二维热风速风向传感器的系统封装模型

2．2 系统封装结构中底座的影响

2．2．1 上底座对传感器表面风场的影响

2．2．2 系统封装中不同底座尺寸的影响

2．3 不同尺寸的传感器封装结构的影响

2．4 传感器流体通道的宽度的影响

2．5 不同柱子数量的影响

2．6 本章小结

第三章 基于改进型DCA封装的陶瓷热风速风向传感器设计

3．1 基于低热导率衬底的热风速风向传感器的特点

3．2 陶瓷芯片结构的设计与加工

3．3 改进型DCA封装设计

3．3．1 改进型DCA封装结构

3．3．2 改进型DCA封装结构CFD模拟与优化设计

3．4 陶瓷热风速传感器恒温差(CTD)控制电路

3．5 陶瓷热风速传感器检测电路

3．6 陶瓷热风速传感器软件算法以及系统实现

3．7 本章小结

第四章 陶瓷热风速风向传感器系统的测试与数据分析

4．1 风速风向传感器标定测试系统

4．2 陶瓷热风速风向传感器组装与测试

4．3 陶瓷热风速风向传感器测试数据分析

4．3．1 检测桥路电阻差异对传感器输出的影响

4．3．2 不同方向上的加热电阻差异对传感器输出的影响

4．3．3 传感器芯片划片误差对传感器输出的影响

4．4 CFD模拟验证

4．4．1 同一芯片中加热电阻存在差异的传感器结构CFD模拟

4．4．2 存在划片误差的传感器结构的CFD模拟

4．5 陶瓷热风速传感器测试数据的Matlab参数拟合与分析

4．6 陶瓷芯片热风速风向传感器的性能测试

4．7 存在问题与改进

4．8 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

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