基于硅芯片的热风速计系统研究

摘要

气象监测对于人们的日常生活、工业生产、航空航天等都具有重要的意义。风速和风向作为两项基本的气象信息，是环境监测中必不可少的气象要素。传统的风速风向测试方法大多为机械式，比如常见的风杯式风速计、风向标等。随着MEMS技术的快速发展，利用此技术制备的传感器具有很多突出优点，如体积小、精度高、量程大、可靠性高、智能化、成本低等。本文研究的风速风向传感器是基于硅芯片的热式风速计，本实验室已经对热式风速传感器做了长期的研究，为了实现产品化的目标，本文对传感器封装、系统软件算法以及标定测试方法做了深入的研究，工作内容包括以下几个方面:
　　1)在介绍热式风速计主要工作原理的基础上，对本实验开发的热式风速风向传感器芯片结构和制备工艺进行了分析和总结。传感器芯片采用了正方形对称分布形式，并在华润上华完成芯片加工。
　　2)为了满足传感器对风场的特殊要求，本文对传感器的封装进行了改进，首先使用有限元分析软件ANSYS-CFD进行流固耦合仿真，主要开展了外壳结构对风场影响的仿真，以确定合适的外壳尺寸;为了减少芯片的热量损失并提高稳定性，本文提出了陶瓷基板封装和热沉金属块封装设计。上述仿真和设计为后续的标准化制造奠定了基础。
　　3)传感器采用标准化小批量制造，本文对同批次传感器进行了严格的标定和测试，标定中使用了非线性拟合、线性插值和扫描算法相结合的软件算法。为了全面了解批次加工传感器的性能，本文除了量程测试、精度测试、温度测试和对称性测试外，还对10套同批次传感器进行了一致性测试和分析。
　　最后，本文对传感器的测试结果做了总结，测试结果表明，在低风速下（低于15m/s）传感器的精度在0.5m/s以内，高风速时在5％以内，角度偏差在5°以内。但是传感器的对称性和一致性还存在一些问题，而且系统存在一定的温漂现象，这些问题将是下一步研究工作的重点。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 国内外热风速风向传感器的最新进展

1．3 本论文的主要研究工作

1．3．1 目前课题中存在的问题

1．3．2 系统性能指标

1．4 论文内容纲要

第二章 风速风向传感器工作原理

2．1 MEMS热式风速风向计传感器工作原理概述

2．1．1 热式风速风向传感器控制原理

2．1．2 热式风速风向传感器的检测原理

2．2．2 热脉冲检测原理

2．2．3 热温差检测原理

2．2 传感器芯片结构设计

2．2．1 基于热敏电阻的桥式结构芯片设计

2．2．2 基于热电偶结构的芯片设计

2．2．3 芯片加工工艺及版图设计

2．3 本章小结

第三章 硅热风速传感器系统的封装设计

3．1 MEMS封装技术概述

3．2 芯片级封装

3．2．1 陶瓷基板封装及仿真

3．2．2 引线键合

3．3 金属台封装及其测试

3．4 系统外壳设计

3．4．1 外壳部分设计解析

3．4．2 外壳ANSYS CFD仿真

3．5 本章小结

第四章 硅热风速风向传感器系统与测试分析

4．1 传感器系统的软硬件

4．1．1 传感器工作电路

4．1．2 传感器硬件系统

4．1．2 传感器的软件系统

4．2 传感器测试与分析

4．2．1 测试系统和测试环境

4．2．2 传感器的主要性能指标测试

4．2．3 批次传感器的一致性测试

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 测试结果总结

5．3 进一步的工作展望

致谢

参考文献

作者简介

作者攻读硕士期间发表的论文及专利