MEMS热式风速风向传感器结构设计及性能仿真

摘要

为了与自然界和谐相处，人们需要对环境变化有一个精确地预知能力，所以现在许多气象、环境监测设施应运而生，风速风向信息作为其中的一个分支备受关注。采用MEMS技术的热式风速计在成本、精度和可靠性方面都得到日趋完善的发展。由各MEMS气象监测器件组成的便携式移动气象站也可以使气象监测越发的智能化。本论文的主要工作是提出了具备热隔离槽结构的基于CMOS工艺的风速计结构方案，论文主要包括芯片的结构设计，ANSYS模拟验证及性能测试三大块。
　　本文首先总结了目前热式风速风向传感器的结构设计现状，并针对各自存在的优缺点进行了分析；在对热式风速计工作原理总结的基础上，根据相关热学原理分析传感器芯片内部的热平衡分布机制；接着，论文通过仿真以及器件实测确立中心四加热结构具有更高的一致性。然后，就基底材料的热性能进行系统的模拟仿真，通过仿真，明确了中心温度，上下游温差等重要的热参数对器件设计的重要性。得到硅基材料的热性能缺陷后，论文提出硅基热隔离槽结构来提高传感器的感风灵敏度：首先通过ANSYS模拟仿真分析开放和封闭式两种隔离槽结构；槽深、槽位置优化选择；封装结构的性能分析。最后，完成版图设计，并结合相关工艺完成流片，和传感器封装等，并通过风洞测试，初步验证了传感器芯片的性能。
　　本文对实验室原有的传感器结构进行了优化，着力于实现MEMS产品的集成化，标准化生产，通过仿真数据并与实验相结合的方式，完成产品的设计加工。