气象传感器设计理论

项目名称：气象传感器设计理论、关键技术及其应用
项目完成人：黄庆安、秦明、黄见秋、王磊、唐洁影、曲来世
项目完成单位：东南大学、凯迈（洛阳）环测有限公司
申报奖种：技术发明奖
项目简介：
气象传感器在天气预报、高速公路、船舶航行、机场、军事等方面有巨大需求，其核心技术长期被国外垄断，严重制约了我国气象传感器及其相关行业的发展，因此，必须解决关键技术难题：①复杂性，气象传感器涉及气压、风速风向、湿度等多种敏感原理，面临复杂的设计、制造、封装等问题；
②可靠性，气象传感器需要长期在野外工作，面临灰尘、腐蚀等恶劣环境下工作的可靠性问题。

在国家自然科学基金、国家863计划等支持下，本项目系统地开展了气象传感器设计理论、关键技术研究，较好解决了上述技术难题，并成功应用于气象传感器及其系统研制和批量生产中。

主要创新如下：
1. 在国际上率先研究并提出了基于面积变化和介电伸缩效应的MEMS电容式气压传感器结构，保证了传感器输出的线性度；发明了二氧化硅介电伸缩系数的悬臂梁测试结构，获取了介电伸缩系数基础数据；提出了带微孔滤膜的电容式气压传感器封装方法，提高了传感器环境适应性。

2. 发明了MEMS风速风向传感器的测温方法和深槽隔热结构，提出了风速风向传感器的温度自平衡测控方法，解决了长期以来风速风向传感器量程难以提高的技术难题；发明了风速风向传感器的陶瓷圆片级封装技术，保障了传感器工作的可靠性。

3. 发明了MEMS湿度传感器片上集成多晶硅加热电阻结构，缩短了湿度传感器的脱附时间；发明了氮化硅包覆铝电极的结构，有效防止了聚酰亚胺吸水而腐蚀铝电极，突破了湿度传感器长期工作稳定性的技术瓶颈。

4. 建立了MEMS器件-封装结构温度效应模型，提出了微悬臂梁接触长度的测量结构，发明了微悬臂梁疲劳特性的测量方法，实现了MEMS结构与器件的温度、湿度、振动可靠性测试和评估。

5. 发明了前向散射式能见度检测器大气散射信号测量技术，开发了前向散射式能见度检测器系统。

获中国发明专利授权43项；制订国家行业标准1项；出版英文丛书1章；发表论文138篇(SCI 26篇、EI 138篇)、SCI他引152次；在国内会议大会报告2次、在国外会议邀请报告2次。

研制与批量生产的气象传感器系列，全部技术指标满足国家标准并已在高速公路等领域应用，推动了我国气象传感器及相关行业的技术进步，包括4位院士在内的项目验收专家组评价：“项目发现了二氧化硅的介电伸缩系数；发明了陶瓷芯片与集成风速风向传感器的倒装封装方法，可测风速达60m/s，是目前国际上公开报导的MEMS风速传感器的最高测量风速”。

项目成果还应用于我国大型通信骨干企业，支撑了MEMS故障器件的分析和评估；应用于加速度传感器研制与生产，支撑了重点领域发展；应用于载人潜水工程中压力传感器的研制，保障了“蛟龙”号7000米载人潜水工程的实施；应用于“雪龙”号极地科学考察船、地面军事气象监测，打破了国外的技术垄断与禁运。

近3年新增：销售额15419.80万元、利润3437.80万元、税收1889.60万元。