高性能硅基MEMS热式风速传感器的研究

高性能硅基MEMS热式风速传感器的研究

随着人们对更高生活品质的追求,气象信息的实时监测变得越来越重要。而风速传感器,作为测量风速和风向信息的关键部件,也越来越多地受到了人们的

关注。特别是近年来,微电子机械系统(MEMS)技术的飞速发展,使得风速传感器的微型化、集成化和智能化成为了可能,大量基于MEMS技术的风速传感器相继面世。在众多的MEMS风速传感器中,基于热原理的风速传感器因具有无可动部件、对小风速灵敏度较高等优点,成为了MEMS风速传感器研究的主流。

本实验室自2000年以来,就开始了MEMS热式风速传感器的研究,已经形成了一套完整的风速传感器系统解决方案。但是,该解决方案虽然可靠性较高,但存在灵敏度较低,功耗较大的问题,较难满足便携式风速传感器的应用需求。因此,本论文在实验室前期研制的风速传感器的基础上,从芯片结构和芯片封装的角度对传感器进行了进一步地研究,提出了一些相应的热式风速传感器性能改进方案,

使得MEMS风速传感器具有了更好的性能。本文的主要研究内容和创新包括:(1)提出了利用深反应离子刻蚀(DRIE)技术制造隔热深槽的方法来提高MEMS热式风速传感器的性能。

在对热式风传感技术工作原理及其所涉及的基础理论作出详细分析的基础上,提出了通过设置隔热深槽的方式来提高风速传感器性能的思路。针对传感器的结构特点,设计了3种形式的隔热槽,并从仿真和实验的角度对比了不同隔热

槽形式对风速传感器性能的影响。测试结果表明,在恒电压(CV)工作模式下,可以通过在传感器芯片上制备弓形隔热槽和中心隔热槽,来提高传感器的灵敏度;在

恒温差(CTD)工作模式下,则可以通过隔热槽的设置来降低风速传感器的功耗。因此,面对不同的应用场景,可以在不同的工作模式下,对各种形式的隔热槽进行组合设计,使传感器具有所需的性能。

(2)设计了一种同时采用深槽隔热结构和惠斯通全桥读出电路的高灵敏度MEMS热式风速传感器。在将深槽隔热技术引入风速传感器设计的基础上,进一步将惠斯通全桥测温设计引入了热式风速传感器的制造中。采用惠斯通全桥设计的风速传感器结构中,八个测温电阻组成了两对与加热电阻距离不同的测温电阻对,在每个温差测量方向上,四个测温电阻能够配置成惠斯通全桥的形式,从而使风

速传感器的上下游检测温差比传统两测温电阻方案提高近2倍。实验结果表明,

仅采用深槽隔热设计,风速传感器的灵敏度能够获得82%的提高;而如果将深槽隔热和惠斯通全桥测温技术同时应用于MEMS热式风速传感器中,传感器灵敏度的提高量能够达到226%。

(3)提出了一种不通过提升传感器的灵敏度,而通过改变传感器的有源单元排布方法来改进风速传感器性能的新思路。采用该设计方案的风速传感器有源单元成八边形排布,该八边形排布的有源单元由8个中心加热电阻和围绕加热电阻对称分布的8个测温电阻组成,这总共16个电阻可以分为两组风速测量单元,每组风速测量单元均能够对风速和风速进行独立地测量。传感器最终测得的风速风向数据是两组风速测量单元检测结果的平均值。实验结果表明,采用该八边形设计的风速传感器在0至33 m/s的风速检测范围内,测量误差小于1%;在0o至360o 的风向测量范围内,测量误差小于±1.5o。

(4)提出了一种MEMS热式风速传感器的陶瓷薄膜芯片级封装方案。在该方案中,采用低温烧结的方式在硅片背面制备形成陶瓷封装薄膜,该封装陶瓷薄膜的制备,使硅传感芯片与封装陶瓷能够在不添加导热胶的情况下实现良好的粘附,避免了实验室前期封装方案中硅芯片采用导热胶贴封陶瓷基板可能引起的热场偏移问题。同时,该陶瓷薄膜在保证传感器芯片可靠性的同时,也使封装陶瓷的体积显著减小,大大抑制了封装陶瓷对传感器性能的影响。实验结果表明,采用陶瓷薄膜封装方案的风速传感器,相比未采用陶瓷封装的风速传感器,其灵敏度仅下降了4.7%。

与实验室前期大陶瓷基板封装方案引起的硅传感芯片近乎70%的灵敏度损失相比,该陶瓷薄膜封装方案对传感器性能的影响显著降低。该陶瓷薄膜封装方案的提出,使设计兼具高可靠性和高性能的硅基MEMS热式风速传感器成为了可能。(5)为了抑制传统自封装方案中传感器芯片正面通过低热导率封装胶引起的无效热量散失,提出了一种MEMS热式风速传感器的环形包封板级封装方案。在该方案中,低热导率封装胶仅用来对传感器芯片与外接电路之间的键合引线进行包封,芯片正面的绝大部分区域则与空气进行接触。

由于空气的热导率很低,故传感器芯片正面通过封装胶造成的无效热量散失显著减小,传感器的热量利用率得到了提高。实验结果表明,采用该环形包封封装方案的风速传感器的灵敏度,相比采用自封装方式的风速传感器提高了50.8%。

本论文以实现MEMS热式风速传感器的高可靠性和高性能为目标,从结构设计、制备工艺和芯片封装等方面对热式风速传感器进行了研究改进,提出了深槽隔热设计、惠斯通全桥设计、八边形有源单元排布方法、陶瓷薄膜封装和环形包封封装等一系列创新设计方案,使风速传感器在具有较高可靠性的前提下,仍然能够具有较高的性能。