基于陶瓷芯片的热风速传感器研究
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。
热风速传感器;陶瓷芯片;封装结构;流场模拟
东南大学
硕士
微电子学与固体电子学
秦明
2014
中文
TP212.17;TH765.43
80
2015-05-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）