基于硅芯片的熱式風(fēng)速傳感器重復(fù)性和溫漂穩(wěn)定性的研究.pdf

1、近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展和人們對(duì)智能化生活水平的需求，MEMS傳感器越來越多的應(yīng)用來生活中的各個(gè)領(lǐng)域。風(fēng)速風(fēng)向是人們生活中必不可少的信息，對(duì)風(fēng)速傳感器的研究具有重大意義。本文介紹了一種基于硅襯底材料的二維熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，采用后CMOS-MEMS工藝加工制備，即在完成了標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝之后，再進(jìn)行MEMS體硅加工。本文對(duì)熱風(fēng)速傳感器的控制檢測(cè)方式以及測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論，針對(duì)存在的問題進(jìn)行了一些優(yōu)化和改進(jìn)，得到了一種高精度、大量

2、程輸出的測(cè)試結(jié)果。傳感器所測(cè)風(fēng)速范圍在0～40m/s，精度滿足0.5m/s±3％的要求;風(fēng)向范圍在0～360°，精度滿足誤差小于±3°的要求。本文具體工作如下:
　　(1)本文對(duì)熱式風(fēng)速傳感器的檢控系統(tǒng)在理論方面進(jìn)行了分析。對(duì)比常用的恒功率和恒溫差兩種模式，后者的控制電路較為復(fù)雜，但是其在量程上比前者更有優(yōu)勢(shì)。熱溫差檢測(cè)方式在低風(fēng)速時(shí)可以精確穩(wěn)定的輸出，并且可以測(cè)量二維風(fēng)向，但是會(huì)出現(xiàn)高風(fēng)速時(shí)靈敏度變小的情況。不過，熱損失檢測(cè)模式

3、在高風(fēng)速不會(huì)受此限制。鑒于此，本文對(duì)這兩種檢測(cè)模式進(jìn)行了熱場(chǎng)分析，并分別對(duì)其輸出信號(hào)以及處理電路進(jìn)行了整理。
　　(2)本文對(duì)傳感器芯片以及傳感器整機(jī)進(jìn)行了測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)熱溫差檢測(cè)型傳感器的輸出與理論分析一致，即傳感器的靈敏度和量程都會(huì)受到限制。所以本文提出一種優(yōu)化方案，將熱溫差和熱損失兩種檢測(cè)模式結(jié)合在一起，在不同風(fēng)速段進(jìn)行模式切換測(cè)量。通過測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的傳感器系統(tǒng)可以得到較高精度的風(fēng)速風(fēng)向輸出，能夠滿足氣象規(guī)定的指標(biāo)

4、要求。然后，本文對(duì)傳感器的重復(fù)性進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度不變時(shí)，傳感器性能穩(wěn)定，且沒有出現(xiàn)回滯現(xiàn)象。
　　(3)熱風(fēng)速傳感器對(duì)溫度十分敏感，對(duì)于傳感器的溫漂問題，本文進(jìn)行了分析與補(bǔ)償。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，傳感器系統(tǒng)的輸出跟風(fēng)速和溫度存在一定函數(shù)關(guān)系。所以通過建立函數(shù)關(guān)系公式，可以在輸出結(jié)果上對(duì)傳感器進(jìn)行溫漂補(bǔ)償。然后，本文從硬件電路方面提出自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化方案，即通過調(diào)整橋路電阻使控制電路滿足系數(shù)匹配公式，消除系統(tǒng)芯片