气流传感器被广泛应用于工农业生产、航天探空、微气象站、人类的生活、交通旅游、管道运输和气象监测等领域,是获取气流大小、方向参数的重要手段。在各种类型的气流传感器中,MEMS气流传感器是应用最广的一种,因其具有体积较小、重量较轻、原理简单、便于集成、不易磨损等优势,因而被广泛应用于各种研究领域。其中,热量式气流传感器是通过芯片与自然环境进行热量交换,完成流速、流向的检测。具体可描述为:加热单元为温敏单元提供一个稳定平衡的温度场分布,无气流时,传感器输出为零。当有气流经过时,平衡的温度场被打破,传感器有相应的电压/电流输出,根据输出电信号的大小,确定气流的流速和流向。不同结构的热量型气流传感器的热传递方式不同,量程不同,以其应用趋势为依据,可得MEMS热量型传感器是其主要发展趋势。目前MEMS热量式气流传感器主要存在微结构有测量盲区、导热效率低、无外界附加模块存在的前提下无法自检等问题,难以满足传感器高精度的检测要求。本文围绕MEMS热量型气流传感器的模型结构、热传递方式、高热导率Al N薄膜的研制、气流传感器双坐标自检方法等关键技术展开研究。在气流传感器结构方面。采用ANSYS三维软件对所设计的加热单元形状和数量,热隔离结构等各个因素进行对比优化分析。针对热量式气流传感器温度场中最高温度较高,温敏单元温度较低等问题,分别设计正八边形和圆形的加热线圈结构,在保证相同功耗的前提下,将加热单元的个数设定为1个、2个、4个,根据不同形状、不同数量的加热单元温度场分布结果,确定最优结构。针对热量式气流传感器热损耗高的问题,设计四种热隔离结构模型,对四种结构的温度场仿真结果进行比较分析,确定最优化的热隔离结构。在传感器导热方式分析方面。针对气流传感器“横向”导热时,表现出加快传感器热量传递效率与降低传感器热量损耗相矛盾,以及提高温敏单元温度与减缓传感器老化速度相矛盾的问题。所设计的气流传感器采用“纵向”导热模式进行热量传递,这种导热方式具有加快热量传递效率、减少热量耗散、减缓器件老化程度、降低加热功率等优势。在单a轴择优生长取向的Al N薄膜的研制方面。为了提高热量式气流传感器热量传递效率,并且实现加热单元和温敏单元的电绝缘,采用单a轴择优取向的Al N薄膜绝缘导热膜进行隔离。与其它晶相的Al N晶体相比,a轴择优生长取向的Al N晶体更难制备。首次提出使用射频溅射的方法制备单a轴取向Al N薄膜,通过改变射频溅射功率、溅射压强、退火温度等多个因素,研究薄膜的晶体取向、晶粒尺寸、表面粗糙度等参数,确定Al N薄膜最优化的制备参数。在双坐标自检方法分析方面。目前设计的热量式气流传感器,无法自检,或者需要通过与外界电路、仪器连接以实现传感器测试参数的检测功能,这种自检方法非常繁琐、不易操作。因此,提出双坐标“米”字型温敏单元布局,提高传感器测量量程,减小测量盲区。而且,通过8个温敏单元的电压输出计算流速和流向,根据流速和流向之间的恒关系,在无外界附加模块添加的条件下实现自检功能。研究结果表明:当加热单元形状为正八边形,加热单元数量为2时,气流传感器中温度场最高温度较低,温敏单元位置的温度较高,传感器的热隔离结构有利于提高气流传感器的温度场分布,为传感器的设计提供了理论依据。采取“纵向”导热模式的热量传递方式,有利于加快热量传递效率、减少热量耗散、减缓器件老化程度、降低加热功率。采用单a轴取向的Al N薄膜实现传感器的纵向导热模式,有效地实现加热单元和温敏单元的电绝缘。采用双坐标自检方法对气流传感器的流速和流向进行检测,在无外界附加模块的前提下,实现气流传感器的自检功能。