基于热电堆的陶瓷风速传感器的研究

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微型化是MEMS技术的主要特征。采用MEMS技术制造的风速传感器在当前的生产、科研、监测、农业等社会各领域都有着广泛的应用前景。国外已有商业化的微风速传感器,为打破国外垄断,进行MEMS微风速传感器的研制势在必行。  在30多年的时间中,MEMS热风速传感器的研究取得了很多的进展。然而由于加工工艺的限制,采用电阻作为测温元件的风速传感器在准确度的提高上遇到了瓶颈。为了研发高精度、高灵敏度、低温漂的MEMS风速传感器,基于热电堆的陶瓷风速传感器成了我们的主要研究对象。  本文从理论上对传感器进行了系统的建模,推导出传感器的输出公式以及影响传感器输出的因素。设计了传感器的布局,通过有限元的仿真,确定了传感器的尺寸以及封装方式。最终确定传感器加热元件尺寸为765μm×765μm;热电堆每条线条的宽度为10μm,线条之间的间距也为10μm;热电堆热端距离加热元件的距离为40μm,长度为2130μm;传感器陶瓷衬底的尺寸为7800μm×7800μm。  接着论文介绍了传感器芯片的加工流程,在流水之后做出了传感器芯片并给出了传感器芯片加工后的实物照片。  对封装后的传感器芯片进行测试后发现,在恒功率的工作模式下测得传感器灵敏度为27mV/(m/s)0.5,量程为-32m/s~30m/s,传感器的回滞特性优良,响应时间小于2s,风向测量误差小于5°,温漂低。传感器性能基本满足最初的设计要求。  最后在文章中指出了传感器从理论分析、模拟仿真到芯片加工再到结果测试这一过程中的一些问题,并对未来进行了展望。
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