MEMS固态风速风向传感器的设计与制作
点击数：7771 次 录入时间：03-04 11:41:11 整理：http://www.55dianzi.com 电工基础
并可以得出电阻阻值的相对变化与风速是二次关系。和薄膜式传感器一样，可以通过正交二次集成的方法解算山风向的信息。 传感器ANSYS CFD模拟 a.硅薄膜式传感器模拟 为了方便软件模拟，简化了所设计传感器的模型。薄膜的厚度取10μm，2000 μm×2000μm的正方形，空腔的厚度取330μm。图4为带有薄膜形变的ANSYS模型。薄膜的模型用Solid45，流体模型应用FLUID142，风速从0～30 m/s间隔变化。通过模拟得到了薄膜最大形变、最大应力与风速的关系曲线，见图5。分析模拟所得的数据，可知薄膜挠度和剪切力都与风速成二次关系，与薄膜式传感器的理论分析相一致。 b. 硅悬梁式传感器模拟 所设计的悬梁式传感器的模型为悬梁的厚度取10 μm，长度取1500 μm。采用二维ANSYS模拟。悬梁的模型用Solid42，流体模型应用FLUID141，风速从0～30 m/s间隔变化。图6为带有悬梁形变的ANSYS模型。通过模拟得到了薄膜最大形变、最大应力与风速的关系曲线，见图7。 把模拟所得的数据进行分析，可知悬梁挠度、剪图7切力都与风速成二次关系，与悬梁式传感器理论分析相一致。 传感器工艺流程、封装及制作 a. 传感器工艺流程设计 两种传感器拟采用基于MEMS的体硅工艺，应用正背面异向湿法刻蚀和背面深刻蚀形成薄膜或悬梁。薄膜设计为10μm厚，200 μm×2000 μm的正方形;悬梁设计为10μm厚，1500 μm长，500 μm宽。采用双面抛光n型(76 mm)100硅片厚度350 μm。硅片清洗后，用热氧化工艺制作一层氧化硅，再用LPCVD工艺制作一层氮化硅;之后溅射Pt电极，采用lift-off工艺去掉不需要的Pt金属。完成以上步骤后，薄膜式传感器直接在背面腐蚀形成薄膜，完成传感器的制作;悬梁式传感器需要先在正面腐蚀出10μm的深坑，后在背面先湿法腐蚀5 h深度达到200μm，再深刻蚀直到出现图形。其过程如图8。 b.传感器封装设计 测风传感器通过正交的封装测量风向信息。正交封装示意图如图9所示。 通过用风向信息解算公式(9)和(10)，即可得出风向信息。 c. 传感器制作 依据所设计的原理及工艺流程，首先制作了悬梁式测风传感器如图10所示。传感器为双悬梁结构，通过惠斯通电桥输出传感器测量信号，其测试图如图11所示。 传感器经小型风洞测试后得出，其一致性很好。转动传感器，其输出信号有变化，这说明可以通过正交的方法计算出风向。 结 论 本论文推算了两种风速风向传感器的理论，并进行了基于理论的软件模拟，设计了传感器工艺制作流程和封装，对按照本文中所设计的理论与原理制作的硅悬梁式传感器进行了实际测量。传感器可以很好地感应风速的变化，根据输出电压随着传感器旋转的变化，可以计算出风向。上一页 [1] [2]
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