会议文章 针对基于陶瓷衬底的风速传感器的热不对称特性补偿研究

本文提出一种基于陶瓷衬底制备的风速风向传感器的设计,芯片结构中设置了1个中心加热电阻,1个中心测温电阻和4个温度分布检测电阻,并引入了4个辅助加热电阻,用于对芯片的功率分布进行再分配。在传感器制备过程中,由于封装造成的芯片热分布的不对称特性,能够利用辅助加热元件对芯片进行功率再分布以补偿,进而抵消掉由于热不对称造成的芯片输出信号的偏移。通过功率再分布补偿技术,可使芯片输出信号的波动低于10mV,风向检测误差低于2度。     

二维MEMS风速风向传感器的设计与测试

给出一种基于MEMS工艺的二维风速风向传感器的设计、制造以及测试结果。该传感器加热电阻采用圆形结构,四个测温电阻对称分布在芯片四周。传感器芯片在玻璃衬底上采用两步MEMS剥离工艺加工,加工工艺简单可靠。该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差原理测量风速和风向。经过风洞测试,传感器可以完成360°风向检测,误差不超过10°。     

二维MEMS风速风向传感器的设计与测试

给出一种基于MEMS工艺的二维风速风向传感器的设计、制造以及测试结果。该传感器加热电阻采用圆形结构，四个测温电阻对称分布在芯片四周。传感器芯片在玻璃衬底上采用两步MEMS剥离工艺加工，加工工艺简单可靠。该传感器采用恒功率工作方式，利用热温差原理测量风速和风向。经过风洞测试，传感器可以完成360°风向检测，误差不超过10°。     

热温差型微流量传感器的温度补偿方法研究

热温差型微流量传感器的性能受多个因素的影响,如环境温度的变化、供电电源的波动、加热电阻的冷却和导线电阻的引入等。通过ANSYS软件对环境温度及加热电阻温度的改变进行了有限元仿真,发现当两者的温度差值为恒定值时,传感器的输出信号偏差较小。从环境温度与加热电阻温度差值恒定的思路出发,结合目前补偿方法存在的不足——导线引入误差、环境温度检测电阻的自热效应使其检测出错误的环境温度、加热电阻受被测流体冷却后使测量发生偏差以及供电电源波动的影响等,提出了一种可行的补偿方案,包括对前端信号采集电路的优化和后续单片机电路的设计,使影响流量传感器测量性能的诸多因素被削弱,且控制也更灵活。通过分析验证,在相同测试条件下,所提出的方法比常用补偿方法的测试精度高出约1.2%,误差为0.2%。     

基于热电模型的多发射极功率HBTs非均匀镇流电阻设计

在考虑发射结电压随温度的变化和发射极加入镇流电阻的情况下,给出简化的三维热电模型,用以计算功率HBT芯片表面温度分布.分析表明,对于采用均匀发射极镇流电阻设计的功率HBT,芯片中心发射极条温度最高,严重限制了器件的功率处理能力.因此提出非均匀发射极镇流电阻设计方案,并以12指Si0.8Ge0.2HBT为例,详细地给出非均匀发射极镇流电阻设计流程.结果表明,在总发射极镇流电阻阻值(各指发射极镇流电阻并联值)不变的情况下,非均匀发射极镇流电阻设计与传统的均匀设计相比,芯片中心结温显著降低,芯片表面温度趋于一致.还发现当各指发射极镇流电阻阻值从芯片边缘到中心按指数形式分布时,功率HBT的芯片表面温度更容易趋于均匀,大大提高了HBT的功率处理能力,为功率HBT的设计提供了指导.     

基于热电模型的多发射极功率HBTs非均匀镇流电阻设计

在考虑发射结电压随温度的变化和发射极加入镇流电阻的情况下,给出简化的三维热电模型,用以计算功率HBT芯片表面温度分布.分析表明,对于采用均匀发射极镇流电阻设计的功率HBT,芯片中心发射极条温度最高,严重限制了器件的功率处理能力.因此提出非均匀发射极镇流电阻设计方案,并以12指Si0.8Ge0.2HBT为例,详细地给出非均匀发射极镇流电阻设计流程.结果表明,在总发射极镇流电阻阻值(各指发射极镇流电阻并联值)不变的情况下,非均匀发射极镇流电阻设计与传统的均匀设计相比,芯片中心结温显著降低,芯片表面温度趋于一致.还发现当各指发射极镇流电阻阻值从芯片边缘到中心按指数形式分布时,功率HBT的芯片表面温度更容易趋于均匀,大大提高了HBT的功率处理能力,为功率HBT的设计提供了指导.     

微通道式PCR芯片温度的研究

微通道式PCR芯片是对DNA扩增的新方法，通过样品试剂在三个温区间的流动，实现对试剂中特定DNA片段的几何级数扩增。研究了一种新型微通道式PCR芯片，利用有限元技术，对芯片上热区的温度梯度和均匀性进行了计算，对影响PCR反应的三种温度因素作出了定量分析。另外，针对传感器和加热器的外形、放置以及加热区的不均匀化，采取了系列优化措施，计算了薄膜电阻功率和电阻参数，改善了芯片的热特性，提高了其倍增的效率。     

三丝结构水平姿态传感器敏感机理的研究

采用有限元法,利用ANSYS-FLOTRAN CFD软件,计算了在不同倾斜状态下三丝结构敏感元件内的温度场和流场.计算结果表明,加热热电阻丝在敏感元件内形成一定的温度场和流场,倾斜时温度场和流场不再对称分布;在水平状态时两检测热电阻丝处的气流速度相等,两检测热电阻丝的电阻相等,电桥电路输出为零;在倾斜状态下时,两检测热电阻丝处的气流速度之差随着倾斜角度而变化,引起两检测热电阻丝电阻之差也随之变化,电桥输出一个对应于倾斜角度的电压.有限元计算法为三丝结构气流式水平姿态传感器优化设计开辟了有效的研究途径.     

法兰焊接工艺对射频功率电阻性能的影响

射频功率电阻的法兰焊接工艺对于该元件的热传导性能及长期可靠工作特性起到关键作用。首先通过对射频功率电阻进行热结构分析,找出影响热传导的关键部位,然后通过软件仿真模拟大功率条件下的温度分布,再通过不同工艺条件的优化改进其性能,最终在采用铜钨合金作为法兰、锡铅焊片作为焊料并辅以助焊剂的条件下制备出热性能良好的射频功率电阻。该电阻在长期寿命实验时其法兰安装处表面温度仅为94℃。     

热电式微波功率传感器的优化设计

提出了一种热电式微波功率传感器的二维热分布解析模型,通过分析传感器的各种结构参数对热分布的影响,给出了热电式微波功率传感器的优化设计.为了获得高灵敏度,给出了设计膜的厚度、匹配电阻与热电堆热端的距离、热电堆悬浮部分的长度等结构参数的原则,并利用Ansys模拟结果和解析结果进行对比验证,结果显示两者吻合较好,说明了解析模型的适用性,可在设计该类传感器时参考.     

基于新型DCA封装的陶瓷风速风向传感器

An advanced direct chip attaching packaged two-dimensional ceramic thermal wind sensor is studied. The thermal wind sensor chip is fabricated by metal lift-off processes on the ceramic substrate. An advanced direct chip attaching （DCA） packaging is adopted and this new packaged method simplifies the processes of packaging further. Simulations of the advanced DCA packaged sensor based on computational fluid dynamics （CFD） model show the sensor can detect wind speed and direction effectively. The wind tunnel testing results show the advanced DCA packaged sensor can detect the wind direction from 0° to 360° and wind speed from 0 to 20 m/s with the error less than 0.5 m/s. The nonlinear fitting based least square method in Matlab is used to analyze the performance of the sensor.     

MEMS热式风速风向传感器输出性能优化研究

环境测温二极管在工作时受传感器芯片热场影响,常引发MEMS热式风速风向传感器加热电压-风速曲线异常。将其更换为外置测温二极管,并调整其与传感器芯片距离,成功解决了输出曲线异常现象。并在此基础上,优化芯片及外置测温二极管的封装方案,消除了热场的相互干扰和不必要的热损耗,同时保证了外置测温二极管与空气的良好接触。风场测试结果表明,传感器的加热电压-风速曲线变得平滑,且重复性好,风速和风向的测量误差分别在±4%和±4°以内,系统的上电稳定时间大幅缩短至15 s左右。     

一种基于MEMS工艺的二维风速传感器的设计

给出了一种基于MEMS工艺的二维热风速传感器的设计、制造以及测试结果.该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差的方法测量风速和风向.本传感器采用MEMS剥离工艺在玻璃衬底上同时加工出加热电阻和测温电阻,利用简单可靠的加工工艺实现了热隔离和高灵敏度.经过风洞风速风向测试,得知传感器的风速量程超过10m/s,360°范围内风向测量误差不超过8°.传感器的响应时间不超过1s,功耗为10mW.     

基于共晶焊接工艺和板上封装技术的大功率LED热特性分析

采用ANSYS有限元热分析软件,模拟了基于共晶焊接工艺和板上封装技术的大功率LED器件,并对比分析了COB封装器件与传统分立器件、共晶焊工艺与固晶胶粘接工艺的散热性能。结果表明:采用COB封装结构和共晶焊接工艺能获得更低热阻的LED灯具;芯片温度随芯片间距的减小而增大;固晶层厚度增大,芯片温度增大,而最大热应力减小。同时采用COB封装方式和共晶焊接工艺,并优化芯片间距和固晶层厚度,能有效改善大功率LED的热特性。     

大功率LED封装有限元热分析

介绍了有限元软件在大功率LED封装热分析中的应用,对一种多层陶瓷金属(MLCMP)封装结构的LED进行了热模拟分析,比较了不同热沉材料的散热性能,模拟了输入功率以及强制空气冷却条件对芯片温度的影响.结果表明当达到热稳态平衡时,芯片上的温度最高,透镜顶部表面的温度最低,当输入功率达到3 W时,芯片温度超过了150℃,强制空冷能显著改善器件的散热性能.     

压接式GCT封装的热特性分析

电力半导体器件的散热性能和热可靠性与其封装结构密切相关,选择合适的封装结构对改善器件的散热性能和提高热可靠性非常重要。文中根据压接式GCT器件封装结构特点,采用ANSYS软件利用有限元法分析了单芯片封装和多芯片封装结构的温度及热机械应力分布,并与常规的焊接式封装进行了对比。结果表明,压接式封装结构的散热效果比焊接式封装结构稍差,但其芯片上产生的热机械应力明显减小。多芯片封装采用常规的风冷散热器时芯片温度已经超过了器件的安全工作温度(125℃),应该采用热管散热器才能保证器件可靠地工作。     

Fast-response silicon flow sensor with an on-chip fluid temperature sensing element

A new silicon flow sensor with a robust thermal isolation structure has been developed. The thermal isolation structure is mainly made of a 20-µm-thick oxidized porous silicon membrane. This thermal isolation structure makes it possible for the sensor to have a fast-response characteristic and an on-chip fluid temperature sensing element design. The sensor can be used in liquid flow as well as gas flow. Its operation is based on heat transfer from the heated sensor to a moving fluid. It has two platinum thin-film resistors, a heating element, and a fluid temperature sensing element on the chip. The sensing element is thermally isolated from the heating element. The external circuit of the sensor maintains a constant temperature difference between the heating element and the fluid. The sensor chip characteristics were evaluated theoretically by heat transfer analysis during the chip design. Measurements were made for oil flow velocity of 0-30 cm/s and air flow velocity of 0-14 m/s. Response time was below 100 ms, and a compensated output for fluid temperature change was obtained.     

MEMS热风速计流固耦合模拟

通过设置流-固耦合面和固-固耦合面,采用ANSYS软件对MEMS热风速计进行了有限元模拟,基本解决了热风速计有限元模拟中遇到的多物理场耦合问题.通过对不同风速,不同风向情况下的风速计芯片的热分布进行了模拟和分析,得到了一些有助于芯片设计的结论.最后,为了验证模型的正确性,进行了实验测量.实验数据与模拟结果基本相符,误差在8%以内.     

一种基于CMOS工艺的二维风速传感器的设计和测试

给出了一种完全基于CM O S工艺的、能同时测量风速和风向的二维测风传感器的结构、工作原理及其测试结果。该传感器采用恒温差工作模式,热堆输出电压平均值反映芯片温度和环境温度的差,省去了测温二极管。风速测量采用热损失型原理,因此不存在速度量程问题;同时通过四周对称分布热堆的相对差分输出得到风向,风向的测试和风速无关。测试电路是由普通运放电路组成的控制和测试系统。经过风洞测试,风速的测量可以达到23m/s,风速分辨率达到0.5 m/s,风速的最大误差为0.5 m/s。传感器的反应时间为3~5秒,整个功率损耗约为500 mW。