[00968487]微型气象传感器关键技术及其应用

1.课题来源与背景：项目中的微型气象传感器是指采用CMOS(互补金属氧化物半导体)技术和MEMS(微电子机械系统)技术制造的气压、风速风向和湿度传感器。其主要应用包括高速公路气象检测、地面气象站、野外工作人员的便携式气象仪。在国家“八六三”计划等课题支持下，项目开展了微型气象传感器设计、加工、封装和可靠性等关键技术研究与开发，制造出性能指标满足国家行业标准的微型气象传感器。2.技术原理及性能指标：基于电容式压力传感器原理，发明了多层膜结构的气压传感器，针对该压力传感器设计所需的薄膜应力、杨氏模量和断裂强度参数，发明了多层模结构应力和杨氏模量的测量方法以及断裂强度测试方法。研制出的气压传感器主要指标为：测量范围500-1100hPa，分辨率0.1hPa，准确度0.3hPa。基于温差型风速风向测量原理，发明了十字架结构、多晶硅温度二极管测温的风速风向传感器，提出了倒装方法的风速风向传感器封装技术。针对风速风向传感器设计所需要的导体和多晶硅热导率、热扩散率和热膨胀系数，发明了相应的在线测试结构。研制出的风速风向传感器主要指标为：风速测量范围：0-60m/s，分辨率：0.1m/s，准确度：0.5m/s；风向测量范围：0-360，分辨率：3%RH，准确度：5%RH。基于电容式湿度传感器原理，发明了多晶硅加热条与湿度传感器集成在一起的结构，发明了铝电极和敏感材料(聚酰亚胺)之间加一层钝化层的结构。研制出的湿度传感器主要指标为：测量范围0-100%RH，分辨率1%RH，准确度3%RH。3.技术的创造性与先进性气压传感器及其关键技术获授权中国发明专利5项、SCI收录论文6篇，被SCI他引19次。多层膜结构的气压传感器消除了传统MEMS电容式气压传感器空腔中电极引出的问题，极大地降低了加工的复杂性；较大的固有电容有效地抑制了寄生电容的影响，输出线性度好，为接口电路的设计带来了方便。风速风向传感器及其关键技术获授权发明专利7项、SCI收录论文4篇(其中1篇作为IEEESensorsJournal当期的封面)，被SCI他引11次。采用二极管温度测量、微机械加工的隔热结构以及芯片的正面倒装封装技术，提高了灵敏度，测量风速上限达60m/s，这是国内外公开报导的温差型风速风向传感器测量的最高值。湿度传感器原理及其关键技术获授权中国发明专利6项、核心论文发表在SensorsandActuators期刊上，该篇论文已被SCI他引18次。发明的多晶硅加热条与湿度传感器集成结构，大大地缩短了脱附响应时间，明显改善了滞回特性，发明的铝电极和敏感材料之间加一层钝化层的结构，有效地防止了聚酰亚胺吸湿而腐蚀铝电极，提高了长期工作的可靠性。4.技术的成熟程度，适用范围和安全性：项目采用CMOS技术和MEMS技术加工传感器，适合于批量化制造，降低成本，提高了传感器的一致性和重复性。按照国标GB333经过温湿度循环、振动、冲击可靠性实验，性能指标符合要求，满足国家行业标准，适合于高速公路气象检测和便携式气象仪。5.应用情况2005年首批30套气压传感器、风速风向传感器和湿度传感器由深圳百华电子公司应用，2008年100套气压传感器、风速风向传感器和湿度传感器被洛阳凯迈测控有限公司使用，并安装在石家庄高速公路气象检测网中，产值1600万元，净利润700万元。项目申请中国发明专利23项(其中已授权19项、已公开4项)；在传感器领域国际主流期刊发表论文10篇(SCI收录)、被SCI他引48次；在国外举办的国际会议做特邀报告3次、国内会议做大会报告2次。