流量传感器是一种应用极为广泛的传感器,人们在很多场合下迫切需要灵敏度高、携带方便和成本较低的新型流量传感器。在CMOS MEMS技术兴起的推动下,当流量传感器的制造工艺与CMOS工艺兼容时,可以将信号处理电路同流量传感器制作在同一芯片上,批量生产降低生产成本。本文提出的二维风速计是基于热原理设计的,是将传统的硅热流量传感器应用于风速的测量,制造工艺与CMOS工艺兼容。 该传感器热敏感元件为铝/N型多晶硅组成的热电堆,它基于自产生效应,也就是说不需要电能将热信号转变为电信号。传感器片上电路集成有控制电路和片上放大电路。文中阐述了热流量传感器按照工作原理分类,针对各种工作模式从灵敏度、测量范围等方面进行了比较。在设计中对于热场的分析主要从灵敏度的角度进行了考虑,设计出了散热铝条的结构,使得在不通过微加工即可得到比较大的灵敏度,从而提高了传感器的分辨率。在敏感元件的设计中,本文引入了热堆等效电路模型,从而将热堆和电路混合模拟成为可能。系统的设计本文主要是通过计算机模拟的方式进行了设计,结合了等效电路模型和有限元工具的优点对整个系统进行模拟,将有限元分析的结果多项式拟合之后用宏定义带入Spice软件,从而优化了控制电路、传感器和处理电路之间的耦合,减少了试验次数。提出了一种不需要额外的热敏感元件实现传感器恒定温差工作的方法,这样既克服了传统的恒定温差需要引入额外敏感元件增加工艺复杂度,又能够在不影响测量的情况下,提高传感器的测量范围。通过上述分析,设计出了几组可以对比的试验结构, 通过芯片流水试验和测试得出各种设计参数对传感器不同性能参数的影响,从而为以后的设计提供参考。文中还专门对于不腐蚀铝引线的硅腐蚀方法进行了讨论,将测试结果与微加工之前进行了对比,分析了加工的优缺点。整体的测试结果基本符合预期要求,实现了CMOS兼容。灵敏度比同类研究有所提高。