热温差型微流量传感器热敏电阻自热的补偿方法

分析了热温差型微流量传感器的热敏电阻自热对测量的影响和惠斯通电桥作为前端信号采集电路的不足,提出了相应的解决方法.利用ANSYS软件对热敏电阻自热的各种情况进行了仿真,发现当上下游热敏电阻的功率越接近且值越小时,传感器的输出信号越稳定.从仿真的结论和惠斯通电桥的不足出发,提出了以恒流电路作为信号检测前端电路的方法,不但可以基本消除传感器热敏电阻自热所造成的测量误差,而且改善了由于电源不稳定给传感器测量造成的影响.分析表明,当流速为1 m/s、流道高度为150 μm时,传感器的测量误差降低了1％左右.     

电阻悬浮的MEMS热膜式气体流量传感器设计

设计了一种新型电阻悬浮结构的热膜式气体流量传感器,具有测量精度高、灵敏度好、抗压能力强、微加工工艺简单等特点。采用ANSYS软件对传感器芯片在不同流速下的温度场进行了有限元仿真,得出了上下游温差与流速的关系曲线。通过比较热膜电阻非悬浮与悬浮时的导热损失和压力分布,得到了将热膜电阻悬浮的流量传感器的性能要优于一般传感器的结论,其灵敏度为一般传感器的3.6倍。分析表明,传感器的响应时间仅为0.17 ms,比一般传感器快了好几倍;流速在0～0.5 m/s和0.5～2.5 m/s时,传感器输出信号都有较好的线性度,使其能够应用于小流量和大流量的测量当中;流道高度为150μm时,流量为0～2.7 L/h。根据工艺条件和仿真结果,确定了传感器芯片的结构尺寸和微加工工艺流程。     

利用差频电路实现微电容式传感器检测电路的温漂抑制

介绍了一种本实验室开发的CMOS工艺的电容式传感器的接口电路。重点分析了基于施密特触发器的张弛振荡器接口电路,实现了敏感电容以及参考电容与频率的转换。通过对两频率求差来抑制各种共模干扰。对样片进行了测试,输出频率与理论值基本一致。最后对该电路进行了温漂特性的仿真和测试,验证了差频电路可以将电源波动和温度的影响完全抑制在精度的允许范围内。     

静电刚度式谐振微加速度传感器的结构稳定性

为了研究静电刚度式谐振微加速度传感器结构稳定的判据和影响其稳定性的因素,根据静电刚度式谐振微加速度传感器的结构原理,分析了传感器中质量块与音叉梁的运动和受力特点,建立了传感器中质量块与音叉梁在加速度作用前后的力平衡方程。采用数值方法求解力平衡方程,得到了传感器结构的一个稳定平衡点和一个非稳定平衡点,以及两个平衡点重合时对应的结构稳定临界检测电压,分析了加速度作用前后不同质量块支撑梁弹性系数和平行板检测电容间隙对临界检测电压的影响。结果显示,临界检测电压随质量快支撑梁弹性系数和平行板检测电容间隙的增大而增加。当有加速度作用时,临界检测电压将发生变化,但对量程为-1~1g的超低量程加速度传感器,加速度作用前后临界检测电压变化很小,不会引起传感器结构稳定性太大的变化。     

MEMS传感器现状及应用

MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEMS压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEMS传感器的发展趋势进行了展望。     

应用于流动控制的MEMS传感器和执行器

出现于20世纪80年代后期的微机械技术可以制作出微米尺度的传感器和执行器。这些微器件与信号调节和处理电路集成后,组成了可执行分布式实时控制的微电子机械系统(MEMS)。这种性能为流动控制研究开辟了一个崭新的研究领域。利用MEMS技术设计和制作了一种传感器和一种执行器。实验证明,采用体硅腐蚀的工艺制作微流体器件是可行的,同时可以避免牺牲层腐蚀和释放的复杂工艺。     

MEMS微加速度与微角速率集成传感器的研制

介绍了一种全新的MEMS微型惯性器件,该器件是一种基于热对流原理的热膜式传感器,它利用一个单敏感元件同时测量加速度和角速率。该器件由一个加热器和两组微型温度传感器组成,加热器加热气体形成的热对流气体作为敏感元件,该器件通过微型温度传感器测得的热对流气体的温度差实现加速度和角速率的测量。分析了器件的工作原理,根据仿真结果设计了双层的器件结构,进行了工艺开发,加工出了原理样机。测试表明:该器件同时具备了加速度传感器和角速率传感器的检测功能,很好地验证了设计的可行性。     

基于纳米裂纹的MEMS二维风速风向传感器

风速、风向信号的采集在工业、医疗与气象等领域具有重要意义。研发了一种基于纳米裂纹的微电子机械系统(MEMS)二维风速风向传感器。利用纳米裂纹超高灵敏度的优点,设计了纤毛-悬臂梁结构用于风速、风向信号采集。通过有限元数值仿真分析确定传感器的纤毛直径、高度和悬臂梁长度等结构参数。然后,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底制备、聚酰亚胺粘附、金薄膜沉积、金薄膜图案化以及纳米裂纹工艺流程制备了纳米裂纹金薄膜。采用该纳米裂纹金薄膜,利用MEMS工艺技术制作了基于纳米裂纹的MEMS二维风速风向传感器,并通过自主研制的测试平台测试了传感器的风速和风向性能。实验结果表明,制备的二维风速风向传感器能够稳定测量2～7 m/s的风速信号,并具有误差不超过15°的风向识别能力。     

用于流速测量的微型力传感器的研制

设计并仿真了一种压阻式六自由度力传感器及其测量电桥,采用微电子机械系统(MEMS)加工技术制备了以单晶硅为结构材料的六自由度力传感器,完成了传感器芯片的封帽式封装。压阻式六自由度力传感器的尺寸为5 mm×5 mm×3 mm,由传感器芯片、探测柱和封装外壳组成。基于流体的绕流阻力效应,完成了压阻式六自由度力传感器水流流速检测实验。实验证明,该传感器的量程为0～0.55 m/s,可以灵敏检测到低速水流的波动性变化,并且传感器在水流速度为0.45～0.55 m/s的测量范围内灵敏度较高。利用单晶硅材料易于小型化、滞后极小的特点,该六自由度力传感器响应快、环境适应性强、可批量制造。     

高分辨率MEMS纤毛式湍流传感器

国外的剪切流传感器已经趋于成熟,但仍存在测试信息量单薄、空间分辨率不高和价格昂贵的缺点。提出了一种新型高分辨率微电子机械系统(MEMS)湍流传感器,通过MEMS工艺的微结构实现湍流传感器的高分辨率探测,同时凭借Parylene真空气相沉积技术来实现传感器在海中的绝缘性和抗腐蚀性。经过5～45℃的高低温循环实验,验证了MEMS湍流传感器在复杂环境中的可靠性,并通过实验测量得到电压形式的湍流数据。     

MEMS热膜式微型流量传感器的研制

针对微型流量传感器的应用问题,提出了一种可以准确测量各种气体微型流量、基于MEMS工艺的新型MEMS热膜式传感器。基于热量传递原理的热膜式流量传感器由一个加热器和一对微型温度传感器组成,只要测得两个温度传感器的温度差值,就能得到气体的流量。分析了该器件的原理并进行了ANSYS仿真,设计了器件的结构,进行MEMS工艺开发,制作出可实用化的产品。测试表明,该器件的测量量程达到0.5～200m3/h,精度1.5级,响应时间20ms,量程比1:400,显示该器件测量流量的功能达到了实用化水平。     

CMOS硅风速传感器热性能的分析

给出了一种能同时测量风速和风向的基于CMOS工艺的二维硅风速传感器的工作原理、结构及其热学模型。针对恒温差和恒定功率两种控制方式,建立各自的一维传感器热学模型,并采用有限元分析工具ANSYS/FLOTRAN141分析和比较了不同控制条件下传感器的热性能及其和传感器特征尺寸的关系。最后,通过试验结果验证了模拟的正确性。     

CMOS热流量风速计恒温差控制环路的研究

分析了恒温差控制模式在CMOS热流量风速计中遇到的振荡问题.为了能够用Pspice等电路软件对环路进行分析,建立了传感器热域到电域的转换模型.分析可知,检测芯片温度的PN结与加热电阻间的距离以及芯片材料的热容和热阻等参数对恒温差控制环路的工作频率有很大的影响.为了调节环路的振荡频率使它能更好的控制芯片温度并且优化测风速和风向时的性能,对上述芯片的参数都要仔细选取.实际电路测试验证了仿真结果.     

O型MEMS平面微弹簧弹性系数研究

对封闭O型MEMS平面微弹簧建立力学分析模型,用卡氏第二定律和胡克定律推导出这种平面微弹簧弹性系数的计算公式,并用ANSYS进行有限元仿真,仿真结果表明,两者的相对误差低于2％.在计算公式和仿真的基础上,研究了各种结构参数对弹性系数的影响规律,结果表明,弹性系数随节数和弯半径的增大而减小,随梁宽和厚度的增大而增大.研究...     

柔性MEMS流速传感器的制造及其电路设计

针对流速传感器大多存在测量量程小、柔性小而无法适应较大量程和复杂曲面的测量问题,提出了一种宽量程柔性MEMS流速传感器,结合热损失和热温差的工作原理实现对流速的测量.选取聚酰亚胺(PI)作为柔性衬底材料和铂(Pt)薄膜为热敏材料,采用金属牺牲层MEMS工艺制造了带空腔的柔性流速传感器芯片,尺寸为9 mm×7 mm×30μm.设计了采用双惠斯通电桥的恒温差测控电路.测量结果表明:制造的柔性MEMS流速传感器的TCR为0.2418％/℃,实验实现了0～36 m/s的输入风速测量,在低速、高速段内的灵敏度分别为2和0.295 mV/(m/s).同时,测量电路还展现出良好的温度补偿效应.所提出的柔性MEMS流速传感器具有宽量程、测试精度高、灵敏度高和易于实施温度补偿的优点,有望用于航空航天、国防等领域.     

一种微型Pt温度传感器及其读出电路的研究

基于电阻温度系数(TCR)原理及微机电系统技术,设计并制作了一种用于微型聚合酶链式反应(PCR)芯片的Pt温度传感器及其读出电路。利用溅射和剥离技术将厚度为100 nm的弯曲条形Pt传感器制作在硅衬底上。其长度和宽度分别为2 030μm和10μm。设计了基于四线法温度测量的读出电路,该电路主要包括一个恒流源电路和一个电压放大电路。测试结果表明,该传感器的电阻温度系数为1.48×10-3℃-1,其电阻变化随着温度的变化具有良好的线性度,当温度在27～100℃变化时,电阻范围在653.5～716.5Ω变化。在接出一个8位的模数转换器以后,整个传感器和读出电路能确保一个精度为0.2℃的温度控制,满足一般PCR测量需要。