用于机器人手指的SOI基板微压阻式力传感器

压阻式力传感器常被用作工业机器人手指接触力传感器,为准确测量微小力与力矩,设计并测试了一种用于六自由度微力测量的微压阻式力传感器。该传感器由传力支柱、软半球盖、力-力矩传感结构和Wheatstone电桥四部分构成。采用有限元方法分析了各方向上施加力时应力的分布情况,由此确定了压敏电阻的位置分布。采用光刻、掺杂、深反应离子刻蚀和键合等微细加工工艺制备微压阻式力传感器的力-力矩传感结构(2 mm×2 mm×0.5 mm)。测试结果表明:传感器的量程为0~875 mN,z方向上的力Fz灵敏度为0.14 mV/mN,y方向上的力矩My灵敏度为1.76 mV/N·μm,x方向上的力矩Mx灵敏度为1.66 mV/N·μm,力-力矩传感结构相互间的串扰≤5%,并且施加的力与输出电压呈线性关系。该传感器具有体积小、灵敏度高和可靠稳定的特点。

基于聚酰亚胺薄膜的柔性Cu-Ni热电堆的制备与性能

基于塞贝克原理,在聚酰亚胺薄膜上采用溅射、光刻和剥离工艺制成由78对Cu-Ni热电偶组成的闭合回路热电堆,可满足人体穿戴设备对灵活性与集成性的要求。进一步将热电堆使用波形模具成型为波浪形,成型后在上下表面分别覆盖石墨层。热电堆长66 mm,宽38 mm,高2.5 mm。测试时上表面与空气接触用于散热,下表面与人体皮肤接触用于吸热。在人体手腕处佩戴,规律性上下摆动,测得周期性输出电压最大值为1.74 mV。将波浪形柔性Cu-Ni热电堆以不同的曲率半径弯折并进行测试,结果表明:柔性Cu-Ni热电堆平展时输出电压随温差变化最大,为15.7 mV/K,约为理论输出电压的75%。Cu-Ni热电堆灵活性强,灵敏度高,可实际应用于柔性可穿戴设备。

微热对流式惯性传感器悬臂梁结构的优化与制备

为进一步提高微热对流式惯性传感器的设计精度与灵敏度,对常用的悬臂梁结构进行了优化。设计了三种不同悬臂梁结构尺寸的微热对流式陀螺仪作为实验载体。为得到悬臂梁结构对传感器灵敏度的影响,仿真分析了三种不同尺寸悬臂梁的加热器功耗与性能因数的关系。采用微电子机械系统(MEMS)工艺分别制备了三种微热对流式陀螺仪芯片,并对其进行封装。为验证仿真实验得出的悬臂梁不能过宽过厚的结论,对所制备的三种陀螺仪分别进行了加热器功耗与性能因数以及角速度与输出电压的测试实验。测试结果表明:在对加热器和热敏电阻分别施以工作电压7和2 V时,测得三种陀螺仪X方向上的灵敏度分别为1.9、0.4和1.1μV/rad/s。因此对于微、纳米级热对流式惯性传感器,其悬臂梁结构对热敏电阻传热的影响不能忽略,可通过优化悬臂梁的结构尺寸进而提高传感器的灵敏度。

基于pn结的微热加速度传感器

在密闭腔室,设计加热器和测温元件结构并充入气体后加热,腔室内可以形成稳定的热对流场。由于气体存在惯性,当外界有加速度作用时,指定位置放置的pn结可以检测到温度变化。通过仿真分析优化了腔室的合适直径和pn结放置的具体位置。为有效提高温差,优化了pn结的形状以解决因提高气体工作温度带来的热应力集中问题。利用微细加工技术制备了加热器、pn结及腔室结构。对所制备的pn结的伏安特性进行了测试,封装后的传感器测试结果表明:气体温度为200℃时,传感器的灵敏度为8 mV/g,非线性度为0.23%。制备的基于pn结的微热加速传感器具有应力小、灵敏度高的特点。

用于植保无人机的MEMS热式风速传感器的研制与应用

针对传统农用植保无人机(UAV)在喷洒作业过程中受环境风速影响造成的农药飘移及喷洒效率低等问题,研制了一种可应用于植保UAV的大量程柔性微电子机械系统(MEMS)热式风速传感器。该传感器选用聚酰亚胺(PI)作为柔性衬底材料,金属铂(Pt)作为热敏电阻材料,利用磁控溅射技术、电镀和光刻工艺等MEMS制备工艺完成了带空腔的新型风速传感器的制备,其具有体积小、灵敏度高和可贴合于曲面等优点。对传感器热敏电阻进行标定并采用恒温差电路工作方式,通过实验测试,传感器的风速测量范围为0~30 m/s,灵敏度可达6.20 mV/ms^(-1),满足植保UAV飞行过程中对环境风速的测量要求。