基于微形变分析的电容式MEMS加速度计温漂误差精密估计方法

针对传统的电容式微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度计(capacitive MEMS accelerometers,CMA)温漂误差(temperature drift error,TDE)补偿方法存在非精准溯源TDE致使TDE估计精度低、反复尝试估计模型构型导致构建过程复杂繁琐的问题,提出基于微形变分析的CMA TDE精密补偿方法。首先,通过微形变分析内部结构精准溯源TDE,基于径向基函数神经网络(radial basis function neural network,RBFNN)构建改进型TDE精密估计模型;其次,基于专家经验和模糊理论提出Expert-Fuzzy辅助决策下TDE估计模型辨识方法,为改进模型提供有效的构型指导;然后,设计升温试验测试CMA,构建传统模型和改进模型并通过对比其输出偏置稳定性评估TDE估计性能。实验结果表明,改进模型构建过程大大简化,补偿后CMA偏置稳定性提升约35%。本方法能够更加精准地估计TDE,有效解耦硅基材料的温度依赖性并提升CMA的环境适应性。

金属氧化物半导体MEMS气体传感器研究进展

随着物联网的快速发展,各领域对气体监测的需求越来越大,基于先进微机电系统(Micro-electro-mechanical systems, MEMS)技术的金属氧化物半导体(Metal oxide semiconductor, MOS)气体传感器在过去几十年里取得了很大发展。MEMS微热板的多样化设计、MOSs纳米结构的多样化以及机器学习算法的出现为MEMS的传感性能以及智能传感系统的构建提供了很大助力。本文从MEMS气体传感器的分类、制备和应用以及传感器阵列的构建等方面综述了金属氧化物半导体MEMS气体传感器的最新研究进展,并对MEMS基气体传感器的发展前景进行了总结和展望。

高频压电MEMS微镜设计与仿真

阵列化微镜设计可以实现微镜的高频工作。本文采用将驱动器隐藏在六边形镜面下方的设计方案来实现微镜阵列单元的制备,减小了微镜尺寸。在镜面内部引入了柔性结构匀散应力,降低微镜应力断裂风险,提高了微镜的可靠性,采用六边形密排的方式可以实现大于90%的占空比。所设计的微镜可以实现倾斜、偏转和活塞3种工作自由度,工作频率达到了23 000 Hz以上,共振偏转角度可以达到6.5°。对比传统的微镜阵列设计,本文设计提高了空间利用率和致动效率。

一种基于压电驱动的扭转式MEMS电场传感器设计与仿真优化

电力传感技术是实现新型电力系统数字化转型的关键,其中电场参量是重要的监测对象之一。提出一种基于压电驱动的扭转式微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)电场传感器。该微机电系统电场传感器的通过驱动结构带动屏蔽电极在感应电极表面周期性振动实现电场的调制测量。其压电驱动结构为4个对称分布的L型压电悬臂梁,屏蔽电极和感应电极为两对交错耦合的梳齿电极构成。接着通过COMSOL仿真软件建立了结构的固体力学-静电耦合模型,计算了敏感结构的谐振频率和振动幅值。结果显示:结构的工作模态下的谐振频率可达到25047 Hz,在3 V的交流驱动电压下屏蔽电极末端位移为85.06μm。进一步通过参数扫描方式对敏感结构的关键参数进行仿真分析。优化了梳齿电极的长度、宽度、间距、个数等参数以及感应电极长度、感应电极宽度、梳齿电极的个数和感应电极间距。最后完成了传感器的测试。测试结果表明:该传感器的灵敏度为3.24 mV/(kV/m),测量误差最大仅为3.75%。

集成差分电容式MEMS微型电场传感器设计与研制

在继电保护实际运行中,屏柜内部一些隐性故障将造成压板投退失效,严重威胁着电网的安全可靠运行。为了能够可靠、有效地监测出口压板的带电状态或电气导通性,设计了一种SOI差分电容式MEMS电场传感器。所设计的传感器以微机械元件物理设计为基础,构造出可靠的运行结构,并且依靠一个低噪声、高动态范围的接口IC来完成操作。所设计的接口集成电路在应对脉冲式的间歇性操作的同时,组织互补设备阵列以感应各种不同的测量信号。通过COMSOL Multiphysics仿真实验可以看出,所设计的传感器能够很好地满足压板状态监测的需求。

基于MEMS电场传感器的电压反演方法研究

针对电场逆问题的电压反演方法涉及复杂的矩阵逆运算问题,提出了一种基于微机电系统电场传感器的电压反演测量方法。首先介绍电场积分法反演电压原理,其次建立仿真模型获取空间电场分布规律;然后利用电场积分法进行计算分析;最后通过模拟架空线路测试平台对电场积分法进行验证。结果表明:仿真显示比例系数k=0.9时,3点高斯-切比雪夫积分法可实现三相电压的准确反演,最大误差为2.55%;k=0.7时,测试得到的反演电压幅值误差为5.75%。通过仿真与试验结果验证了所提反演方法的有效性,其研究结果可为架空线路非侵入电压反演测量提供理论方法指导。

Study of Piezoresistive Micro Electro-Mechanical Accelerometer Design Platform

According to the inland micro electro-mechanical system （MEMS） process technique level, a design platform of piezoresistive micro electro-mechanical accelerometer is given. This platform is much more adaptable to the inland designer compared with the current MEMS CAD software. The design flow is presented in detail, and the key techique in the platform is analyzed amply. The structure design methodology is exemplified in the design of a piezoresistive accelerometer, and the accelerometer is the optimized structure for the given performance requirements. The accelerometer is now being manufactured.

低功耗电阻型MEMS半导体气体传感器研究进展

电阻型MEMS半导体气体传感器在环境空气质量监测和有毒有害气体检测等领域得到了广泛应用,但是受限于功耗较高的原因,这类传感器难以广泛应用于便携式气体检测系统。文章综述了近年来低功耗电阻型MEMS半导体气体传感器的研究进展,分别从气敏材料、传感器结构和传感器模组的集成电路等方面探讨如何实现低功耗的电阻型MEMS半导体气体传感器的制备,并展望低功耗的电阻型MEMS半导体气体传感器未来的发展方向。

一种X波段三叉H型低电压RF MEMS开关设计

针对射频电路系统所需要的低电压,高隔离度,低插入损耗的应用需求,通过对开关正对面积对驱动电压产生的影响进行探究,设计了一款应用于X波段三叉H型的RF MEMS开关。开关具有六条悬臂梁作为支撑,通过增大上极板面积来降低开关的开启电压。分别使用HFSS和COMSOL对开关的射频性能和机械性能进行仿真,开关最终优化后,在8-12 GHz内,插入损耗为0.26~0.57 dB,隔离度大于31.30 dB。在10.1 GHz达到最优值,插入损耗为0.40 dB,隔离度为50.25 dB。开关电压在11V时就能够实现状态转换,开关的响应时间为18μs。此开关可与射频可重构器件结合,应用于新一代射频微波领域。

一种Iridium机会信号/MEMS-INS组合定位技术

针对铱星(Iridium)系统作为一种天基机会信号源可以实现载体静态定位功能,但是其可见星较少,无法实现独立动态定位的问题,提出一种Iridium机会信号/MEMS-INS组合定位技术:分析Iridium信号体制及Iridium多普勒观测量提取算法;然后建立基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的Iridium/惯导(INS)动态组合定位模型,并提出一种基于新息的自适应抗差EKF算法(AR-EKF);最后搭建微机电惯导(MEMS-INS)与Iridium信号组合定位系统。实验结果表明,提出的Iridium/INS组合定位AR-EKF算法相比EKF算法定位精度可提高40%以上,相比单INS定位精度可提高90%以上,可为GNSS失效场景下动态定位提供参考。

基于MEMS声敏结构的光纤声波传感器

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)工艺加工声波敏感结构,将声波敏感结构与光纤端面构成非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)感知声波。研究了不同厚度和不同增敏环数的声压敏感薄膜结构对声波探测性能的差异,对比了信噪比测试结果。实验结果表明,针对400 nm和1000 nm厚度的声敏薄膜,在相同的测试条件下,前者的声敏结构位移更大、频率响应的信噪比更高。在相同薄膜厚度条件下,具有增敏结构的MEMS薄膜可以释放薄膜的初始应力,降低薄膜的刚性,相比无增敏结构的MEMS薄膜具有更高的灵敏度。

MEMS传感器在岩溶塌陷物理模拟试验监测中应用研究

针对岩溶塌陷地下土体位移监测难度大的问题,提出了一种基于微电机系统(Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS)传感器的监测方法。采用时域积分算法处理MEMS加速度数据,先去除噪声和直流分量,通过多项式拟合去除趋势项,从而获取位移监测数据,通过定距试验分析算法误差。设计了2组室内模型试验,一组将MEMS传感器集中布设于稳定区,另一组多布设于塌陷区,对不同埋深土体的位移进行监测,结合粒子图像测速设备(Particle Image Velocimetry,PIV)实测数据分析误差,验证利用MEMS传感器监测土体位移的适用性和实用性。结果表明:根据MEMS的加速度时程,通过时域积分算法能有效获得土体的位移,MEMS传感器可用于岩溶塌陷的实时监测;分析得到岩溶塌陷地下土体位移规律,土体位移的变化与塌陷源位置相关,随着土体高度的增加,位移逐渐减小,而处于塌陷源正上方的土体水平位移几乎为0;工程中可针对已经发生的塌陷和有可能发生的塌陷2种工况,分别将MEMS传感器埋设在稳定区和塌陷区,进行实时监测,保障生命财产安全。提出的方法为岩溶塌陷的监测提供了新的思路,也为MEMS传感器在岩土工程中的应用奠定了基础。

一种MEMS压力传感器温度补偿方法

针对微机电系统(MEMS)压阻式压力传感器受环境温度影响产生温度漂移的问题,该文分析了常用的温度补偿方法,提出了一种基于粒子群优化-径向基函数(PSO-RBF)的压力传感器温度补偿模型,结合标定实验采集的样本数据,建立了标定压力同敏感元件输出电压和温度的非线性映射关系,实现了温度补偿效果。结果表明,与传统的最小二乘法、三次样条插值法、标准RBF、粒子群优化反向传输神经网络(PSO-BP)、核极限学习机(ELM)神经网络等方法相比,该算法具有更好的补偿预测效果,且对样本数据不需要归一化处理,具有良好的工程实践意义。

集成ASIC补偿电路的高温动态MEMS压力传感器

随着工业技术的进步,高温高动态压力传感器的应用需求显著增加。提出一种集成专用补偿电路的高动态硅压阻式微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)压力传感器,进行压力敏感芯片的结构设计和加工工艺设计,并对压力传感器进行封装和温度补偿电路设计。多层绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)材料能够使传感器在高温环境下正常工作。无引线的封装方式可有效提升传感器的频响性能。传感器后端集成了桥阻式专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC),能够显著减小传感器的体积,同时提升传感器整体性能。该MEMS传感器通过自动压力测试系统进行性能试验,结果表明MEMS压力传感器经过补偿后能够实现较高的线性度、稳定的零点输出特性以及理想的动态输出特性。

电容式MEMS陀螺电极间隙标定方法研究

该文以蝶翼式陀螺为研究对象,研究了电容式微机电系统(MEMS)陀螺电极间隙标定的方法。提出了一种基于谐振测量的电学标定方法,设计了基于调制解调技术的高精度微弱电容检测电路,并可以通过开关控制实现蝶翼式陀螺不同接口电容电极间隙的测量与标定。基于陀螺工作原理建立了电极间隙理论分析模型,推导了电容间隙与输出电压之间的关系,搭建了电极间隙测量与标定平台,测量了多个陀螺不同电极的间隙,并与采用电容-电压(CV)分析仪、台阶仪的测试结果进行了对比。与CV分析仪测试方法相比,该方法可有效地避免寄生电容的影响,在寄生电容未知的情况下可准确测量出有效电极间隙,同时具有更高的分辨率。与台阶仪测试方法相比,该方法可以准确反映实际电极位置的间隙大小。被测陀螺的电极间隙理论设计值为2μm,采用该文提出的方法测试值分布范围为1.92~2.2μm,采用CV分析仪测试结果为2.004μm(寄生电容已知),采用台阶仪平均测试值为2.11μm。

高后坐过载下硅基MEMS后坐保险装置响应特性

针对硅基相较于金属基材料延展性不足,在上万g发射环境下硅基MEMS后坐保险装置易发生失效的问题,对一种垂直基板式硅基MEMS后坐保险装置进行高后坐过载下响应特性研究。研究结果表明:高后坐过载下后坐保险装置的最大应力集中点位于靠近质量块的弹簧拐弯处,0.08 mm厚的弹簧在勤务跌落情况下最大应力值为1 188 MPa;闭锁机构的直角卡钩易发生闭锁后反弹脱钩;当弹簧厚度不超出0.2 mm时,增加弹簧厚度可以有效缓解跌落环境下弹簧的应力集中,最大应力值降低40.76%;当弹簧厚度达到0.24 mm后,应力集中加剧,达到0.28 mm后正常发射环境下质量块无法达到闭锁位移。为硅基MEMS后坐保险装置改进提供支撑。

基于MEMS硅基谐振器的磁场传感器最新进展

随着智能时代的到来,磁场传感器已经广泛应用于移动设备中,为用户提供定位和导航等服务。目前,基于霍尔效应的磁场传感器和基于磁性材料的磁阻式传感器是人们普遍采用的2种磁场检测传感器。基于霍尔效应的磁场传感器的优点是成本低,不需要外加磁性材料,且制作工艺和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。这种传感器的工作范围一般为10μT~1 T,并可以通过增加功耗的方式来提高分辨力。磁阻式磁场传感器拥有较高的分辨力和较宽的工作范围(0.1 nT~1 T),其性能主要取决于磁性材料。除了以上2种方式外,由硅基微机电系统(MEMS)谐振器构成的谐振式磁场传感器利用洛伦兹力对磁场的依赖性实现了对磁场的检测,具有体积小、功耗低、性能优异且与CMOS工艺兼容等优点,近年来受到研究人员的广泛关注。本文回顾了由MEMS硅基谐振器构成的磁场传感器的最新发展动态和性能提升方法,并总结了当前存在的关键挑战和未来机遇。

基于电容检测的高精度大量程MEMS加速度计设计

为满足系统在导航和倾角测量等领域对高精度、大量程加速度计的应用需求,设计了一种高精度、大量程微机电系统(MEMS)加速度计。加速度计敏感结构采用梳齿式结构,电容/电压(C/V)转换电路采用开关电容架构,通过斩波技术和相关双采样技术有效降低调理电路的1/f噪声。为提高系统线性度,模/数转换器(ADC)采用2阶1 bit Sigma-Delta架构,同时采用斩波技术降低ADC的失调及1/f噪声。本文设计采用0.18μm BCD工艺,调理电路面积为28 mm^(2)。测试结果表明:MEMS加速度计在±50 gn的量程下,零偏稳定性达到73.7μg,非线性度为69.3×10^(-6),总功耗110 mW。

一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器

针对温度和应力变化带来的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题,该文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的微机电系统(MEMS)谐振式电场传感器。传感器结构中,感应电极用于测量外部电场,参考电极用于监测可动结构振动信息;基于振动相位和锁相环技术实现传感器谐振频率自动跟踪,利用参考电极输出信号对感应电极输出信号进行实时补偿,提高传感器灵敏度的稳定性。该文开展了敏感结构设计和理论分析,研制出传感器样机,并进行了样机标定测试。测试结果表明,在±18 kV/m电场范围内,传感器线性度达到0.21%,3个往返行程总不确定度达到1.34%;在–40℃~70℃温度范围内,灵敏度相对漂移量小于3.0%,具有良好的灵敏度漂移自补偿效果。

基于空间映射的S波段MEMS带通滤波器设计

针对目前RF MEMS带通滤波器存在带内插损大、回波损耗大、不易集成、调试周期长等问题,论文采用空间映射法设计并优化了一款七阶S波段交指带通滤波器。经过4次参数提取和5次精细仿真,该滤波器达到了设计指标要求。仿真结果表明,设计的滤波器中心频率为3.5GHz,带内插损小于1.5dB,3dB带宽为0.95GHz,中心频率左右0.7GHz处的带外抑制大于40dB,带内群时延小于4.5ns,且平坦度大于50%,整体体积为8.5mm×7.4mm×4.2mm。此滤波器能满足通信系统小型化的应用需求,在微波通信领域具有一定的应用价值。