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。

用于海洋三维温度场监测的MEMS温压一体式传感器

海水温度和深度信息的采集在水文、气象、渔业、生态保护等领域具有重要意义。基于微机电系统(MEMS)技术研制了一种用于海水温度及深度检测的温压一体式传感器。该传感器采用双面设计,利用薄膜式铂电阻传感单元和压阻式压力传感单元分别检测温度和深度信息。两种传感单元均可通过MEMS工艺进行制作,且制作工艺互相兼容,因此,该传感器具有尺寸小、易于大批量制造、可与CMOS集成等优点。经对该传感器性能进行测试,温度传感单元在0~40℃范围内的电阻温度系数为0.27%/℃,测量精度为±0.04℃,同一批次样品电阻温度系数标准偏差为±0.0049%/℃;压力传感单元的量程为0~10 MPa,在该量程范围内其有良好的线性度(R^(2)=0.9993)、灵敏度(14.14 mV/MPa)和批量一致性(灵敏度的标准偏差为±0.896 mV/MPa)。此外,利用温度传感单元信号对压力传感单元在不同温度下的输出电压进行温度-压力解耦,解耦后压力传感单元在5~35℃温度范围内的最大相对误差由8.42%降低至1.07%。开发的MEMS温压一体式传感器满足了海水温度和深度检测的性能需求,有望解决海洋三维温度场监测的难题,在海洋环境保护和水文信息采集等领域有着广泛的应用前景。

立体微型器件的微制造技术及其在微机电系统(MEMS)的应用

综述了近年来与微型机电系统（MEMS）相关的材料微制造和微加工技术的最新研究进展.重点介绍了如何利用硅晶片作为微型模具来制备压电陶瓷和热电材料的微型柱状阵列结构和反应烧结碳化硅微型转子等微制造技术,并展望了材料微制造技术在研制微型医疗器件和微型移动能源方面的应用前景.

三维微机电系统声发射传感器设计及性能分析

声发射技术作为一种动态无损检测手段,主要实现对材料产生的缺陷进行动态监测及损伤位置的预测。微机电系统声发射传感器在检测材料疲劳裂纹位置和扩展方向上应用广泛,实现其对材料裂纹的3-D动态位移检测,对于无损检测技术的发展具有重要意义。该文提出了一种新型3-D微机电系统声发射传感器,首先对3-D微机电系统声发射传感器进行了结构设计和性能分析,结构方面主要包括z方向响应传感单元和x、y方向响应传感单元设计;其次通过传感器的阻尼、谐振点处灵敏度计算,证明传感器的性能良好;最后采用有限元软件ANSYS对z方向响应传感单元做了模态和谐响应分析,x、y方向响应传感单元做了模态分析和谐响应分析,仿真结果与理论值吻合较好,验证了结构设计的合理性,对实现材料裂纹的三维动态检测具有一定的参考意义。

基于MEMS传感阵列的海底地形形变原位监测装置

为了满足南海天然气水合物资源试采环境评价的迫切需要,提出基于微机电系统(MEMS)传感阵列的海底地形形变监测技术及装置.开发基于MEMS传感阵列的多点同步采集系统,在实验室理想环境测试中,实现30 m×30 m区域的地形原位监测,地形形变监测分辨率优于5 cm且监测误差小于13 mm.构建三维海底地形变形矢量模型,利用MEMS传感器的扭转角和各节的长度确定传感阵列变形后的空间位置,采用细分算法拟合获得地形的表面形态.所提海底地形形变监测装置在水深为1203 m的天然气水合物试采区完成连续6个月的原位监测.海试结果表明,MEMS传感阵列观测到的地形最大沉降量为2 cm,最大抬升量为10 cm.

MEMS微机电感测技术擅场时代

自从20年前由ADI(亚德诺半导体)做成业界第一颗MEMS(微机电系统)XL传感器单芯片起,有近十年的时间MEMS传感器几乎都是以汽车的安全气囊应用为主力,以及航天飞行应用上。最近十年,随着MEMS厂商在技术发展上屡见突破,让业界发展出基于MEMS技术的各式产品。MEMS传感器在可携式领域自2007年起逐年呈强劲的成长。应用范围扩及摇控器、PDN、MP3播放器、数字相机、游戏机控制器、笔电、手机到电子书阅读器。尤其是在2000年后,任天堂Wii游戏机大胆采用ADI(亚德诺)和ST(意法半导体)两家的MEMS动作传感器,随即风靡全球消费市场。未来智能型传感器将朝向功能更加强大、尺寸更小型及更低功耗目标迈进,显示MEMS产业的竞技门坎将越来越高,但也越让我们期待新技术的来临。

微机械传感器计算机辅助设计系统

微机械传感器计算机辅助设计已成为微机械传感器研制中的必要手段。本文介绍了机械微传感器计算机辅助设计系统的结构和特点．并以一种特殊的硅微加速度传感器设计为例，论述了有关的技术问题。

中科院成功研制出MEMS电场传感器创新产品

中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室的研究人员经过深入研究，成功研制出基于微机电系统（MEMS）技术的电场传感器系列创新产品，包括地面大气电场传感器、探空大气电场传感器、三维电场传感器，以及面向智能电网应用的电场传感器等，并于2013年9月通过了产品设计定型鉴定，目前已实现小批量生产和应用。

基于SOC和iMEM技术的无线传感网络系统的研究

近年来Zigbee无线传感网络、Wi-Fi无线网络与微机电系统(iMEMS)技术蓬勃发展,广泛应用在家庭自动化、消费电子和便携设备上,未来前景看好。若将这些技术整合一起,将创造神奇的功能,扩大其应用领域。使用德州仪器公司于2009年最新推出SOC芯片-CC2530、三轴加速度计ADX L345,弯曲传感器,整合Zigbee无线传感网络技术,制作成手套型遥控器。使用者的姿势与动作从iMEMS传感器撷取信号,经由Zigbee无线网络传送到其它节点装置上,执行监控功能。Zigbee无线网络可通过Zigbee-Ethernet网络网关、连接到PC计算机、Internet或无线移动设备,执行信息交换与远程监控功能。预期这套系统在未来将可提供人们更舒适、安全与便捷的生活。设计了三套应用系统:(1)智能型居家系统;(2)交通信号管制系统;(3)计算机在线互动游戏,进行系统测试与功能验证,效果良好。

基于MEMS传感器的无线传感网络节点的硬件设计

为了解决对建筑物的结构健康安全监测进行在线监测的问题,采用微机电系统(MEMS)技术和无线传感器网络技术相结合的方法,提出了一种基于磁驱动增大检测电流的新型电容式加速度传感器结构,介绍了其工作原理,并设计了该传感器的电容检测电路,在ANSYS仿真软件上对传感器性能进行了评价,在Multisim上对检测电路进行了模拟仿真;仿真结果表明,该传感器可以检测三维加速度信号,静态灵敏度可达0.558μm/g,动态测量范围为10 g,电路实际输出与仿真结果相符,符合要求;在节点整体方案设计中以低功耗的MSP430F1611作为控制MCU,以CC2430芯片实现无线收发,配合周围接口电路实现了位移信号的监测功能;采用片内温度传感器对节点进行了测试。测试结果表明,该节点能够完成监测,满足设计要求。

MEMS微针阵列及其在生物医学上的应用

利用微机械技术制作的 MEMS微针阵列是 MEMS技术在生物医学上一个重要应用 ,它为生物医学领域提供了新的医疗手段。微针技术在精确药物注射、临床监测、生化检测等领域有着广泛的发展前景。本文介绍了MEMS微针阵列在生物医学领域的三个方面的重要应用 :生物医学微针电极、经皮药物传输及流体采样 ,对他们的应用原理和当前的最新技术进展进行了概述 ,说明了 MEMS微针应用的特点 ,它为患者提供了无痛、高效、安全的医疗手段 ,更符合医学研究人性化的特点。另外 ,讨论了微针阵列制作的一系列工艺方法。

基于MEMS技术的全光热成像芯片与系统的研制

提出了一种新颖的非致冷光读出热成像芯片的设计 ,其核心部分是一个 m× n的可动微镜阵列 ,可动微镜是由双材料弯折梁及其所支撑的微镜面组成 .在红外辐射的作用下 ,梁发生弯曲带动微镜面发生的位移变化对输出可见光的强度进行调制 ,即利用光调制原理完成光信号转换和增强 .采用体硅 MEMS技术 ,成功地制作出了 5 0×5 0的可动微镜阵列 .测试表明 :工艺一致性和残余应力对释放前后可动微镜表面粗糙度与平整度。

四元阵列MEMS矢量水听器的有限元分析

运用ANSYS Workbench12.0有限元软件对一种单片四元阵列微机电系统(MEMS)矢量水听器微结构进行了有限元分析。首先介绍了四元微结构的工作原理,然后推导了四元微结构的数学模型并建立了有限元模型,最后对该微结构进行了静、动态特性分析,得到了该四元微结构的电压灵敏度为0.6mV/Pa,维间耦合≤1.6%,固有频率为1 982.5Hz,满足水听器设计指标。

新型微机电传感技术

传统的大型传感技术如悬臂、声表面波、石英晶体微天平等技术的根本问题是，它们没有自我补偿系统（也就是说，它们需要严格的环境控制或外部电补偿）。例如，非特异性的影响如在温度变化时非特异性的生物分子间的相互作用可以显著地影响谐振传感器的灵敏度。目前，英国纽卡斯尔大学的科学家已经开发出一种新型谐振传感器，这种技术的优点包括：

MEMS矢量水听器阵列方位估计的对比研究

基于新型微机电系统(MEMS)仿生矢量水听器,首先利用计算机仿真对比分析了阵列空间谱估计4种相关算法(包括MUSIC算法、Capon最小方差法、空间平滑算法和MMUSIC算法)的优劣性。其次在对比分析的基础上,考虑实际操作的可行性和信号处理的准确性,选取定向精度较高,分辨能力较强的MUSIC算法处理不相干信号源,选取MMUSIC算法处理相干信号源。通过仿真验证和实验分析,结果表明,该MEMS矢量水听器阵列定向精度均在5°以内,具有较好的定向能力。

基于FPGA的MEMS捷联惯性导航系统设计

针对石油、煤矿等特殊环境中对小型化捷联惯性导航系统的需求,设计并实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)单芯片控制的微机电系统-惯性测量单元(MEMS_IMU)小型化捷联惯性导航系统。系统采用ADI公司的MEMS_IMU作为惯性器件,主控芯片使用Cyclone III系列FPGA,采用可编程片上系统(SOPC)工作模式,最终制成尺寸4cm×11cm的捷联惯导系统。系统实现了数据采集、误差补偿、导航解算以及与上位机通信等功能。实验结果表明,系统能满足在钻井等小尺寸测量环境中使用,连续姿态变换过程中姿态误差小于2°,实现稳定工作。

基于MEMS加速度计阵列的测斜仪设计

针对岩土工程边坡失稳现象中岩土内部位移变化监测需求,设计制作了一种基于微机电系统(MEMS)加速度计阵列的测斜仪。该测斜仪系统由一个基于STM32控制模块和8个由三轴的加速度计单元模块构成。各单元模块空间位置改变,各加速度计的输出经模数转换后通过串口传输到PC端,利用卡尔曼滤波算法与基于欧拉角的姿态解析算法,实现测斜仪倾斜变化以二维图形方式显示。

沉浸式微机电系统三维仿真及可视化

设计实现了基于Voxel体积图形学和沉浸式三维立体显示的MEMS工艺仿真系统。利用三维数学形态学膨胀/腐蚀操作对MEMS加工工艺进行三维数值模拟;利用体绘制技术实现模拟结果的三维重建;采用三维立体显示技术将三维重建结果投射到Sony HMZ T3头盔上。此外,为了方便用户在模拟出的大规模三维体数据中进行实时浏览和交互操作,还设计实现了基于微惯性测量单元(IMU)的头部跟踪传感器,进而实现了三维场景头部直接控制。

MEMS用新型微型超级电容器的制造及性能分析

采用微加工工艺为MEMS制作了一种基于电化学赝电容原理储能的微型能量存储器件——新型微型超级电容器。通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS微加工工艺制作了硅基3D微电极阵列，并在其表面用阴极电沉积法制备了氧化钌功能薄膜。采用循环伏安法和交流阻抗法研究了3D微电极的性能，系统比较了3D微电极与平面微电极的电化学性能，测试结果表明3D微电极的比电容达1．57F·cm^-2。基于三维微电极阵列阳极和钌钛金属氧化物阴极组装了微型超级电容器，恒流充放电测试结果表明该电容器的比容量达0．73F·cm^-2，比功率达0．50mW·cm^-2，比能量达0．36J·cm^-2。

MEMS陀螺阵列的RCC-OBE估计融合方法

为提高微机电系统(MEMS)陀螺的精度,提出一种基于松弛Chebyshev中心(RCC)的最优定界椭球(OBE)算法,并用于陀螺阵列信号的融合。以单个陀螺误差输出模型为基础,建立了阵列系统的机动融合模型;由于噪声统计特性的不确定会导致传统融合方法精度下降,引入仅要求噪声未知但有界的集员估计理论,运用OBE算法实现角速率信号的稳健估计;在OBE算法中,往往采用椭球几何中心作为真实值的点估计,但该中心并没有理论上的最优特性,而可行集的Chebyshev中心具有很多优良特性,同时,考虑到准确的Chebyshev中心求解十分困难,转而求解可行集的RCC,作为速率信号的点估计,设计了以RCC作为输出的OBE更新过程和新的参数优化准则。采用6个陀螺构成的阵列进行了验证试验,结果表明基于该算法的阵列估计融合方法在获得角速率保证边界的基础上,可以进一步提高MEMS陀螺精度。