电容式微传感器产品设计

自20世纪70年代后期,伴随着集成电路技术的进步,一种与微型测量仪表封装在一起的电容式微传感器被创造了出来。电容式微传感器可以有效地降低分布式电容对其的干扰,从而弥补其自身的不足,具有广阔的发展前景。本文主要探讨电容式微传感器的优缺点和产品设计,阐述电容式微传感器产品在汽车行业、工业行业以及医学行业的应用,并展望电容式微传感器的市场前景。

电容式微超声传感器的电极参数优化设计

建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行静电-结构耦合仿真分析,研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响。分析了电极参数与传感器吸合电压,静态电容,机电转换比以及机电耦合系数的关系,最后得到了优化的电极结构参数,即金属电极面积为传感器振动薄膜面积的一半时,传感器具有较低的吸合电压和较大带宽值及机电耦合系数。

电容式微机械超声传感器设计与仿真

建立电容式微机械超声传感器(CMUT)微元三维有限元模型,经过分析CMUT微元不同结构对CMUT性能的影响,得到CMUT结构参数。设定工作频率范围1~2 MHz,工作电压Vdc<100V,首先,利用有限元模型进行模态分析研究薄膜参数与一阶频率的关系,以此确定薄膜参数;然后,在阐述相关理论和静态分析的基础上,仿真、分析空腔对CMUT性能的影响,进而确定空腔高度;最后,通过静电-机械耦合分析和计算机电耦合系数优化电极参数。对所设计的CMUT结构进行仿真验证,工作频率为1.65 MHz,塌陷电压为68 V,满足应用要求。

电容式微加工超声传感器(cMUT)的有限元仿真

介绍了电容式微加工超声传感器(cMUT)的基本结构和工作原理.同时使用有限元方法对cMUT的运行情况进行模拟.提出了两个ANSYS模型来阐述cMUT的塌陷电压与谐振频率.一个3D模型用来阐述制造过程中的残余应力对cMUT谐振频率的影响.另外一个3D模型阐述不同的运行环境对cMUT的谐振频率的影响.

电容式微加工超声传感器结构参数对性能的影响分析

介绍了电容式微加工超声传感器(cMUT)的工作原理,通过理论计算和有限元仿真分析,讨论了cMUT中薄膜厚度、薄膜半径、薄膜残余应力和空腔厚度的变化对传感器的塌陷电压和谐振频率的影响,为传感器的设计和制作提供了依据。

电容式微机械超声传感器(CMUT)声场特性分析

为研究CMUT指向性,将CMUT微元看成圆形活塞式换能器,根据指向性函数的理论,计算出CMUT微元的指向性公式,依据Bridge乘积原理,推导出了一种计算CMUT阵元、CMUT一维线阵和CMUT面阵指向性公式,并利用MATLAB软件对CMUT微元、阵元、线阵和面阵指向性进行了仿真分析,得出CMUT类型对指向性、主瓣宽度和旁瓣的影响,证实了多维模型的优势,为CMUT结构优化设计提供了基础。基于CMUT微元声场理论分析基础,根据瑞利-索末菲积分公式推导出CMUT阵元、CMUT阵列的辐射声场分布函数,并仿真验证了其聚焦和指向性性能。

电容式微加速度传感器偏置电压的设计与分析

电容式微加速度传感器中偏置电压产生的静电力会干扰加速度传感器的测量和稳定工作条件。文中分析受到加速度信号作用时,不同偏置电压极性对电容加速度传感器稳定工作条件的影响,得到一系列变化曲线。结果表明:若偏置电压极性为正正或正负配置,其反馈是负反馈,且偏置电压极性为正负配置时,加速度传感器承受加速度冲击的能力最强。若偏置电压极性为负负或负正配置,其反馈是正反馈,偏置电压极性为负正配置时,其抗加速度冲击的能力最弱。

电容式微机械超声传感器的工艺综述

电容式微机械超声传感器（CMUT）自出现以来,因其频谱宽、分辨率高、声阻抗匹配好等优势,在超声成像领域大有取代传统压电式传感器的趋势。围绕CMUT最主要的两种制造工艺方法,重点简述了表面微加工技术和晶圆键合技术的基本方法、工艺材料、薄膜形成等相关概念,并介绍了基于这两种方法加工制造CMUT的基本流程。从表面微加工方法中薄膜的沉积材料和结构以及晶圆键合方法中键合方式和键合温度等方面进行论述,总结介绍了CMUT加工工艺的研究现状。在此基础上对CMUT加工工艺的未来进行展望,提出应从工艺温度、薄膜材料、晶圆粗糙度和粘滞现象等4个主要方面进行重点研究,从而使CMUT早日实现推广应用。

基于陶瓷电容式微压传感器桥梁沉降监测系统的设计与应用

从陶瓷电容式微压传感器的工作原理、结构特点和技术指标几个方面,系统地介绍了基于陶瓷电容式微压传感器沉降测量系统的原理与特点,结合应用了该系统的具体工程实例进行研究分析,该系统具有很好的实用价值。

一种差分式电容传感器读出电路及其前置放大器的设计

采用基于开关电容技术的CMOS电路,实现差分式电容微传感器的信号读出;阐述了这种电路结构的工作原理;分析了噪声特性,并提出了减小噪声的措施。分析了各晶体管尺寸对热噪声和1/f噪声的影响,并在设计时进行了折衷。采用3μmN阱CMOS工艺参数对前置放大器进行了HSPICE仿真:放大器具有68nV/Hz的输入噪声、84dB的开环增益、130dB的共模增益等优良的交、直流特性;电路还可以达到1fF的输入分辨率。

海洋重力仪的电容式微位移传感器正弦激励源设计

介绍基于差动电容设计的电容式微位移传感器的工作原理,对检测电路的输入和输出关系进行了详尽的推导,确定使用直接数字合成技术(DDS)研制的正弦激励源电路,并运用maltab-simulink进行仿真数据,结果表明,幅值稳定度可达到0.000 001V,频率稳定性达到0.000 1Hz,该系统解决了以往正弦电路中幅值稳定度和高频时频率稳定度差的问题,提高了海洋重力仪的观测精度。

采用牺牲层技术的电容式微机械超声传感器的仿真与分析

电容式超声传感器有可能取代压电式超声传感器,在超声成像领域受到极大的关注。目前,对采用牺牲层释放技术加工而成的电容式微机械超声传感器(CMUT)的分析,均较少将释放工艺对其结构参数的影响进行详细的分析,故拟将牺牲层释放工艺对CMUT参数的影响进行分析。采用大型工程有限元分析软件ANSYS进行有限元分析的方法,分析释放方法对CMUT性能的影响。采用激光测振仪对超声传感器的共振频率为2.5 MHz的结构进行初步测试,实验结果和仿真结果的误差为3.9%。由仿真分析可知,CMUT振动膜的长宽比对4种CMUT的分析误差变动较大,一般情况下,当振动薄膜的长宽比大于4时,CMUT的振动频率变化不大,且4种模型的相对误差变化趋于平缓。此外,CMUT薄膜的厚度越薄,百分比差异越小。由此得知,牺牲层释放工艺对CMUT的性能有较大的影响,CMUT中支撑振动薄膜的侧墙和牺牲层的释放孔及释放通道对模型仿真有较大的影响。对采用牺牲层技术制造的CMUT,在设计和构建CMUT结构时,应考虑牺牲层释放工艺对CMUT性能的影响。实验结果和仿真结果具有很好的一致性,验证所提模型的有效性。

基于C-SOI工艺的一维MEMS电容式超声传感器阵列

提出了一种新的基于C-SOI工艺制备的电容式微加工超声传感器(CMUT)的方法。通过对加工过程中一些关键工艺步骤进行测试,发现所加工的微传感器尺寸与设计尺寸基本一致,且刻蚀的空腔高度均匀,键合效果良好,证明了工艺流程的可行性。此外,通过对所加工的传感器阵列进行测试发现,各阵元谐振频率和静态电容具有良好的一致性,说明以C-SOI工艺加工的CMUT器件满足设计要求,且适宜加工大阵列,这种加工技术使得加工成像阵列成为可能。

电容式数字微位移传感器的研究

设计了一种基于AD7745芯片的数字式的电容微位移传感器,采用屏蔽电缆和电容保护环技术,有效降低杂散电容的影响。采用数据滤波技术对采样数据进行处理,提高了测量的准确性和重复性。实验结果表明:该电容微位移传感器的分辨力为0.01μm,全量程线性度0.05%,性能较传统电容位移传感器有较大提高。

仿生电容式超声传感器的有限元仿真

针对超声在水中与空气中声阻抗特性不同,水中存在有效出射声压过小的问题,提出了一种仿生学电容式超声传感器模型,模仿海豚的额隆结构达到声阻抗匹配。通过comsol multiphysics 4. 3b对设计模型进行了有限元仿真。结果表明,本设计能够很好达到声阻抗匹配,有仿额隆结构时的最大输出声压是没有该结构时的4. 96×1013倍。

基于流固耦合模型的微超声传感器仿真分析

建立了基于流体固体耦合单元的电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行声场仿真分析,研究传感器阵列在不同介质中工作时的声场特性,如,谐振频率,发射声压等;分析了传感器振动膜半径、空腔厚度以及传感器单元间距的变化对其发射声压幅值和带宽的影响。仿真分析的结果表明:增大传感器的发射声压带宽,可以通过增大振动膜半径、减小空腔厚度或者减小传感器阵列中单元的距离来实现。

基于电容式微机械声学传感的纳米梁非线性振动控制

电容式微机械声学传感器(CMUT)具有高带宽、易集成阵列化、无需匹配层、灵敏度高等优点,利用CMUT器件检测纳米梁产生的声波信号,得到纳米梁的振动信息,将CMUT器件置于纳米梁下方作为振动信号检测传感器。应用静电反馈控制器,以Euler-Bornoulli梁为振动模型,提出基于CMUT传感的纳米梁非线性振动控制方法,建立纳米梁非线性振动微分方程,应用多尺度方法研究纳米梁的非线性振动控制。分析了控制增益等系统参数与纳米梁非线性振动之间的关系,研究了改变系统参数来增强系统振动稳定性的方法。研究结果表明,选择合适的系统参数可以减弱甚至消除系统振动的非线性并增强系统的稳定性。

基于MEMS技术的差分式微波信号相位检测器

提出了基于MEMS技术,由功分器、45°移相器和MEMS电容式微波功率传感器组成差分式微波信号相位检测器,实现了在被测信号幅度未知条件下全周期的相位测量.利用HFSS对各组件进行了模拟设计,包括功分器的模拟与设计和MEMS电容式微波功率传感器的模拟与设计,特别采用GaAs MMIC工艺制作了其中的MEMS电容式微波功率传感器,在8-12GHz的频率范围内,回波损耗小于-20dB,插入损耗小于0.2dB.最后利用ADS对整个系统进行了模拟,模拟结果与理论计算结果的误差在3.5%以内,并进行了误差分析.

一种基于MATLAB的CMUT阵列设计与成像仿真方法

为了分析阵列设计参数与成像效果的关系,提高微电容超声传感器(CMUT)阵列设计的可靠性,提出了一种仿真CMUT阵列水下成像方法。设计了一种CMUT结构,振膜厚3μm,振动单元边长1.16 mm,ANSYS仿真得出中心频率为464 kHz。讨论了阵列参数与声束指向性关系,以空间脉冲响应理论为基础提出了一种可显示CMUT阵列成像效果图的仿真设计方法。通过MATLAB对该方法的仿真,模拟了不同结构的CMUT线阵在不同激励形式下的水下成像。仿真结果表明,64阵元且阵元中心距0.5λ的CMUT线阵在单脉冲激励下成像效果最好。该仿真方法的实验结果与理论一致,且相比单纯理论分析该方法结论更直观,考虑成像影响因素更全面。

基于叠加法消除CMUT测量拖尾的研究

介绍了一种针对空气耦合电容式微加工超声传感器(CMUT)近场盲区的消除方法。从CMUT传感器本身的工作原理出发,通过计算CMUT传感器的集中等效参数建立了CMUT的弹簧-质量-阻尼等效模型,根据此模型分析了CMUT传感器拖尾信号产生的原因、激励脉冲宽度与拖尾信号的长度和能量的关系等;设计了反相叠加激励信号,证明了叠加法对消除CMUT拖尾信号的有效性;设计了由FPGA、信号驱动电路、信号提取电路、信号采集卡构成的测试系统;实验测试显示,该方法可以有效地改善CMUT传感器的盲区范围。