一种基于穿戴式MEMS传感器状态识别的多部位PDR算法

随着位置服务(location based service,LBS)应用需求的日益增加以及多部位微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)导航传感器的广泛普及,行人航位推算(pedestrian dead reckoning,PDR)越来越受关注,成为行人导航研究中主流的技术之一。但是,低成本的MEMS传感器测量噪声大,PDR解算误差积累严重;且PDR算法的普适性差,不同穿戴位置的MEMS导航传感器约束条件的可用性差异明显。提出了一种基于穿戴式MEMS传感器状态识别的多部位PDR算法。首先,采用支持向量机(support vector machine,SVM)进行全监督训练,实现了静止状态及运动状态下手部、腿部、腰部、足部4种穿戴位置的准确识别;然后,分析了不同穿戴位置下PDR算法的适用性,根据适用性分析结果提出了多部位PDR的综合解算策略。实测结果表明,该方法能够动态、准确地实现穿戴式MEMS传感器的状态识别,正确率达97%以上;应用PDR综合解算策略后,足部PDR能够实现高精度解算,累计误差为0.74%,而其他位置(手部、腿部、腰部)解算效果得到显著改善,累计误差从识别前的6.76%~21.19%减小为2.92%~5.62%。

基于FPGA的矩阵式MEMS传感器数据同步采集系统设计

消费级MEMS(Micro-Electro Mechanical System,微型电子机械系统)惯性传感器使用广泛,成本低但精度相对较差。使用多个消费级MEMS传感器构成传感器矩阵,通过数据融合算法提高精度是一种有效方法,其中对矩阵式多传感器数据的同步采集是关键。为此,设计了电平转换电路,基于FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)构建了多达32路的实时同步数据采集系统,为实现高精度的矩阵式惯性传感器组件提供了一种解决方案。

一种低功耗MEMS压阻式传感器的动态测试系统

为了准确分析侵彻过载信号,提出了一种低功耗、高过载的动态测试系统,该系统可以承受2×10~5g过载信号,为了实现采样率高、低功耗、抗冲击的特点,系统采用硅晶振作为主振荡器,并选用低功耗CMOS芯片,当系统开始工作时,处理器进入深度休眠模式,当进入发射模式时开始对外围电路供电.当弹体发射信号时,采用滞回触发电路来触发启动采集系统开始采集.实验证明,采用此方案,延长了弹体生存周期,并能够精确采集到空气炮的过载信号.

基于谐振式MEMS传感器的仪表开发关键技术

针对基于谐振式MEMS传感器开发数字智能仪器仪表的高精度、快响应频率测量技术展开研究。以一谐振式MEMS气压传感器为开发样件,其差分输出是两路40～70 kHz之间的正弦频率信号。对传统的频率测量方法进行阐述分析,提出一种新的结合传统测频方法各自优点的频率检测方法。设计实现相关软、硬件,搭建测试系统,实验结果表明该测频方案针对40～70 kHz的频率信号误差小于±0.02 Hz,响应时间为1 s以内。

一种谐振式MEMS压力传感器单芯片级真空封装和低应力组装方法

为提高谐振式MEMS压力传感器的品质因数，且同时降低温度漂移，设计了一种传感器的单芯片级真空封装和低应力组装方法，选用非光敏苯并环丁烯（BCB）材料在真空加热、加压条件下实现PYREX7740玻璃空腔与传感器芯片的黏合键合，在可伐合金管座上加工出与传感器尺寸相匹配的方形空腔，实现传感器芯片的低应力组装．实验结果表明：传感器具有较高的品质因数（9455），检测范围为500—1100hPa，灵敏度为9．6Hz／，hPa，满量程最大非线性度为0．08％，-40℃-50℃内温度系数为0．9Hz／℃，温度总漂移为传感器满量程变化的1．3％，传感器在开机加电稳定后长时漂移为0．086％F．S．

高精度宽量程MEMS皮拉尼真空度传感器

真空度传感器是真空检测的核心元件。基于全桥结构微电子机械系统(MEMS)皮拉尼芯片开发了一款高精度宽量程MEMS皮拉尼真空度传感器。全桥结构的设计从芯片级有效抑制了传感器的温漂。测试结果表明,传感器最大温漂为0.15%/℃。校准后,该传感器能够在5×10^(-2)~1.01×10^(5)Pa的真空度范围内实现小于5%的高读数精度,最大灵敏度为1.34 V/Dec。传感器平均噪声小于-100 dB,理论计算最小检测极限为1.9×10^(-3)Pa。该真空度传感器具有宽量程和高检测精度的特点,能够满足不同领域的真空检测需求。

基于MEMS和MR传感器的嵌入式系统姿态测量

本文介绍了一种基于新型MEMS加速度计和MR(磁阻)传感器的嵌入式姿态测量系统。通过本系统,可以获得载体的三个姿态参数:基于地球磁场的方位角,基于地球重力场的俯仰角和横滚角。

纤毛式MEMS传感器技术研究

首次综合国内外纤毛式MEMS传感器的研究成果,分别介绍了基于纤毛仿生原理的三维微触觉传感器、三维微力传感器、微声传感器、水流传感器、微几何测量传感器以及矢量水声传感器等。该类型传感器充分地将仿生学和MEMS技术结合起来,具有结构新颖精巧、体积小、功耗低、响应快、温漂小、精度高等优点,为开发具有自主知识产权的新型器件提供了新的思路。

MEMS压阻式加速度传感器的研究进展

介绍了MEMS压阻式加速度传感器的特点和工作原理,分析了国内外MEMS压阻式加速度传感器的研究热点及进展。

灵敏度和偏移补偿的MEMS压阻式加速度传感器

针对传感器中存在的灵敏度和偏移补偿问题,提出了一种新的MEMS压阻式加速度传感器设计,它由一个传感器和一个总的接口电路构成,可用0.18μm商用CMOS工艺实现设计。传感器结构由8个硼扩散结晶体压敏电阻连接起来构成一个惠斯通电桥来感知加速度;接口电路由一个主放大器和传感器灵敏度及温度偏移补偿电路构成;实验结果表明,传感器具有很高的在轴加速度灵敏度和灵敏度补偿效果,整个系统具有可达5 k Hz的可扩展的系统带宽,而且偏移估计误差减少到了±10μV以内。

静电驱动MEMS谐振式压力传感器闭环拓扑研究

谐振式压力传感器闭环拓扑结构对保持机械谐振器振荡的稳定性和可靠性起着重要作用。针对一种典型结构的静电驱动电容检测MEMS谐振式压力传感器,在分析工作原理的基础上,构建了其混合信号模型。基于该模型搭建了自激振荡、自动增益控制、锁相环和带AGC的自激振荡四种闭环拓扑结构。在混合信号仿真平台下,对四种拓扑结构在起振状况、自动频率跟踪特性、抗冲击性和频率稳定性四个方面进行了仿真比较。结果表明,锁相环闭环拓扑结构表现出较好的综合性能。

H型梁谐振式MEMS压力传感器设计

谐振式微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)压力传感器因其灵敏度高、体积小等特点近年来被广泛研究。根据谐振梁在不同压力作用下发生振动时,轴向应力的改变引起谐振梁等效刚度变化,从而进一步改变谐振梁谐振频率的原理,文章提出一种采用电磁激励/电磁拾振方式测量外界压力的谐振式压力传感器,并对传感器建立模型,利用ANSYS有限元仿真软件对传感器进行模拟分析与仿真验证。结果表明,量程为0~300 kPa、最大过载1.2倍满量程(full-scale,FS)时,初始频率为57.984 kHz,传感器灵敏度达66.98 Hz/kPa,非线性误差小于0.15%FS。

多MEMS传感器的嵌入式姿态测量系统设计

针对姿态测量在低成本、低功耗、微型化应用中的需求,设计了三轴MEMS陀螺仪、加速度计、电子罗盘与嵌入式技术相结合的姿态测量系统。介绍了系统的组成结构,设计了嵌入式姿态测量硬件电路,并实现了基于姿态计算DCM算法的程序。上位机演示表明,系统的姿态测量结果准确、动态效果好。

可穿戴汗液传感器系统的研究进展

在新材料和新技术广泛应用的背景下,柔性可穿戴汗液监测设备成为当前国内外研究的热点。目前,基于柔性可穿戴设备的汗液检测一般需要3个环节:汗液的取样、目标分析物的选择性检测以及系统的集成与控制。本文主要从汗液原位检测的优势出发,总结了汗液的刺激和提取的方法,并对电化学类的汗液传感器的研究进展进行多角度的分析与评价。最后讨论了可穿戴的汗液传感器存在的不足,以及未来系统的发展方向。

MEMS镜片式眼压传感器设计

眼压(IOP)24 h的波动参数是眼科的一个重要的基础指标,目前传统的单个时间点的眼压测量无法有效地实现眼压的持续检测。基于眼压大小与眼角膜曲率的相关性,结合微机电系统(MEMS)微加工工艺和压模工艺,设计了一种基于电感的镜片式眼压传感器,在体外猪眼的实验结果证明了此传感器在眼压一定范围内(12~27 mm Hg)可以准确地反映眼压波动情况。

基于MEMS谐振式气压传感器的数字高度计研制

基于一种高精度MEMS谐振式气压传感器研制了用于辅助导航高度通道定位的数字高度计,利用谐振式压力传感器采集大气静压,并进行气压高度转换。采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)+单片机(MCU)的硬件架构,通过等精度数字频率计和16位模/数(A/D)转换器测量气压传感器输出的频率信号和电压信号,并进行温度补偿;然后分析气压高度转换过程中的误差来源,通过对拟合的气压进行IIR数字滤波并且根据实际大气和温度条件进行原理误差补偿,提高了高度输出精度。实验结果表明:数字高度计的气压测量在整个工作温度范围内都具有良好的精度,满行程最大误差小于0.02%FS;实测气压高度转换的误差小于0.8 m,具有良好的工程应用价值。

谐振式MEMS压力传感器的设计与分析

提出一种基于静电激励/压阻检测的硅微谐振式压力传感器,该器件采取面内动平衡的振动模式,为了抑制压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度变化,在谐振器固定端设计了悬置扭转结构。根据对传感器数学模型的分析与建立,并利用MEMS有限元仿真软件对传感器在0~120 kPa范围以及全范围过压1.5倍下进行模拟分析与仿真验证,初始频率为24.01 kHz,传感器灵敏度达18 Hz/kPa。利用硅-硅键合技术实现压力传感器的真空封装,并通过TSV通孔技术将传感器与电路芯片进行三维混合集成封装。

基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计

针对传统脉搏传感器存在的穿戴不适、携带不便以及精度不高等问题,本文设计一种基于P(VDF-TrFE)柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器,旨在实现人体脉搏信号的连续检测,为心血管疾病的预防和治疗提供有力支持。首先,采用溶液流延法制备P(VDF-TrFE)柔性压电薄膜作为传感器基底,并利用丝网印刷技术在制备好的压电薄膜表面印刷导电电极,结合网状屏蔽层的设计制备方形传感器和圆形阵列传感器,用于脉搏信号采集性能的实验对比。其次,为了解决脉搏信号低频微弱且容易受到各种噪声干扰的问题,设计包含信号放大和信号滤波功能的精密信号调理电路,用于获取高保真和高清晰度的低噪声脉搏波信号。实验结果表明,所制备的P(VDF-TrFE)薄膜具有良好的介电、压电和铁电性能,其中d_(33)值达到-25 pC·N^(-1),能够提升传感器快速准确捕捉低频脉搏信号的能力,设计的柔性脉搏传感器相较于传统刚性传感器能够较好地贴合人体皮肤,提升无感佩戴体验,符合可穿戴性以及舒适性的要求。其中,圆形阵列式传感器能够检测到包含大部分生理特征点的连续脉搏波信号,相比于方形传感器具备更高的灵敏度和清晰度,检测性能更好。除此之外,设计的信号调理电路能够缓解50 Hz工频干扰和高频噪声干扰,成功将平均峰值电压从0.069 V放大至5.467 V,显示出清晰稳定的脉搏波形并保留脉搏信号的主要特征,抑制噪声干扰的同时实现了对人体脉搏信号的高灵敏度、高稳定性和高准确性的采集。因此,本文设计的基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器能够有效检测和采集人体脉搏波信号,可用于医疗健康监测和可穿戴设备研究领域,具有广阔的应用前景。

热电式MEMS微波功率传感器的优化设计

为了提高热电式微波功率传感器的传热效率,改善传感器的性能,对热电式微波功率传感器的衬底结构进行了优化设计,得到了最优的衬底结构尺寸。首先研究衬底厚度对热电式微波功率传感器的影响,然后根据得到的最优衬底厚度,研究基底膜位置及尺寸对热电式微波功率传感器性能的影响,最后对所得最优衬底结构传感器的微波特性以及电磁场分布进行研究。结果表明,当传感器衬底的结构尺寸最优时,传感器的最高温度达到352.76 K,S参数小于-20.62 dB。该结构不仅减少了热量在衬底的堆积,提高了负载电阻到热电堆的热传输效率,而且具有良好的微波特性。

热电式MEMS微波功率传感器的热学特性研究

热电转换效率直接影响热电式MEMS微波功率传感器的性能。着重对衬底掏空结构的热电式微波功率传感器进行了研究。将热电式微波功率传感器分成三个区域,建立了傅里叶模型,研究背面刻蚀的长度与厚度对热电堆热端温度的影响,发现热电堆两端温差与背面刻蚀的长度、厚度成正比。利用有限元仿真软件ANSYS,对不同刻蚀长度、厚度的传感器进行热学仿真。结果表明,背面刻蚀尺寸越大,热电堆两端的温差越大,传感器的灵敏度得到提高。仿真结果与模型结果具有较高的一致性,验证了模型的准确性。