MEMS电容薄膜真空计微电容检测系统的设计

为了满足空间环境探测对真空测量仪器准确度高、体积小、质量轻、功耗低的应用需求,基于微机电系统(MEMS)的小型化电容薄膜真空计应运而生。针对MEMS电容薄膜真空计微小电容测量需求,设计了一种基于CDC电容数字转换器的微电容检测系统,获得了fF级微电容检测分辨率。采用温度漂移误差自校准技术,解决了测量压力受温度扰动影响的问题。地面样机测试与验证表明,该检测系统具有宽量程、高分辨率和低功耗检测的优点,为MEMS电容薄膜真空计实现空间应用奠定了技术基础。

静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计检测电路研究

静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计量程宽、稳定性高,具有广阔的应用前景。测量电路是保证静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计性能的关键因素。采用交流激励式检测方法,设计了一种微小电容检测电路,并利用软件仿真和实验测试进行验证。结果表明,该电路能够快速检测微小电容并将其转换为直流电压信号,分辨率为0.33 V/pF。此外,抗驱动电压干扰测试表明,该电路能够在1~100 V范围的直流驱动电压下正常工作,电容测量的输出电压最大标准差为0.010 249 V,并且具有优异的稳定性。

新型MEMS电容薄膜真空计设计与仿真数据分析

为解决MEMS电容薄膜真空计的小量程与高灵敏度相矛盾的问题,基于MEMS技术,设计了一种新型结构的薄膜真空计,能够感应到微小的压强变化,实现0.001~1 Pa范围的真空度测量。在一定范围的真空度都具有测量的可行性,基于MEMS技术的电容薄膜真空计而言,新型薄膜真空计才能够体现出线性度强、变化率大的优势。文中主要针对薄膜真空计不同参数进行了讨论,通过有限元仿真分析,模拟出在压力作用下的变化趋势,并对器件的尺寸和参数进行了优化设计,实验验证了设计的薄膜真空计在0.001~1 Pa范围内有良好的测量效果。

基于圆形振动膜的MEMS压电传声器研究

为提高微电子机械系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)压电传声器的灵敏度和成品率,提出一种优化设计的圆形振动膜MEMS压电传声器。采用硼扩散方法实现振动膜的圆形支撑墙,避免由于方形支撑墙造成的四角应力集中,并通过深硼扩散技术,增加圆形围墙的厚度,避免了振动膜的'软'支撑问题;振动膜采用Si3N4/SiO2/Si3N4复合结构,减少振动膜的内应力;采用电极分割串联技术,传声器被分割成在声学上并联、在电学上串联的若干部分,以期提高MEMS传声器的灵敏度。在结构优化的基础上,利用MEMS技术制备压电微传声器,所制备传声器振动膜平坦、无褶皱,成品率有了明显提高。在消声室中采用同时比较法对传声器进行测量,优化设计的圆形振动膜传声器的灵敏度有了明显提高,达到0.3 mV/Pa。

MEMS型电容薄膜真空计研究进展

目前常用的电容薄膜真空计体积大、重量重,不能满足深空探测、临近空间探索、战略武器、战地医疗等特殊领域的真空测量需求。基于MEMS技术的电容薄膜真空计,能够使传感器、信号处理和控制电路等结构微型化,突破了传统电容薄膜真空计外形及质量限制,具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成化等优点,成为真空测量仪器研究的热点,能更好地满足特殊条件下的真空测量需求。文章对MEMS型电容薄膜真空计的发展现状、技术特点等进行了探讨研究,并对其发展前景提出展望。

基于MEMS的高灵敏度电容式低频传声器

在硅微电容式传声器相关理论及前人对方形膜的研究的基础上,提出了一种用于测试低频信号的电容式高灵敏度圆形硅微振动膜传声器。模拟仿真和结构参数优化,为实践提供了理论依据。在此基础上,探索性的研制了圆形振动膜半径为40mm,气隙厚度为50μm的低频传声器,实验表明,该传声器具有较高的灵敏度,当偏置电压为6V、100Hz时,灵敏度高达-25dB,在通频带(20～800Hz)局部平坦。

一种以多晶硅为振动膜的MEMS传声器研制

给出了以磷掺杂的多晶硅为振动膜的电容式MEMS传声器的研制过程。从等效电路模型出发,研究了电容式MEMS传声器的振动特性和灵敏度,给出了传声器灵敏度随振动膜张力、膜与背板间的空气隙厚度、背板声孔大小及背板声孔所占面积而变化的解析表达式。结合硼掺杂硅/硅复合背板结构MEMS传声器,提供了参考制作工艺流程。样品测试在1kHz频率处的灵敏度达到-60dB(相对于1V/Pa)。

差压式MEMS电容薄膜真空规的设计与测试

提出了一种基于MEMS技术的差压式电容薄膜真空规设计方案。通过有限元分析软件建立了仿真模型,对感压薄膜尺寸和电极间距离进行了优化。根据优化结果,完成了真空规的研制和性能测试。测试结果表明,测量范围下限5 Pa,上限1000 Pa,灵敏度优于10 fF/Pa,测试曲线可以实现分段线性。

MEMS电容薄膜真空计关键技术研究

为了实现真空测量仪器的小型化,开展了MEMS电容薄膜真空计的研制。首先研制了差压式结构,以验证感压薄膜的性能,之后研制了绝压式结构,通过不断优化迭代,最后完成绝压式MEMS电容薄膜真空计样机研制。性能测试结果表明,真空计的测量范围为0.2~103 Pa,分辨率0.1 Pa,全量程准确度0.1%FS。对研制过程中解决的关键技术,如“平整大宽厚比感压薄膜制备”“非蒸散型吸气剂薄膜制备”“传感器封装”等进行了介绍,并对未来工作进行了展望。

MEMS型电容薄膜真空计的关键技术研究进展

近二十年以来,仪器的小型化发展以及微机电系统(MEMS)技术工艺的发展带动了电容薄膜真空计的发展。其中,MEMS型电容薄膜真空计能将电路和敏感元件集成在同一芯片上,具有体积小、能耗低的优点,能广泛的运用在工业测量、深空探测等领域,是真空计量仪器研究热点之一。然而,体积小伴随着的测量范围窄、输出线性度不高、长久密封困难和残余气体影响问题都制约着真空计的商品化发展。针对上述的技术瓶颈,研究者提出了不同的技术方案来克服。文中总结相关的研究报道后对问题的缘由以及相应解决措施进行了分类整理与分析,对文献报道的MEMS型电容薄膜真空计进行了对比分析。最后,对MEMS型电容薄膜真空计的发展前景提出了展望。

采用环形感压薄膜的MEMS电容薄膜真空规设计

感压薄膜的结构改良能有效改善MEMS电容薄膜真空规的压力-电容输出特性。为解决MEMS电容薄膜真空规宽量程与高灵敏度相矛盾的问题,设计一种环形结构的感压薄膜,利用有限元的方法分析对比5种环形结构的感压薄膜在不同压力下的变形与应力分布情况。分析认为,同心圆结构的感压薄膜具有最优异的性能,同等感测面积情况下真空规的压力-电容线性输出测量上限能从圆片结构的1.1×103 Pa延伸到同心圆结构的1.2×104 Pa,圆片结构感压薄膜的真空规在1～800 Pa区间内的压力-电容输出非线性度为3.9%,灵敏度为10.1 fF·Pa–1;同心圆结构感压薄膜的真空规结构在1～8 000 Pa区间内的非线性度为3.6%,灵敏度为1.3 fF·Pa–1。

基于多孔式敏感膜片的MEMS光纤珐珀传感器及其局部放电检测

基于微机电系统(Micro-electromechanical Systems,MEMS)的非本征光纤珐珀超声传感器具有抗电磁干扰、信号传输距离远、体积小、质量轻等特点,对电力设备中局部放电所释放的超声信号有着良好的检测与定位能力。该型传感器的敏感结构通常为圆形完整膜片,其加工方法相对简单,但是膜片的内外温度差异或压力不平衡会导致传感器性能指标的偏移,减小或消除这种影响是促进光纤珐珀超声传感器工业化应用的基本前提。提出了一种基于多孔式敏感膜片的光纤珐珀超声传感器,敏感膜片采用MEMS工艺制造,其厚度仅有5μm,加工方法简单,成本低廉;进一步地,结合3D打印技术与防水透声膜完成了敏感膜片的保护性封装。实验结果表明:该传感器在液体中具有良好的超声响应,静压灵敏度可达到1.25 V/Pa,距离衰减、方向响应与静态压力等性能与空气中保持相同规律,且通气孔避免敏感膜片内外出现气压不平衡的情况。因此,该传感器在液体中局部放电检测领域展现出较好的应用潜力。

复合式MEMS水听器的设计

针对微机电系统(MEMS)仿生矢量水听器工作频带窄,灵敏度低,且存在左、右舷模糊问题,设计了高灵敏宽频带复合式MEMS水听器。矢量部分选择4个不同纤毛长度的仿生矢量水听器组成阵列,各结构间采用并联方式,工作频带拓宽到4 800Hz,并分割出4个不同的频率段,在拓宽了频响带宽的同时保证了灵敏度。标量部分采用低频电容水声传感器进行优化设计,空腔注满硅油、振膜开设声学孔,提高振膜承压性的同时保证了良好的动态性能。后续对标量和矢量信息进行声能流联合算法处理,解决了左右舷模糊的难题。该文主要介绍了复合式MEMS水听器的工作原理,结合ANSYS workbench进行了仿真验证。选用玻璃片及绝缘衬底上的硅(SOI)片键合的单片集成复合结构工艺设计,在玻璃上定义空腔及下电极,在SOI片上定义十字梁和振膜,整体结构一致性好,定位精度高。

MEMS电容薄膜真空计及其性能研究

基于微机电系统(MEMS)技术研制了一种新型电容薄膜真空计,结合测量电路,对真空计的整体性能进行了研究。结果表明,MEMS电容薄膜真空计具有良好的稳定性,测量范围为0.2~1050 Pa,分辨率为0.1 Pa,准确度达到0.1%FS。封装后的MEMS电容薄膜真空计质量为5.0 g,体积为4.1 cm^(3),整机功耗为2 W左右,具有质量轻、体积小、功耗低、成本低的特点,在空间应用以及工业生产应用中比传统的机械式电容薄膜真空计更具优势。

基于Au-Si共晶键合的高灵敏MEMS电容薄膜真空规设计

为了解决真空腔电极引线导致的真空漏气,进一步拓展真空规的测量下限,提出了一种基于Au-Si共晶键合的绝压式MEMS电容薄膜真空规设计方案。阐述了该新型MEMS电容薄膜真空规的制作工艺流程、用浓硼掺杂法制备感压薄膜技术,采用阳极键合协同Au-Si共晶键合技术实现真空腔的密封。通过理论计算和构建有限元模型,针对不同宽厚比,对感压薄膜的整体尺寸进行了优化。在最优尺寸参数下,相比于固定电极在测量腔的结构,新型MEMS电容薄膜真空规的灵敏度提高了9.5倍,高达38 fF/Pa。真空规测量范围在1~1000 Pa之内。

电容式硅基MEMS传声器的结构优化设计

微电子机械系统(MEMS)传声器是一种将音频信号转换为电信号的微型传感器。为了得到较高灵敏度和信噪比(SNR)的传声器,同时又能保证其可靠性,设计并制备了一种结构优化的电容式硅基MEMS传声器。将两种特殊结构相结合,对电容式硅基MEMS传声器的带孔振动膜结构进行了优化。振动膜采用厚度各异的掺杂多晶硅-非掺杂多晶硅-掺杂多晶硅的特殊膜结构以得到低应力振动膜。采用特殊的防粘连结构以防止为了提高灵敏度可能带来的粘连现象。结构优化后的MEMS传声器分别采用顶部封装和底部封装两种方式进行封装,对实验样品进行测试,结果显示其灵敏度约为-41 dB,信噪比约为64 dB,参数值均符合市场行业标准,此MEMS传声器结构具有可行性。

用于迷你无人飞行器探测的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器研制

针对迷你无人飞行器(mini-UAV)探测难度大的问题,仿真设计并制作了谐振频率接近mini-UAV噪声特征频率的硅基微机电系统(MEMS)轮形振膜,结合精密机械加工制作了光纤法布里-珀罗干涉式声传感器。测试结果表明,该光纤声传感器的谐振频率为7.279 kHz,与仿真结果基本一致,其在频率为7 kHz声波正入射的条件下的灵敏度为1.8 V/Pa,信噪比为71 dB,最小可探测声压为99μPa/Hz0.5。值得强调的是,该声传感器对声波的响应呈现“8”字形的方向依赖性,表明其具有识别声源方向的能力。进一步在户外测试了该光纤声传感器对mini-UAV的探测能力,结果表明,声传感器能够在65 m的范围内探测到mini-UAV噪声,其探测距离是商用驻极体声传感器的3倍左右。所研制的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器为解决实践中mini-UAV探测难的问题提供了一种简单有效的工具。

Incremental deformation analysis of shell and corrugated diaphragm based on arbitrary configuration

With respect to an arbitrary configuration of a deformed structure, two sets of incremental equations are proposed for the deformation analysis of revolution shells and diaphragms loaded by both lateral pressures and the initial stresses produced in manufacturing. These general equations can be reduced to the simplified Koiter＇s Reissner-Meissner-Reissner （RMR） equations and the simplified Reissner＇s equations, when the initial stresses are set to zero. They can also be deduced to the total Lagrange form or the updated Lagrange form, respectively, as the structure is spec- ified as the un-deformed or the former-deformed configurations. These incremental equations can be easily transformed into finite difference forms and solved by common numerical solvers of ordinary differential equations. Some numerical examples are presented to show the applications of the incremental equations to the deep shell of revolution and the corrugated diaphragms used in microelectronical mechanical system （MEMS）. The results are in good agreement with those from finite element method （FEM）.

Effects of structural parameters and rigidity of driving diaphragm on flow characteristics of micro valveless pump

The structure and operating principle of micro valveless pump were investigated theoretically and experimentally. The mathematical model of pressure and flow rate within the micro nozzle/diffuser was established to analyze the effects of nozzle/diffuser parameters on the output flow rate of the micro valveless pump.The experiments were carried out with different structural parameters, driving frequencies, vibration amplitudes and stiffness of the driving diaphragms. Effects of the structural parameters and driving conditions on the operation performance of the pump are discussed in detail. The work provides useful reference for structure optimization selection of the driving diaphragm of micro valveless pump.

高灵敏硅凹槽膜片型光纤F-P局部放电超声传感器

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44μm,厚度为2.09μm,F-P腔长为163.600μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。