PZT纳米纤维MEMS压电式传感器的稳健优化设计

与传统的传感器相比,MEMS传感器结构的微小变差将会对其性能的稳定性产生较大影响,因此将稳健设计应用到MEMS传感器的结构设计中具有十分重要的意义。文中以锆钛酸铅(PZT)纳米纤维MEMS压电式传感器为例,分析其主要结构和工作原理,对其进行压电性能分析,并建立了基于随机模型的稳健设计数学模型。开发相应的算法程序,并求得稳健设计解。对稳健设计的结果进行分析,结果表明稳健设计解在设计变量和噪声因素发生变差时具有稳健性。

压电MEMS振动传感器调理电路设计与实现

针对铌酸锂单晶薄膜的压电MEMS振动传感器输出电荷信号微弱而难以采集的问题,设计了一种基于集成运放芯片TLE 2064 CDR的信号调理电路。该电路由电荷-电压转换电路(Q-V)、电压放大电路、前置低通滤波电路和后置高通滤波电路构成,旨在实现微弱信号的采集。此外,利用ACT 2000振动台进行振动实验,通过标准电荷放大器和设计的信号调理电路对压电MEMS振动传感器测试。测试结果表明,所设计的信号调理电路与标准电荷放大器的输出有较好的一致性,可以满足5~130 pC的宽输入电荷的采集。当加载加速度范围为5~20 g时,输出电荷和输入加速度之间的线性度好;在输入加速度5 g,工作频率范围为50~2000 Hz时,输出电荷偏差控制在±1.6 pC内,具有很好的一致性。综上所述,该电路具有集成度高,灵敏度好等特点,在微弱信号采集方面具有很好的应用前景。

基于MEMS技术的集成压力-湿度传感器

设计了一种高灵敏度的集成压力和湿度传感单元的芯片。压力传感单元基于SOI和蛇形电阻结构。室温下,传感器在载压范围为3~129 kPa内灵敏度为0.026 mV/kPa,与有限元仿真基本吻合。传感器在25~120℃范围内的热灵敏度漂移为0.004‰FS/℃,热零点漂移为0.25%FS/℃。湿度传感单元采用的叉指电极和电容式结构,引入含氟PI作湿度敏感膜。设计Mo电阻加热结构加快传感器降湿过程,缩短降湿时间近32%。在10%~90%RH的湿度范围,含氟PI湿度传感器的灵敏度为0.121 pF/%RH,略低于无氟PI器件。含氟基团的引入,使得传感器的湿滞较无氟PI降低16%。“电容-湿度”曲线呈指数分布,相关系数R^(2)=0.996。测试结果发现,湿度传感单元和压力传感单元拥有良好的独立工作性能。

压电MEMS振动传感器调理电路设计与实现研究

为解决铌酸锂单晶薄膜的压电MEMS振动传感器输出电荷信号过小、采集困难的问题,研究基于TLE2064CDR集成运放芯片,特别设计一种信号调理电路。此电路融合电荷-电压转换、电压放大以及前后置滤波等多重功能,旨在精准捕捉那些微弱的信号。为验证其效能,借助ACT2000振动台进行了实验,同时使用标准电荷放大器和我们所设计的电路对压电MEMS振动传感器进行测试。实验数据显示,电路与标准电荷放大器的输出结果高度吻合,能够有效地采集到5~130pC范围内的电荷。在5~20g的加速度加载下,输出电荷与输入加速度维持了良好的线性关系;特别是在5g加速度、50~2000Hz的工作频率下,输出电荷的偏差被严格控制在±1.6pC之内,显示出优异的一致性和稳定性。总的来说,这款电路凭借其高集成度和出色的灵敏度,在微弱信号采集领域显示出广阔的应用潜力。

压电式多维力传感器研究

针对传统压电测力仪有效测试区域有限、在不同测试位置输出结果不一致、扭矩值获取繁琐的等问题,基于传感器布置方式及石英晶片切型的特点,提出一种采用正八边形晶片的多维力传感器。在理论分析的基础上,通过计算仿真验证了正八边形晶片的设计合理性。对研制的多维力传感器进行了标定实验,标定结果显示:各传感器切向灵敏度高、各向线性及重复性好、向间干扰小,具有良好的测试性能。

用于高压测量的MEMS硅-玻光纤FP压力传感器

研究了一种基于微机电系统(MEMS)技术用于高压测量的硅-玻光纤法布里-珀罗(FP)压力传感器。该传感器以硅材料作为敏感元件,将电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀后的单晶硅膜片和高硼硅玻璃阳极键合构成FP腔。传感头使用MEMS技术批量制造,结构稳定、抗过载能力强、在高压环境下不容易失效。实验结果表明,该传感器能够实现30 MPa的高压压力测量,灵敏度为46.94 nm/MPa,线性拟合度为0.99897,测量结果具有较好的一致性和可靠性,所设计的压力传感器在高压检测方面有很强的应用前景。

MEMS心音传感器及检测电路优化设计

对基于微电子机械系统(MEMS)技术的心音传感器声敏结构进行了优化且设计了其检测电路。首先,针对心音信号的特点,设计了二次集成的扁平状仿生纤毛结构,对该结构进行仿真,确定了纤毛的尺寸参数和梁上最大应力1.2×10^(5) N/m^(2),对纤毛进行特征频率仿真,在硅油域中结果为711 Hz;其次由扁平状纤毛结构X轴接收噪声时梁上的应力仿真结果可知该结构具有抗干扰能力;最后设计了后端的放大电路和滤波电路并对传感器封装后进行测试。测试结果表明,该结构的信噪比达到了27 dB,较传统的圆柱形纤毛提高了35%,且其抗干扰能力也优于传统的圆柱形纤毛。优化过后的MEMS心音传感器具有抗干扰、低噪声、低成本、采集的信号不失真等优势,可为临床心音信号的采集提供关键核心部件。

粒子群优化算法在MEMS压力传感器电桥电阻计算与零偏补偿中的应用

采用粒子群优化(PSO)算法对微机电系统(MEMS)压力传感器电桥电阻进行了优化设计和验证。基于PSO算法的基本原理,建立电桥参数模型,充分利用冗余的测量数据配置优化条件,通过迭代运算得到了传感器惠斯通电桥电阻数值解,并将其作为零偏补偿的依据。然后根据计算和测试结果进行了零偏补偿,对补偿后结果进行了验证。结果表明,计算输出零偏值与实测输出零偏值之间的相对误差<1%;补偿后传感器的零偏值控制在0.5mV以内,实测零偏满量程误差≤0.1%。研究证明采用该算法模型可有效计算出MEMS压力传感器的电桥电阻参数,基于其计算结果的补偿方案可提升传感器电桥精度。

基于超材料吸波结构的MEMS热电堆红外温度传感器设计

提出了一种基于超材料吸波结构的MEMS热电堆红外温度传感器,避免了使用特殊的滤光片进行封装,从而降低了传感器的体积。在设计上,采用超材料吸波结构将待测目标辐射的红外光选择性吸收,并将光能转化为热。通过利用时域有限差分方法研究了超材料吸波结构的结构参数与红外吸收光谱和吸收率之间的关系,并优化出用于检测人体红外辐射的超材料吸波结构尺寸。结果表明,当红外光波长范围为9.5μm~10.5μm时,该传感器的红外吸收率优于0.38,其中在波长为9.989μm处出现红外吸收峰,其最大吸收值为0.997。由超材料吸波结构产生的热量传递到其下方的热电堆,通过多物理场仿真可得热电堆的热端和冷端的温差为0.046 K,进而转化为输出电压,从而验证了整体设计的有效性。

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。

双控制模式MEMS风速风向传感器设计、仿真及制备

针对恒温差模式下的MEMS风速风向传感器量程较小等问题,首次提出了一种恒温差和温度平衡双控制模式的MEMS风速风向传感器芯片。通过改变加热、测温电阻在传感器芯片的位置以及加热电阻的工作状态,用于实现传感器在低风速和高风速下处于不同的工作模式,从而使得传感器在不同风速下均有较为准确的输出结果。分别通过理论分析、有限元仿真证明了该传感器的量程可达0~75 m/s,采用温度平衡控制模式替代恒温差模式有效解决了恒温差控制模式高风速下传感器输出饱和的问题。此外,设计了该传感器的流片工艺,并利用MEMS工艺对其进行了制备。

基于MEMS传感器的线路电压测量方法研究

MEMS电场传感器体积小、功耗低,应用于非侵入式电压测量技术中可以有效减小装置测量体积、成本,契合当前分布式测量需求。因此该文设计了一种基于MEMS电场传感器的电压测量方案,首先介绍了MEMS电场传感器的工作原理,其次针对传感器结构特点基于电容分压原理设计了电压测量方案,并进一步分析其等效电路模型,最后对该测量方案进行了可行性和准确性测试。结果表明设计的测量方案能在1~10 kV内准确地反演工频电压,测量的最大幅值偏差为2.21%。该文提出的非侵入式电压测量方案搭载简便,能够稳定的对线路电压进行测量,为架空线路电压的实时监测提供可靠的技术手段。可以为线路电气量参数实时测量提供可靠的数据支撑。

热电堆式MEMS气体流量传感器设计及性能研究

提出一种由微加热器和热电堆构成的热式MEMS气体流量传感器用以实现高灵敏、快响应且低功耗的气体流量检测。采用N/P型重掺杂多晶硅材料构造双层堆叠的热电堆结构,可以实现低热导和高塞贝克系数,具有更高的温度敏感性。实验测试表明,该传感器件在0~1000 sccm的气流范围内灵敏度可达0.309 mV/sccm(58.22 mV/ms-1),响应时间仅约139 ms,其工作电压为2.56 V时,微加热器的加热功耗仅有34.9 mW。该器件的整体尺寸仅有1300 mm×1300 mm,有利于检测系统的小型化和集成化,在动力氢燃料电池、医疗辅助呼吸设备等流速流量检测场景中具有一定应用价值。

一种模态局域化感应式MEMS电场传感器设计

文中设计一种基于模态局域化效应的新型电荷感应式MEMS电场传感器,利用弱耦合谐振系统中的模态局域化现象所产生的大振幅比来提高传感器的灵敏度。传感器敏感结构为三自由度弱耦合谐振系统,通过加入屏蔽盖板的方式屏蔽敏感结构上方一侧电场,以未屏蔽端谐振器与屏蔽端谐振器感应电流之比作为输出。通过理论分析与仿真验证,确定了传感器的关键指标,并完成了传感器工艺制作及测试实验。测试结果表明该传感器灵敏度为0.119 m/kV,线性度为5.8%。

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的量热式传感器气体流量测量的模型研究

气体流量测量广泛应用于呼吸监测、管道运输等领域。本研究细致分析了MEMS量热式传感器温度一维分布模型中的热边界层参数,进行了相应的经验修正。并且在温度一维分布模型的基础上,针对具有两对上下游测温电阻芯片结构的MEMS量热式传感器,提出了一种新的传感器输出电压关于气体流量的半修正理论模型。该理论模型能够适用于不同类型的单介质气体。同时,开展了N_(2)、CO_(2)流量测量实验,与理论模型进行对比,证明所提出的理论模型可以正确预测不同气体介质的流量,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.15%。此外,结合理论分析,提出了一种高精度,拟合形式简单、针对确定气体适用性更好的测量模型,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.05%。

压电式加速度传感器灵敏度对随机振动试验过程控制影响研究

压电式加速度传感器基于内部结构体特有的压电效应,可实现加速度信号转换成对应电荷变化量,广泛应用于振动试验控制与测量领域。作为振动试验控制系统中实时信号采集反馈的重要环节,传感器灵敏度直接决定随机振动试验控制与测量的准确性。本文基于苏试DC-6000-60电动振动台与美国SignalStarDP-760数字式振动控制仪等组成的试验控制系统,研究表明试验控制过程中电荷放大器内传感器灵敏度值设置偏差,控制仪拟合生成的控制频谱曲线表面上符合规定试验条件,但实际已导致航天产品在随机振动试验过程中过试验或欠试验。

基于压电效应的压电式传感器特性研究

高压铁塔作为输电线路的支撑部件,能够承受输电线路的重量和风力等外力,确保电力系统安全可靠运行,但铁塔在遭受强风、地震等自然灾害或者由于结构老化、材料疲劳等原因,可能发生倒塌,造成人员伤亡和财产损失。针对这一问题,从压电式传感器的压电效应入手,对压电式传感器机理、微观特性及仿真分析等方面进行研究。首先,分析了传感器的测量原理;然后,从压电元件在压力载荷下的应变、压电材料的正负电荷中心偏移、压电元件表面的电荷积累3个方面剖析了压电元件的微观特性;接着,基于COMSOL机电-耦合多物理场进行仿真分析,可直观地观察到不同模态下的应变和电场分布云图,定量地表述了应变和电场之间的关系;最后,从铁塔安全监管的视角,设计了一款基于压电式传感器的安全预警系统,可实现对高压铁塔的全天候实时监测。

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。

共面式MEMS气体传感器微热板设计与仿真

【目的】常见膜式结构和悬浮式结构的MEMS气体传感器在垂直方向上存在寄生电场,会对气体传感器的检测信号造成一定影响。为了降低寄生电场对气体传感器性能的影响,提出了一种共面结构的MEMS气体传感器,并对其微热板进行了建模仿真及优化。【方法】利用SolidWorks对共面式MEMS气体传感器进行建模,并通过有限元分析方法从热稳定性、机械稳定性等方面对微热板进行了仿真。【结果】仿真结果表明:共面结构的微热板可以在整个气体传感器的测量区域内提供稳定、均匀的热分布,并且可以避免高温工作时微热板加热电极和气体传感器测量电极之间相互连通,为MEMS气体传感器提供优异的测量环境。【结论】共面式MEMS气体传感器不仅可以有效降低垂直方向上的寄生电场对传感器性能的影响,而且可以简化气体传感器的工艺流程。仿真结果也证明了共面结构的可行性,为实际MEMS气体传感器的设计和制备提供参考依据。