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。

介质隔离高精度MEMS谐振式压力传感器

为满足液体、气体多种介质中高精度压力测量要求,本文设计了一种介质隔离的高精度微机械电子系统(MEMS)谐振式压力传感器。为降低充油封装过程中压力传递损耗以及非线性问题,本文对波纹膜片的结构参数进行了仿真优化并确定了适合传感器芯体的膜片参数。采用MEMS加工工艺和真空微量充灌方法,完成了MEMS谐振式压力传感器芯体制作与充油封装。利用双谐振器压力、温度多参数协同敏感方法,在不外加温度传感器的条件下实现了温度自补偿。测试表明,封装后的传感器在-55℃~85℃工作温度范围内,准确度优于±0.01%FS、迟滞性误差优于0.006%FS、非线性误差优于0.003%FS、重复性误差优于0.008%FS。

谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装

为了提高传感器的品质因数,有效保护谐振器,提出了一种基于绝缘体上硅(SOI)-玻璃阳极键合工艺的谐振式微电子机械系统(MEMS)压力传感器的制作及真空封装方法。该方法采用反应离子深刻蚀技术(DRIE),分别在SOI晶圆的低电阻率器件层和基底层上制作H型谐振梁与压力敏感膜;然后,通过氢氟酸缓冲液腐蚀SOI晶圆的二氧化硅层释放可动结构。最后,利用精密机械加工技术在Pyrex玻璃圆片上制作空腔和电连接通孔,通过硅-玻璃阳极键合实现谐振梁的圆片级真空封装和电连接,成功地将谐振器封装在真空参考腔中。对传感器的性能测试表明:该真空封装方案简单有效,封装气密性良好;传感器在10kPa^110kPa的差分检测灵敏度约为10.66 Hz/hPa,线性相关系数为0.99999 542。

电磁激励谐振式MEMS压力传感器闭环控制研究

在谐振器动力学分析的基础上,系统地比较了谐振式压力传感器检测速度谐振频率和检测位移谐振频率的优缺点。设计出一种零相移的电磁激励谐振式MEMS压力传感器闭环控制系统,该系统利用检测速度谐振频率提高传感器的信号检测稳定性,并且控制电路无需移相环节即可保证传感器在工作频率范围内实现稳定可靠的闭环自激。实验结果表明,采用该闭环控制系统的传感器具有较高的稳定性,传感器长时漂移低于0.025%F.S.,在10 hPa^1050 hPa范围内非线性度为0.06%。

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．

MEMS氮化钛谐振式压力传感器研究

提出了一种基于TiN双谐振梁结构的MEMS谐振式压力传感器,利用TiN谐振梁的谐振频率与被测压力的关系进行压力测量。针对传感器的敏感结构建立了数学模型,通过理论分析和ANSYS有限元软件的模拟,得出了谐振梁长度的变化范围和谐振梁的结构参数,并确定了TiN谐振梁在矩形压力膜上方的最佳位置。这对传感器的结构设计具有重要的指导意义。

基于SOI-MEMS工艺的谐振式压力传感器研究

提出了一种电磁激励、差分检测的谐振式MEMS压力传感器,该器件采用低电阻率的SOI器件层单晶硅制作"H"型谐振梁,并作为激励和检测电极。根据对传感器数学模型的分析,利用有限元分析方法优化了传感器结构设计。采用等离子深刻蚀制作传感器结构,并用湿法腐蚀SOI二氧化硅层的方法释放。利用硅-玻璃阳极键合技术,实现了传感器的圆片级真空封装。采用开环扫描检测和闭环自激振荡方式,测定压力传感器的特性。实验结果表明:传感器一致性良好,在500 hPa～1 100 hPa的检测范围内,差分检测灵敏度为14.96 Hz/hPa,线性相关系数为0.999 996。

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。

低温度敏感度谐振式压力传感器设计与仿真

为降低材料杨氏模量温度漂移和热应力对谐振式压力传感器温度漂移的影响,该文设计了一种基于Si-SiO 2复合H形谐振梁和双谐振器结构的低温度敏感度谐振压力传感器。通过有限元仿真软件COMSOL对传感器进行仿真验证。结果表明,在0~350 kPa内传感器灵敏度可达21.146 Hz/kPa,-50~125℃内零点温度漂移低至0.2 Hz/℃。与全硅结构相比,灵敏度温度漂移由339×10^(-6)/℃降低至14.1×10^(-6)/℃,可适应工作温度范围较高的环境。

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。

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。

基于稳态扫频的MEMS谐振压力传感器芯片测试

针对硅微谐振式压力传感器开环测试的需求,提出了一种基于稳态扫频的硅微谐振式压力传感器芯片测试方法,实现了高精度扫频激励信号电路与高分辨率检测电路的设计。此设计将单片机技术与直接数字频率合成技术的优点相结合,实现了范围为1 kHz～1 MHz精确扫频,其最小扫频步距为1 Hz。通过算法补偿有效减小了扫频激励信号的频率误差,使其平均绝对误差低于0.08 Hz。在幅值检测电路设计中,采用峰值检测电路与差分PulSAR ADC电路相结合,实现了传感器输出信号电压幅值的高分辨率检测,实测得到传感器幅频曲线,并对谐振器的谐振频率稳定性进行了测试,计算出了谐振器的机械品质因数和谐振频率等参数,为谐振器结构优化设计提供了依据。

一种新型微机械谐振式压力传感器研究

提出了一种微机械谐振式压力传感器的新结构。该传感器采用了电磁激励和差分检测方式。谐振器的制作采用了30μm厚扩散硅的(100)硅片,从而实现了谐振器与压力膜的一体化,避免了谐振梁与压力膜键合引入的应力,并且工艺简单易于实现。文中介绍了结构的有限元仿真(FEA-ANSYSSimulation)优化,工艺制作流程,及实验测试。在低真空下测试其品质因数(Q)高于10000,测量范围为0～100kPa,非线性度为0.62%,分辨率为1/10000,灵敏度为200Hz/kPa。

基于自停止腐蚀技术的H型谐振式微机械压力传感器

为了提高压力传感器的精度并抑制温漂,提出了一种基于自停止腐蚀技术的"H"型双端固支梁、电磁激励、差分检测的微机械(MEMS)谐振式压力传感器。首先,通过有限元分析仿真优化了传感器的机械参数,得到了较高的灵敏度和分辨率。然后,基于浓硼扩散自停止腐蚀原理,采用MEMS体硅标准工艺加工出一致性较好的传感器样品。最后,采用非光敏BCB,在真空高温高压条件下将硅片与谐振器黏和键合完成了传感器的真空封装,并设计了应力隔离的后封装方法以降低温漂。实验结果表明:传感器的检测范围为0～120kPa,满量程非线性度低于0.02%,准确度达到0.05%FS,加入应力隔离后在-40～70℃的温度漂移不高于0.05%/℃。该传感器能够实现大量程高精度的压力测量,有效地抑制了温漂,具有较高的性能指标。

全对称谐振式压力传感器结构设计与仿真分析

提出了一种基于侧向驱动的全对称谐振式压力传感器结构.谐振结构采用侧向梳齿电容驱动,既保证了驱动力的线性特性,又由于本身的空气阻尼为滑膜阻尼,可以取得较高的品质因子.另外,设计的差分电容结构能进一步提高器件的检测灵敏度.经过ANSYS 10.0的仿真分析总结出谐振结构固有频率受结构参数影响的规律,确定了量程为0～550kPa的谐振式压力传感器具体尺寸,其灵敏度达到了22.602Hz/kPa;分析了温度对谐振结构固有频率的影响,得到-20～60℃下的热灵敏度温度系数为-1.823 3Hz/℃,为后续的温度补偿提供依据;最后通过分析谐振结构的频域响应特性,最终确定了传感器的频域特性曲线以及不同阻尼比下传感器的品质因子,为谐振式压力传感器真空封装的真空度选择提供参考.

基于SOI的硅微谐振式压力传感器芯片制作

采用SOI硅片,基于MEMS技术,设计并加工了一种新型三明治结构的硅微谐振式压力传感器,根据传感器敏感单元的结构设计,制定了相应的制备工艺步骤,并且针对湿法深刻蚀过程中谐振子的刻蚀保护等问题,提出了一种基于氮化硅、氧化硅和氮化硅三层薄膜的保护工艺,实验表明,在采用三层薄膜保护工艺下进行湿法刻蚀10 h后,谐振子被完全释放,三层薄膜保护工艺对要求采用湿法刻蚀镂空释放可动结构具有较高的实用价值。最后对加工完成的谐振式压力传感器进行了初步的性能测试,结果表明,在标准大气压力下谐振子的固有频率为9.932 kHz,品质因数为34。

一种用于复杂环境下的高精度微型谐振式压力传感器

微谐振式压力传感器因其体积小、精度高等特点而被广泛研究,本文基于谐振器在不同压力载荷下侧向振动时其等效刚度随轴向应力的改变而变化的原理,设计了一种静电激励/电容检测的谐振式压力传感器。本设计采用的谐振器结构与现有研究不同,通过在谐振梁的两边设计了两根侧梁用于抑制谐振器的Z向位移,提高了传感器的稳定性,并且双面梳齿结构和复合温敏梁可进一步优化传感器检测灵敏度等性能。在ANSYS WORKBENCH仿真平台下对其进行分析与验证,结果表明:侧梁可有效地抑制谐振器的Z向位移,在0~100 MPa范围内谐振器具有良好的正向应力特性;传感器基础谐振频率为29.834 kHz,在0~120 kPa范围内灵敏度可达29.6Hz/kPa,且最大过压1.5×FS时仍具备频率稳定性,这表明该传感器可应用于对灵敏度、抗过压等性能有更高要求的复杂环境中。

高精度MEMS硅谐振压力传感器闭环控制系统

硅谐振压力传感器因其数字频率信号输出和高精度的特点,被广泛应用于航空航天、工业控制等领域。硅谐振压力传感器的闭环控制系统决定硅谐振压力传感器的性能指标,系统的稳定性分析和参数优化则是谐振传感器的研究难点。基于系统状态方程从理论上推导了控制策略,提出系统稳定性判定依据。利用Simulink仿真搭建系统模型,并通过电路测试验证。结果表明,在满足稳定性判据的条件下,研制的硅谐振压力传感器基频为42 kHz,品质因数为30 000。在量程范围为3~130 kPa、温度为-55~85℃时,该谐振压力传感器的精度高达0.01%F.S.,实现了恒幅控制与实时频率跟踪。

硅谐振式压力微传感器模型与开环特性测试

基于谐振式硅微结构压力传感器幅、相频率特性的分析,利用北京航空航天大学微传感器实验室研制的谐振式硅微结构传感器开环测试系统的测试实验结果和Matlab实验数据处理与拟和分析计算,建立了微传感器的二阶模型.该模型排除了未知相位延迟的影响,从幅值和相位混合的测试数据中精确计算出谐振频率、品质因数以及相位特性,为闭环测试系统的研制提供了依据.