一种基于压电驱动的扭转式MEMS电场传感器设计与仿真优化

电力传感技术是实现新型电力系统数字化转型的关键,其中电场参量是重要的监测对象之一。提出一种基于压电驱动的扭转式微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)电场传感器。该微机电系统电场传感器的通过驱动结构带动屏蔽电极在感应电极表面周期性振动实现电场的调制测量。其压电驱动结构为4个对称分布的L型压电悬臂梁,屏蔽电极和感应电极为两对交错耦合的梳齿电极构成。接着通过COMSOL仿真软件建立了结构的固体力学-静电耦合模型,计算了敏感结构的谐振频率和振动幅值。结果显示:结构的工作模态下的谐振频率可达到25047 Hz,在3 V的交流驱动电压下屏蔽电极末端位移为85.06μm。进一步通过参数扫描方式对敏感结构的关键参数进行仿真分析。优化了梳齿电极的长度、宽度、间距、个数等参数以及感应电极长度、感应电极宽度、梳齿电极的个数和感应电极间距。最后完成了传感器的测试。测试结果表明:该传感器的灵敏度为3.24 mV/(kV/m),测量误差最大仅为3.75%。

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电场传感器的电压反演方法研究

针对电场逆问题的电压反演方法涉及复杂的矩阵逆运算问题,提出了一种基于微机电系统电场传感器的电压反演测量方法。首先介绍电场积分法反演电压原理,其次建立仿真模型获取空间电场分布规律;然后利用电场积分法进行计算分析;最后通过模拟架空线路测试平台对电场积分法进行验证。结果表明:仿真显示比例系数k=0.9时,3点高斯-切比雪夫积分法可实现三相电压的准确反演,最大误差为2.55%;k=0.7时,测试得到的反演电压幅值误差为5.75%。通过仿真与试验结果验证了所提反演方法的有效性,其研究结果可为架空线路非侵入电压反演测量提供理论方法指导。

HIGH PERFORMANCE ELECTRIC FIELD MICRO SENSOR WITH COMBINED DIFFERENTIAL STRUCTURE

This paper presents a high performance electric field micro sensor with combined differential structure.The sensor consists of two backward laid micro-machined chips,each packaged by polymer and metal.The novel combined differential structure effectively reduces various environmental affections,such as thermal drift,humidity drift and electrostatic charge accumulation.The sensor is tested in near-ground place as well as balloon-borne sounding.In different weather conditions,the measurement results showed good agreement with those of the commercial electric field mill.

MEMS传感器在岩溶塌陷物理模拟试验监测中应用研究

针对岩溶塌陷地下土体位移监测难度大的问题,提出了一种基于微电机系统(Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS)传感器的监测方法。采用时域积分算法处理MEMS加速度数据,先去除噪声和直流分量,通过多项式拟合去除趋势项,从而获取位移监测数据,通过定距试验分析算法误差。设计了2组室内模型试验,一组将MEMS传感器集中布设于稳定区,另一组多布设于塌陷区,对不同埋深土体的位移进行监测,结合粒子图像测速设备(Particle Image Velocimetry,PIV)实测数据分析误差,验证利用MEMS传感器监测土体位移的适用性和实用性。结果表明:根据MEMS的加速度时程,通过时域积分算法能有效获得土体的位移,MEMS传感器可用于岩溶塌陷的实时监测;分析得到岩溶塌陷地下土体位移规律,土体位移的变化与塌陷源位置相关,随着土体高度的增加,位移逐渐减小,而处于塌陷源正上方的土体水平位移几乎为0;工程中可针对已经发生的塌陷和有可能发生的塌陷2种工况,分别将MEMS传感器埋设在稳定区和塌陷区,进行实时监测,保障生命财产安全。提出的方法为岩溶塌陷的监测提供了新的思路,也为MEMS传感器在岩土工程中的应用奠定了基础。

一种MEMS压力传感器温度补偿方法

针对微机电系统(MEMS)压阻式压力传感器受环境温度影响产生温度漂移的问题,该文分析了常用的温度补偿方法,提出了一种基于粒子群优化-径向基函数(PSO-RBF)的压力传感器温度补偿模型,结合标定实验采集的样本数据,建立了标定压力同敏感元件输出电压和温度的非线性映射关系,实现了温度补偿效果。结果表明,与传统的最小二乘法、三次样条插值法、标准RBF、粒子群优化反向传输神经网络(PSO-BP)、核极限学习机(ELM)神经网络等方法相比,该算法具有更好的补偿预测效果,且对样本数据不需要归一化处理,具有良好的工程实践意义。

集成ASIC补偿电路的高温动态MEMS压力传感器

随着工业技术的进步,高温高动态压力传感器的应用需求显著增加。提出一种集成专用补偿电路的高动态硅压阻式微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)压力传感器,进行压力敏感芯片的结构设计和加工工艺设计,并对压力传感器进行封装和温度补偿电路设计。多层绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)材料能够使传感器在高温环境下正常工作。无引线的封装方式可有效提升传感器的频响性能。传感器后端集成了桥阻式专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC),能够显著减小传感器的体积,同时提升传感器整体性能。该MEMS传感器通过自动压力测试系统进行性能试验,结果表明MEMS压力传感器经过补偿后能够实现较高的线性度、稳定的零点输出特性以及理想的动态输出特性。

基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0~50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。

一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器

针对温度和应力变化带来的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题,该文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的微机电系统(MEMS)谐振式电场传感器。传感器结构中,感应电极用于测量外部电场,参考电极用于监测可动结构振动信息;基于振动相位和锁相环技术实现传感器谐振频率自动跟踪,利用参考电极输出信号对感应电极输出信号进行实时补偿,提高传感器灵敏度的稳定性。该文开展了敏感结构设计和理论分析,研制出传感器样机,并进行了样机标定测试。测试结果表明,在±18 kV/m电场范围内,传感器线性度达到0.21%,3个往返行程总不确定度达到1.34%;在–40℃~70℃温度范围内,灵敏度相对漂移量小于3.0%,具有良好的灵敏度漂移自补偿效果。

基于IQPSO-EKF的多传感器融合姿态测量方法研究

为解决自动化竖井掘进设备的定位调姿精度对竖井、孔桩挖掘效率与质量的影响,提出了一种基于改进量子粒子群(IQPSO)-扩展卡尔曼滤波(EKF)的姿态测量算法,以提高微机电系统(MEMS)传感器测量精度。首先,对MEMS传感器数据进行了预处理(除噪、滤波、校准等);然后,参考现有飞行器的坐标系,建立了姿态解算模型,通过姿态角数学模型及运动学分析,构建了EFK状态方程,针对EKF方法参数估计不准确的问题,以分段混沌映射优化初始种群,引入平均位置最优值来避免陷入局部最优的IQPSO-EFK算法,优化EKF的系统、测量噪声的协方差参数;最后,对改进算法和三组姿态误差估计进行了对比实验。研究结果表明:对比三种典型目标函数,IQPSO-EFK相较于普通粒子群算法(QPSO-EFK)具有更强的寻优能力与收敛精度;对比三组旋转速度姿态测量误差,基于IQPSO-EKF算法的姿态测量方法在测量误差时比真实测量误差减少了约86.3%,比扩展卡尔曼滤波减少了约68.7%,比普通粒子群算法减少了约28.2%,证明该算法有效地提高了MEMS传感器测量精度。

适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器

为了消除潮湿、酸碱、静电颗粒等恶劣环境对压力传感器压敏电阻的影响,提出了一种新型结构的压阻式压力传感器。该传感器将压敏电阻置于应力薄膜的下表面并通过阳极键合技术密封在真空压力腔中,从而减少了外界环境对压敏电阻的影响。介绍了此种压力传感器的工作原理,使用ANSYS软件并结合有限元方法模拟了压敏薄膜在压力作用下的应力分布情况。最后,利用微机电系统(MEMS)技术成功制作出了尺寸为1.5mm×1.5mm×500μm的压阻式压力传感器。用压力检测平台对该压力传感器进行了测试,结果表明,在25～125℃,其线性度小于2.73%,灵敏度约为20mV/V-MPa,满足现代工业使用要求。

三轴数字MEMS加速度计现场标定方法

微机电系统(micro electro mechanical systems,简称MEMS)加速度传感器作为低成本惯性测量单元在物体姿态监测中有着广泛应用。根据三轴数字加速度传感器的输出数学模型,详细推导了如何计算数学模型中标度因数、安装误差系数以及零偏值。提出一种基于长方体的六位置简单标定方法,对比三轴转台精确标定结果表明六位置简单标定法简单易行,精度较高,易于单片机实现,适合不具备三轴转台的场所,且该方法对MEMS三轴数字加速度计的校准具有很好的通用性。

一种基于MEMS芯片的新型地面大气电场传感器

该文基于MEMS电场敏感芯片,研制出了一种新型的地面大气电场传感器,解决了现有场磨式电场仪易磨损、功耗大、故障率高等问题。敏感芯片采用SOIMUMPS加工工艺制备,其芯片面积仅为5.5 mm×5.5 mm。该文提出了传感器敏感芯片的弱信号检测方法,设计出了满足环境适应性的传感器整体结构方案,并建立了传感器的灵敏度分析模型。对电场传感器进行测试,测量范围为-50 k V/m^50 k V/m,总不确定度为0.67%,分辨力达到10 V/m,功耗仅为0.62 W。外场试验结果表明,MEMS地面大气电场传感器在晴天和雷暴天的电场探测结果,与Campbell公司场磨式电场仪探测结果都有较好的一致性,说明该传感器能满足预测雷暴要求,实现雷电监测和预警功能。

基于MEMS工艺的SOI高温压力传感器设计

利用MEMS(微机电系统)工艺中的扩散,刻蚀,氧化,金属溅射等工艺制备出SOI高温压力敏感芯片,并通过静电键合工艺在SOI芯片背面和玻璃间形成真空参考腔,最后通过引线键合工艺完成敏感芯片与外部设备的电气连接。对封装的敏感芯片进行高温下的加压测试,高温压力测试结果表明,在21℃(常温)至300℃的温度范围内,传感器敏感芯片可在压力量程内正常工作,传感器敏感芯片的线性度从0.9 985下降为0.9 865,控制在较小的范围内。高温压力下的性能测试结果表明,该压力传感器可用于300℃恶劣环境下的压力测量,其高温下的稳定性能为压阻式高温压力芯片的研制提供了参考。

采用卡尔曼滤波算法的MEMS器件姿态测量

针对小型无人机上使用的MEMS惯性传感器在精度、噪声上存在的问题,采用卡尔曼滤波算法结合角度传感器、加速度传感器、磁阻传感器的传感信息,来解算姿态角最优值。采用四元素法确立了捷联矩阵,利用三轴陀螺仪传感器所得到的角速度信息建立系统状态方程,利用三轴加速度传感器和磁阻传感器信息建立了系统测量方程,进而设计了一种卡尔曼滤波器来滤除MEMS传感器存在的随机噪声,并解算出了小型无人机的姿态角。通过实验室静态测试和动态测试表明,无人机姿态角解算结果与实际值对比,误差能够控制在2°以内,可满足工程应用要求。

基于MEMS的数字式太阳敏感器光学系统设计

为数字式太阳敏感器设计了一种光学系统。从标量的菲涅尔-基尔霍夫衍射理论出发,建立了圆孔结构数字式太阳敏感器的光学系统成像模型,在计算机上实现光学系统的数值仿真,并根据数值仿真的结果进行了光学系统参数的设计。该光学系统参数为:距离4 mm,圆孔半径50μm,孔间距700μm。针对所设计的光学系统,利用太阳模拟器完成了地面实验。实验结果表明,光学系统设计合理,能满足微小卫星对敏感器小型化、高精度的要求。

一种AlN基热隔离MEMS阵列风速传感器设计

采用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术设计和制作了一种基于氮化铝(aluminum nitride,AIN)基热隔离四阵列热流量风速风向传感器,并同时集成了一个环境温度传感器。在厚度为0.2 mm的AlN基片上通过光刻剥离工艺和激光微加工工艺实现2D微结构风速风向传感器制备。传感器由中间加热器、4个温度探测器和1个温度传感器组成,4个温度探测器之间通过激光微加工刻蚀8个热隔离通孔以减少热传导损失,提高有效热流量交换。通过对传感器的ANSYS仿真及性能测试,验证了设计的合理性及工艺的可行性。分析得出采用热隔离通孔可有效提高4个探测器的灵敏度,降低了加热电极的热传导损失,减小了传感器设计尺寸,提高了设计的集成度。传感器测试结果表明:最大角度差为5°,速度误差小于0.5 m/s。加热功耗为120 mW,响应时间仅3 s。

全球MEMS传感器技术创新现状与趋势——基于2000-2014年专利分析

以MEMS传感器为主要研究对象,基于德温特专利数据库中收录的优先权年为2000-2014年的MEMS传感器相关专利数据,以发展速度不同划分为三个阶段,分别讨论各阶段传感器类型、IPC分布以及专利权人分布的变化情况。结果表明MEMS传感器为市场导向型技术,不同阶段的研究重点与该阶段的市场需求有着紧密的联系,我国MEMS传感器在技术创新的同时应加快产业化的步伐。

MEMS磁场传感器的设计及测试

以U型梁为主要结构设计了一种新型的洛伦兹力驱动的磁场传感器,检测在磁场中作切割磁力线运动的金属线上的感生电压,实现磁场测量.首先介绍了传感器的工作原理,并用振动理论对传感器的受力及响应进行了分析,接着用有限元软件建立结构模型并对其振动模态和频率进行了仿真.该MEMS磁场传感器采用标准的CMOS工艺加上后处理来实现.最后用多普勒仪对传感器的频率和振动幅度进行测试,并对传感器的感生电动势与磁场、电流的关系进行了测试.实验结果与理论分析一致,该传感器的灵敏度为14 mV/mT.该传感器结构简单,测试方便,可用于对mT级的磁场进行测试.

基于MEMS惯性传感器时域特征的人体行为识别

提出了一种基于微机电系统(MEMS)惯性传感器组合系统的高精度实时人体行为识别算法。算法选取一个2 s的滑动时间窗作为特征提取窗口,提取惯性传感器组合系统输出的时域特征作为特征参量,采用基于平衡决策树的支持向量机对人体不同行为模式进行分类识别。在实验室自主研发的可穿戴智能终端平台上进行测试,结果表明,在识别时间缩短到2 s/次的条件下,对5种行走类行为模式和5种非行走类行为模式的识别率均可达88%。与现有算法相比,该算法的实时性和精度得到明显提高,且拓展了模式识别的种类。