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。

基于双螺旋式加热器的柔性MEMS流量传感器

针对传统流量传感器的量程限制,提出了一种基于双螺旋结构加热器的柔性基底微机电系统(MEMS)热式流量传感器。在基底上打出均匀通孔阵列以降低热传导损耗,两对测温电阻对称分布在加热器两侧,以获得较宽量程,在微小流量与大流量下均表现出较高灵敏度。采用基于惠斯通电桥的检测电路实现输出电压的测量,同时保持加热器与环境温度恒定温差200 K,对电阻自热进行补偿。传感器工作温度-100~400℃,量程为0~60 m/s;低流速下灵敏度约为12.75 V/(m·s^(-1)),分辨率可达0.001 mm/s,高流速下灵敏度约为1.4 mV/(m·s^(-1)),功耗低至1.3 mW。

基于POA-VMD-WT的MEMS去噪方法

针对MEMS传感器所测得的加速度和角速度输出信号噪声较大问题,提出一种基于鹈鹕优化算法(pelican optimization algorithm,POA)的变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)结合小波阈值(wavelet threshold,WT)的去噪方法。首先利用POA对VMD的参数组合进行优化选择,然后应用POA-VMD将含噪信号自适应、非递归地分解为一系列本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)。再通过计算每个IMF的余弦相似度对IMFs进行分类,根据计算结果将IMFs分为噪声主导分量与信号主导分量,对分类后的噪声主导分量进行改进小波阈值去噪处理,最后对处理后的噪声分量与信号主导分量进行重构,获得降噪后的MEMS传感器信号。静态和动态实验结果表明,该方法去噪处理后信号的信噪比分别提高12和10 dB,均方误差分别降低75.5%和46.6%,去噪效果显著,能够提高MEMS传感器的精度。

Smart Sensor与MEMS

讨论了SmartSensor与MEMS的全新概念。结合微机械加工技术的发展，概述了现代传感器技术智能化、功能集成化的新趋势，及其对现代微电子、微型电子机械乃至整个信息技术领域的深远影响。

力-热耦合下的MEMS传感器位置偏移自校准方法

在解决力-热耦合作用引发的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)传感器位置偏移问题时,通常运用传统遗传算法实现位置偏移自校准,受到固定参数的影响,该算法容易得到局部最优解,使得自校准后的MEMS传感器测量误差依旧较大。因此,提出一种力-热耦合下的MEMS传感器位置偏移自校准新方法。采用数据融合思想,将多批次采集的MEMS传感器测量数据汇总起来,对比与真实数据之间的差异,判断传感器是否在力-热耦合作用下偏移出工作区。引入误差相位偏移法进一步处理传感器测量数据,获取等间隔变换误差序列,解算出传感器误差模型,以此来体现传感器位置偏移变化。以传感器位置偏差最小化为目标,设定偏移自校准目标函数,并运用结合自适应调整思想的改进型遗传算法进行寻优求解,获取最优自校准参数取值。实验结果表明:以嵌入式角位移传感器为例,运用该方法完成自校准处理后,传感器的测量误差峰值保持在6″以下,有效解决了力-热耦合作用引起的传感器精度损失问题。

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。

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。

基于纳米铂黑材料的超高辐射率MEMS红外光源研究

本文基于微机电系统(MEMS)设计和加工技术,研制了一种高辐射率、低功耗、高调制速率的MEMS红外(IR)光源,通过在工艺中引入高可靠的纳米铂黑(Pt-black)材料作为红外辐射层,在2~14μm光谱范围内成功实现了99.5%以上的平均辐射效率。在5V驱动电压下,该MEMS红外光源的辐射区温度达到407℃,响应时间(T90)为17ms,在10Hz和100Hz工作频率下的调制深度分别达到100%和42%。最后,把该MEMS红外光源芯片集成在一种微型二氧化碳(CO_(2))气体传感器样机中进行了实验验证,结果表明:该器件具备良好的辐射特性和温度特性。该MEMS红外光源可以用于常规的CO_(2)和甲烷(CH_(4))气体检测,以及二氧化硫(SO_(2))、硫化氢(H_(2)S)、六氟化硫(SF_(6))、氨气(NH_(3))等多种工业气体检测。

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。

基于硅MEMS技术的高灵敏度微型光纤法布里-珀罗压力传感器

基于微机电系统技术设计制备了一种微型化光纤法布里-珀罗传感器,具备高灵敏度和可批量制造的特点。传感器内部的法珀腔由刻蚀后的SOI晶圆与BF33玻璃阳极键合而成,传感器敏感膜片采用了绝缘衬底上的单晶硅材料。采用激光精细切割技术对传感器单元进行独立分离,使得单个传感器的整体外径仅为400μm,高度为220μm。在此基础上,搭建了信号解调实验平台,并对传感器的感压特性进行了详尽测试。测试结果显示,在0~50 kPa的压力范围内,传感器的压力灵敏度可达到18.5 nm/kPa,最大非线性度为0.47%,重复性为0.18%,迟滞为0.18%。此外,该传感器具有体积小、灵敏度高、电磁兼容、生物兼容以及稳定性强等优点,在生物医学和医疗领域具备巨大的商业转化价值。

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。

压电MEMS振动传感器信号采集系统设计与实现

针对硅基铌酸锂单晶薄膜压电MEMS振动传感器产生振动信号的特征,设计了基于FPGA平台的数据采集系统。该系统采用AD7606采样芯片,结合状态机的思想,完成了AD采样设计的时序图,实现了数据转换,转换后的数据使用FIFO进行存储,之后通过USB 2.0传输到上位机进行处理。最后搭建了实物验证平台,利用此系统采集振动台输出的振动信号,并用MATLAB对采集到的振动信号进行分析。实验结果表明,当加载加速度为3~20 g时,采集到的电荷与输入加速度之间有较好的线性度。该采样系统能够满足一定的采样速率要求,在压电MEMS振动传感器信号采集领域有广阔的应用前景。

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。

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。

低成本MEMS惯性器件行人运动模式识别算法

针对行人正常行走、上楼、下楼等常见运动模式识别的问题,提出了一种低成本的足部MEMS惯性器件运动模式识别算法。首先,根据MEMS惯性器件的安装关系和实际采集的数据,分析了不同运动模式下的加速度计和陀螺仪的输出特征,然后,选取x轴方向的加速度计和y轴方向的陀螺仪输出的数据,利用输出波峰波谷的先后逻辑顺序,识别正常行走、上楼、下楼3种常见的行人运动模式,最后,对4名实验人员采集的10组数据进行分析。结果表明:采用该方法,正常行走状态识别的平均成功率可达到100%,上楼状态识别的平均成功率达到97.25%以上,下楼状态识别的平均成功率达到98.99%以上。从而验证了该方法的有效性。

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。

用于管道入侵定位检测的MEMS声传感器

管道入侵破坏会造成环境严重污染以及财产的重大损失,基于声学技术的管道破坏定位技术已成为发展趋势。提出了一种基于PMUT的MEMS声传感器,通过氧化铝-环氧树脂填充的方式实现了声阻抗匹配与高可靠性封装。将两个微机电系统(MEMS)声传感器安装在管道入侵定位检测系统中,并敲击管道模拟入侵场景,然后采集管道中传播的声信号并对其进行分析。结果表明,声信号在管道中的传播速度为2449 m/s,基于声信号的管道入侵定位检测方法的定位相对误差小于2%,证明了MEMS声传感器用于管道入侵定位监测的可行性。

具有温度补偿的微细圆柱基MEMS流速传感器研究

目前常见的流速传感器由于尺寸原因,只能介入管径较大的管道进行液体流速测量。设计并制造了一种可介入小管径管道的、具有温度补偿功能的圆柱基流速传感器,器件采用旋转投影曝光和微机电系统(MEMS)技术制作而成,包含一个薄膜型加热电阻和一个稳定补偿电阻,基于热阻原理可实现对不同温度流体流速的精确测量。测试结果表明:该流速传感器的温度系数为0.2236%/℃,灵敏度为4.25 mV/(cm·s^(-1))。研制的圆柱基MEMS流速传感器可在内径为2 mm的管道中对具有一定温度变化的流体进行流速测量,有望应用于工业、生物医学等领域。

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%。