高频响MEMS石墨烯压力传感器设计

为了满足在恶劣环境下爆炸冲击波压力的测量需求,提出了一种结构为上层“膜+凸柱”与下层“十字梁”的高频响MEMS石墨烯压力传感器。使用ANSYS workbench软件对该结构进行分析,结果表明,其频响为1.34 MHz,在满量程60 MPa情况下,十字梁根部位置处石墨烯的应变最高可达0.259%。最后,使用方块电阻计算方法对石墨烯电阻值进行预估。为高频响石墨烯压力传感器的设计提供了一定的可行性的结构方案。

MEMS颅压监测传感器的设计与分析

为了实现对脑颅手术后脑组织液渗出压力的监测,以压阻效应为基础和提高灵敏度、线性度为目标,提出了一种四短梁扇形膜结构的压力传感器。通过改进膜结构使得应力分布集中,较大提高了传感器灵敏度。通过对传感器数学模型的理论计算,根据敏感膜结构设计的线性原则和可靠性原则,确定膜厚。采用ANSYS损件进行有限元仿真,分析了影响应力、挠度变化的参数并进行优化。在设计量程内和全范围过压1.125倍进行仿真,传感器灵敏度达到3.164 mV/kPa,可对颅压的变化做出迅速响应,有望用于临床颅压监测。

MEMS高温压阻式压力传感器闭环控制方法

为提高MEMS高温压阻式压力传感器的整体性能,提出一种MEMS高温压阻式压力传感器闭环控制方法。明确MEMS高温压阻式压力传感器在工作过程中产生的变谐效应,分析了静电驱动和电容检测。根据分析结果设计出闭环控制策略,在闭环控制过程中采用二元差值算法补偿传感器的温度误差,提高控制精度。通过灵敏度校准和零点失调校准,实现了MEMS高温压阻式压力传感器的闭环控制。试验结果表明,所提方法的控制精度高、信号采集准确率高及控制性能好。

MEMS铁磁磁场传感器的研究

提出了一种新型的基于Si压阻效应的铁磁体MEMS磁场传感器结构,其结构由制作在硅桥敏感膜表面的惠斯通电桥和在膜中间旋涂环氧胶沾上铁磁体制成。铁磁体在外磁场中磁化产生磁力,磁力耦合到硅桥敏感膜上会产生应力使膜上的惠斯通电桥产生电压输出以达到测量磁场的目的。文章先通过有限元软件对铁磁体在磁场中的受力大小和磁场传感器在磁力下的输出进行了仿真,然后对该结构进行了测试,仿真结果和实验结果较接近。实验测得该传感器最大灵敏度为70 mV/T,分辨率为330μT。该磁场传感器结构简单、工艺成熟、成本低,易于大批量生产。

一种MEMS高温压力传感器

基于硅压阻效应,利用微电子机械系统(MEMS)技术,研制了一种可用于多种领域的高温绝压压力传感器。为了达到耐高温的目标,传感器芯片采用绝缘体上硅(SOI)硅片加工,并利用有限元软件ANSYS对传感器芯片结构进行了应力仿真分析。同时,对传感器的电阻结构、金属布线系统、传感器支撑层键合技术及流片工艺进行了设计,完成了芯片的加工。设计了传感器耐高温封装结构,完成了传感器的初级封装。最后,对常规MEMS压力传感器及研制的高温压力传感器的基本性能、电阻温度特性、漏电流温度特性进行了测试和对比,实验结果表明研制的高温压力传感器能够耐受350℃的高温。

基于非晶碳膜压阻效应的MEMS压力传感器研究

目的研究非晶碳膜的压阻性能和机理,并将其作为压敏电阻应用于MEMS压力传感器敏感电路中。方法使用直流溅射工艺制备非晶碳膜压敏薄膜材料,对典型样品进行内部组分和电学、力学、温度等性能测试和研究,使用有限元方法进行器件设计仿真,借助MEMS加工工艺完成非晶碳膜压力传感器芯片的加工,最后进行器件级别的测试和分析。结果在0~1 MPa范围内,压力传感器芯片的灵敏度为9.4μV/kPa,输出信号的非线性度为5.57%FS;对压敏电阻进行–70~150℃范围内的温度性能研究,其阻值与温度之间表现出较强的线性关系,且在–20~150℃段,线性度更强,表明非晶碳膜压敏材料在高温段应用时更容易补偿。机理研究方面,非晶碳膜在厚度方向上表现出组分差异化,因此该方向也应被纳入机理模型建立中。结论非晶碳膜在加工工艺、力学性能以及电学性能上与传统的MEMS传感器芯片能够很好地结合,加工得到的非晶碳膜压阻式压力传感器灵敏度和线性度较为理想。此外,其压阻机理研究应纳入薄膜厚度方向。

基于MEMS技术的颅压监测传感器的设计与制备

颅内压力的监测对颅内疾病的诊断和治疗有重要的作用,基于硅的压阻效应,设计了一种可用于人体颅内压力监测的植入式压力传感器。根据压阻效应原理和薄板变形理论,完成了颅压传感器力学结构和电学性能的设计,然后采用微电子机械系统(MEMS)加工工艺完成了敏感芯片的制备,并提出了一种具有生物兼容性的绝缘封装结构。同时搭建了绝缘性测试平台和性能测试平台,通过测试证明封装后的传感器具有良好的绝缘性和抗渗透能力,且其灵敏度可达到1.608 mV/kPa,可对颅压的变化做出响应,为颅压传感器的批量化生产奠定了研究基础。

基于SOI的MEMS高温压阻式压力传感器

基于高温环境下压力实时监测的广泛需求,设计并制备了一种最大量程为1.5 MPa的绝缘体上硅(SOI)压阻式压力传感器。根据压阻效应原理和薄板变形理论,完成了传感器力学结构和电学性能的设计,采用微电子机械系统(MEMS)加工工艺完成了敏感芯片的制备,并使用了一种可耐300℃高温的封装技术。实验中采用了常温压力测试平台和压力-温度复合测试平台进行测试,测试结果表明,封装后的传感器在常温环境下具有良好的非线性误差、迟滞性和重复性,其灵敏度可达到0.082 8 mV/kPa,同时在300℃高温环境中其灵敏度仍可达0.063 8 mV/kPa。

基于石墨烯压阻效应的宽量程MEMS压力传感器设计

针对传统悬浮式石墨烯压力传感器存在量程小、体积大、非线性度高等问题,设计了一种膜-岛结构的宽量程石墨烯MEMS压力传感器。使用COMSOL有限元仿真软件和噪声分析法对弹性膜片及石墨烯敏感单元尺寸进行优化设计。结果表明:在0~25 MPa范围,传感器最大应变为0.314%,固有频率高达1.3534 MHz;采用TSV垂直互联技术实现压力传感器芯片的三维集成,芯片封装尺寸仅为2 mm×2 mm。本文设计的石墨烯MEMS压力传感器具有体积小、集成度高、固有频率高、量程宽等特点,对未来高性能石墨烯压力传感器及其他石墨烯力学传感器设计和应用具有指导意义。

基于纳米孔的宽量程石墨烯压力传感器

针对传统微机电系统(MEMS)压力传感器性能难以提升且结构复杂等问题,制备了一种基于纳米孔的宽量程石墨烯压力传感器结构。在Si_(3)N_(4)薄膜上刻蚀了阵列纳米孔作为压力腔,使用单层石墨烯夹在氮化硼薄膜间作为敏感结构,平铺于纳米孔阵列上,由金布线层导出信号。测试表明,在0~20 MPa压力范围内,该压力传感器的灵敏度为9.35×10^(-5) MPa^(-1),重复性误差为满量程输出(FSO)的5.70%,迟滞为1.91%FSO,线性度为2.43%FSO,其重复性与线性度良好且迟滞较小。设计的宽量程石墨烯压力传感器能够实现0~20 MPa以内的压力测量,且器件加工一致性高、测量误差小、制备方法相对简单,有助于降低生产成本和提高生产效率,在压力测试领域展现出良好的应用前景。

SOI基底上制备的用于检测机器人手指接触力的微压阻式力传感器

为了使工业机器人可以稳定、高效地完成夹持任务,设计并制备了三种不同结构的微压阻式力传感器。利用热氧化、硼扩散掺杂、光刻、反应离子刻蚀、物理气相沉积和阳极键合等微电子机械系统(MEMS)加工工艺在绝缘体上硅(SOI)基底上制备出了尺寸均为2 mm×2 mm×0.5 mm的三种微压阻式力传感器。通过封装前后对三种传感器在z方向上的应力灵敏度测试,结果表明第二种传感器的灵敏度较佳,封装前可达0.18 mV/mN,封装后仍可达0.096 mV/mN,仅减少了0.084 mV/mN,仍具有良好的线性关系,输出特性的趋势与预计一致。同时,这三种不同结构的传感器各方向之间的串扰均小于5%,非线性小于满量程的3%。通过封装前后力传感器性能对比,为优化此类传感器设计提供了实验数据,为后续配置在机器人的指尖上实现高效、稳定的操作提供了参考。

基于绝缘体上硅的颅内压力传感器的设计与制作

基于当前医疗领域对颅内压(intracranial pressure,ICP)测量的迫切需要,设计并制造了一款量程为-10~50 kPa的绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)压阻式压力传感器.根据硅的压阻效应原理和小挠度变形理论,完成了传感器的整体结构设计,采用微电子机械系统(micro-electromechanical systems,MEMS)加工工艺完成了敏感芯片的制备,并结合柔性印刷电路板(flexible printed circuit,FPC)和生物柔性硅胶技术对芯片进行了放大补偿和封装.最后对其进行了压力疲劳循环测试,测试结果表明:FPC封装的压力传感器在常温环境下具有较低的非线性误差、迟滞性和重复性,经过放大后的输出灵敏度可以达到3.706 mV/kPa.

压阻式硅微二维加速度计的加工与测试

提出了一种压阻式的硅微二维加速度计,该加速度计采用4个相互垂直的悬臂梁支撑中间有刚硬柱体的结构,利用合理布置的压敏电阻构成的惠斯通电桥测量水平面内两个方向的加速度.结合微结构的力学分析模型以及压阻原理分析了加速度计的灵敏特性.采用硅微机械加工工艺完成了加速度计的加工,应用微系统分析仪、激光拉曼光谱应力测试仪以及振动台分别对加工出的微结构形貌、残余应力、频响以及灵敏特性进行了相关测试.测试结果表明,两个方向的输出值均灵敏度高、线形度较好,X向灵敏度为1.017,4,mV/g(g为重力加速度),线性系数为0.999,91,Y向灵敏度为0.897,61,mV/g,线性系数为0.999,45.微加速度计的频响曲线较为平坦,其共振频率大约为670,Hz.

一种新型的压阻式硅微二维加速度计的设计

以压阻检测技术为基础并结合硅微MEMS加工技术设计了一种二维加速度计微结构,期望利用该新型的结构提高加速度计的灵敏度,实现二维方向的加速度检测。该加速度计采用四个相互垂直的悬臂梁支撑中间有刚硬柱体的结构,通过利用合理布置的压敏电阻构成的惠斯通电桥测量水平面内两个方向的加速度。建立了该结构的数学模型并用有限元分析软件ANSYS对敏感弹性元件进行分析。最后对加工出的加速度计进行了相关的测试。测试结果表明:该加速度计水平面内两个方向的灵敏度高、线形度较好,X向灵敏度为0.7552mv/g,线性度为0.99967,Y向灵敏度为0.6833mv/g,线性度为0.99966。

一种压阻式微压力传感器

微压力传感器是微机电领域最早开始研究并且实用化的微器件之一,它结构简单、用途广。基于压阻效应、惠斯顿电桥等相关知识设计了一种压阻式微压力传感器。为增大灵敏度,设计了一种折弯形的压敏电阻。基于一些相关的微加工工艺制定了制作这种微传感器的工艺流程并且制作成功了传感芯片。设计了一个处理电路去获得此传感器的输出信号,它由两级放大电路和两级巴特沃斯低通滤波电路组成。最后利用这个测试系统检测出了随压力变化而发生变化的微电压信号。

阵列式脉象传感器的设计与制作

提出了一种用微机电系统(MEMS)技术应变传感器阵列探头客观细腻地采集人体脉象的新思路。探头采用直接腐蚀出电阻条的技术,具有工艺简单、成本低廉、电阻变化率高、工作可靠等优点。对设计进行了理论计算和优化,并用有限元分析软件ANSYS8.0进行了结构和电耦合场仿真,模拟悬臂梁端点位移对电阻变化的影响。当悬臂梁末端位移变化为50μm时,电阻变化率模拟结果为18.84%,与理论计算值19.67%符合得很好。

高灵敏度4H-SiC基高温压力传感器

p型4H-SiC相较n型4H-SiC具有更高的压阻效应,p型4H-SiC正方形膜片作为弹性元件相较圆形膜片具有更高的灵敏度。基于此,设计了一种基于p型4H-SiC压阻效应的高灵敏度碳化硅压力传感器,探索了Ni/Al/Ni/Au与p型4H-SiC之间形成良好欧姆接触的条件,并制备了传感器芯片。在25~600℃空气环境中对传感器芯片的电阻进行了测试,验证了传感器在≤600℃下具有良好的电连接性。最后,在常温至250℃下对传感器进行性能测试。实验结果显示,常温环境下传感器具有较高的输出灵敏度为10.9μV/V/kPa,即使在250℃时其输出灵敏度也约为6.7μV/V/kPa。该研究为高温压阻式压力传感器发展提供了一定的技术参考。

一种高g值压阻式加速度传感器

基于压阻效应,利用微电子机械系统(MEMS)技术,研制了一种可用于多领域的高g值加速度传感器。加速度传感器采用四端全固支八梁结构,利用力学计算、ANSYS仿真和工艺约束相结合的方法确定了结构参数。通过对压敏电阻的数量、结构和布放位置的分析与设计,进一步减小了加速度传感器的横向灵敏度。采用硅-硅键合与共晶键合相结合工艺制作了圆片级气密封装的加速度传感器芯片,并用塑封工艺实现了加速度传感器芯片的封装,易于批量生产和工业应用。最后,对加速度传感器的性能进行了测试,结果表明灵敏度为1.5~2μV/g,一阶固有频率大于200 kHz,在1.5×10~5 g量程内正常并有效工作,抗过载大于2.5×10~5 g。

三维微力探针传感器技术研究

结合光纤探针与四悬臂梁支撑结构的特点,研制了一种基于微探针形式,具有μN级三维微力测量和传感能力的压阻式三维微力探针传感器。通过ANSYS数值仿真的方法研究了传感器结构之间的应力特点。并且通过实验验证了所研制的传感器的综合精度可达到0.2%FS,干扰误差≤0.3%FS.

自增强承压圆筒结构的超高压力传感器

采用自增强技术与硅压阻效应研制了超高压力传感器,该传感器能够消除封装残余应力的影响并保证其在进行大量程压力测量时具有较高的灵敏度输出。该传感器的弹性元件为圆筒结构的高强度弹簧钢,敏感元件为平膜倒杯式硅压阻芯片。传感器工作时,超高压力作用在圆筒结构的金属弹性元件使其发生轴向位移,该位移量通过弹性元件顶端的传递杆施加到周边固支的硅压阻芯片上,使置于此处的4个电阻条阻值发生线性变化,从而输出与被测压力成正比的电压值。在研究弹性元件在1 000MPa超高压力下的工作性能时,理论与仿真相结合研究了弹性元件的承载强度,确定采用自增强处理技术提高弹性元件的承载能力。最后,对封装好的传感器静态性能进行了标定实验。实验结果表明,该传感器能够承受1 000MPa以上的工作压力,线性度为0.52%,满足工业领域的应用需求。