基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究

针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境(≥500℃)下测试需求的问题,设计并制备了一种基于碳化硅(SiC)材料的电容式高温压力传感器。利用ICP刻蚀工艺和直接键合工艺实现了气密性良好的敏感绝压腔结构,结合金属沉积、金属图形化等MEMS工艺制备了感压敏感芯片。搭建了压力-温度复合测试平台,完成了传感器在0～600℃环境下压力-电容响应特性的测试。测试结果表明,在0～300 kPa内,该传感器灵敏度为4.51×10~(-3) pF/kPa,非线性误差为2.83%;同时测试结果也表明该传感器的温度漂移效应较低,0～600℃环境下电容变化量为8.50～8.65 pF。     

新型运载火箭中电容式液位传感器接口专用集成电路

为了提高新型航天运载火箭中电容式液位传感器系统的电容检测性能,设计了一款适用于航天运载火箭中电容式液位传感器的接口专用集成电路(Application Specitic Integrated Circuit,ASIC)芯片。首先,完成了整体电路的系统级设计,实现了对电容式液位传感器输出电容的线性检测,将传感器输出电容量转化为与之呈线性关系的电压量输出。然后,对接口ASIC芯片的线性度、噪声特性和温度环境适应性进行了理论分析与研究。最后,采用0.5μm CMOS工艺完成接口ASIC的流片,并进行了芯片的性能测试。实际测试结果显示,芯片电容检测非线性为0.005%,输出噪声密度3.7aF/Hz~(1/2)(待测电容40pF),电容测量稳定性7.4×10-5 pF(参考电容40pF,待测电容40pF,1σ,1h),输出零位温度系数4.5μV/℃。测试结果证明,该接口ASIC的电容检测性能已经达到国外最高性能的电容式液位传感器液位测量芯片的水准,可以广泛应用到多种电容式检测传感器中。     

新型接触式电容压力传感器

与其他类型压敏器件相比,接触式电容压力传感器(TMCPS)有着明显的优点,例如较好的线性,高灵敏度和大过栽保护能力等.为了达到更好的性能,设计了一种新型的接触式电容压力传感器(DTMCPS),这种新型的结构是在传统的TMCPS的底部电极上刻蚀了一个浅槽.与现有的接触式电容压力传感器相比,这种结构可以实现更好的线性和更大的线性范围.使用有限元分析软件对膜片的变形进行了分析并阐述了传感器的结构和工艺过程.分析结果表明这种新型结构的传感器可以在保持传统结构优点的同时实现更高的灵敏度,更好的线性和更大的线性范围.     

基于厚膜技术的双电容陶瓷压力传感器

基于厚膜传感技术研制出双电容陶瓷压力传感器,设计了一种具有高检测灵敏度的信号处理电路,详细阐述了双电容传感器感压元件的工作原理、结构设计、工艺制备方法及性能测试。实验结果表明:研制的传感器线性误差小于0.37%,迟滞误差小于0.3%,电容温度系数低于97×10-6/℃.     

ECT系统交流激励微小电容参数的测定

对ECT系统交流激励微小电容参数进行理论分析和实验研究.理论分析表明:减小Cf可以提高灵敏度,并得出注入柴油量与电容增量的关系;分别取Cf为2 pF和1 pF进行实验研究,理论值、实验值分别为3.77 V/pF、3.68 V/pF和7.54 V/pF、7.46 V/pF,且线性相关性为0.999 6和0.999 8,分辨力为0.194 fF,稳定性为2.59×10-5 pF/h.     

SiC高温压力传感器电容芯片设计与仿真

MEMS压力传感器的研制已相当成熟,但在高温领域却遇到了许多问题,为解决高温环境下压力测量的问题,文中介绍了一种新型Si C高温压力传感器电容芯片的设计方案。应用Ansys有限元分析软件进行热-结构耦合场仿真分析,常温下电容芯片的灵敏度为1.3 p F/bar(1 bar=100 k Pa),300℃、500℃、700℃时灵敏度分别为1.4 p F/bar、1.54 p F/bar、1.74 p F/bar,表明这种结构在高温下仍具有较高的灵敏度,同时对结构进行模态仿真,由模态分析结果知,一阶频率为245 930 Hz,可知该结构具有很高的频响。     

基于低温共烧陶瓷的无线无源双参数传感器特性分析

设计并制备了一种可应用于恶劣环境的基于LTCC(低温共烧)陶瓷的集成温度和压力的双参数传感器。温度变化使LTCC基底介电常数变化,引起LC谐振电路的谐振频率变化;压力使LC谐振电路的电容极板间距离减小,从而使谐振频率发生变化,然后通过无线磁耦合的方式读取传感器信号。在高温压力复合平台对传感器温度和压力特性进行了测试和分析。实验结果表明:测量的传感器谐振频率随压力成线性减小;在相同压力下,传感器谐振频率随着温度的升高而减小;温度升高会使压力传感器响应灵敏度提升。     

用于火炮膛内压力测试的电容式传感器的设计

通过研究目前火炮膛压测试中所存在的问题--传感器安装结构与测压器小体积之间的矛盾,设计了一种新的用于火炮膛压测试的电容式压力传感器,由电路筒作为固定电极,测压器壳体作为可动电极形成极间距离为0.5 mm的同轴圆筒电容变换器,它的固有频率达到52.665 kHz,灵敏度为0.009 9 pF/MPa,压力测量范围是0-600 MPa,论文详细阐述了电容式压力传感器的工作原理,结构设计,利用有限元软件ANASYS对其力学特性及热学特性进行了仿真模拟,并做了性能测试.试验结果表明:电容值和所受压力近似成线性关系,且具有良好的稳定性.     

基于驻极体的低功耗非接触式电压测量技术北大核心CSCD

针对低功耗、高性能非接触式电压测量的需求,提出一种基于驻极体电容结构的非接触式电压测量技术。驻极体电容结构由正面蒸发有金属导电薄膜的驻极体薄膜、绝缘衬圈和金属电极构成,通过理论分析和有限元仿真,得到传感器的输出响应关系,并通过搭建实验测试平台对传感器进行性能测试。测试结果表明,传感器输出响应特性与理论分析吻合,并具有较好的线性度和重复性,在施加600、800、1 000 Hz被测电压条件下,传感器的线性度分别达到6.1%、3.5%、2.7%,重复性分别达到9.67%、 5.93%、5.46%。     

光纤珐珀高温压力传感器的设计与性能测试

为了提高传感器在高温恶劣环境下的测试性能,结合单晶蓝宝石优异的特性,研究了一种能在高温恶劣环境下长期稳定工作的全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器,并对其设计、制造工艺及性能测试进行了详细的分析说明。首先,利用光纤珐珀干涉原理及斐索干涉仪的信号解调原理,对传感器进行了结构的设计;其次,采用蓝宝石刻蚀工艺、激光加工工艺及对蓝宝石三层结构的直接键合工艺完成了对传感器的工艺加工;最后,对制造的传感器进行了常温环境下的密封性测试及高温环境下的性能测试,测试结果表明:制造的高温压力传感器具备良好的密封性,且在高温环境下具有良好的线性响应,且温度在900℃时传感器的灵敏度可达3.035 nm/kPa,可以长期在高温环境下稳定工作。     

微热板式气压传感器结构设计与热分析

给出了采用牺牲层技术制作的微热板式气压传感器的加工工艺和工作原理.分析了微热板各层薄膜厚度、微热板下气隙高度、支撑桥尺寸、微热板面积大小对传感器加工、工作性能的影响,并结合实际工艺条件设计了一种采用不同支撑桥尺寸的传感器结构.理论分析了恒温加热方式下微热板各种传热途径随气压的变化关系;用有限元方法模拟了恒流加热方式下气压对传感器温度分布和温度大小的影响.分析结果显示,气压较高时微热板传热以气体导热为主,而气压较低时以支撑桥导热为主;微热板区域温度分布较均匀,温度大小受气压影响较大;设计的传感器测量范围为10～10⁵Pa,功耗在毫瓦级,且具有尺寸小、热响应快、易与电路集成等优点.     

新型固体电解质基氮氧化物传感器的制备与性能研究

氮氧化物(NO_x,NO+NO₂)是我国首要的气体污染源之一,其对自然环境和人类健康均造成了严重的威胁,因此开发原位检测NO_x的高效检测设备势在必行。NO_x的排放源主要为工业废气和汽车尾气,其气体温度较高、成分比较复杂,而固体电解质基气体传感器可以实现在高温下对NO_x的高选择性、高灵敏度检测。本研究以Co₃O₄/Cr₂O₃/YSZ的复合材料为敏感电极,以YSZ为固体电解质构建了阻抗型NO_x传感器。采用XRD、SEM和EDX对传感器进行了表征,并系统研究了传感器在高温下对NO的敏感特性。结果表明：Co₃O₄/Cr₂O₃/YSZ敏感电极材料呈颗粒状,粒径约为200 nm,并且敏感电极以疏松多孔的状态覆盖在电解质表面,有利于气体的扩散和传质。传感器对NO_x具有良好的响应...     

陶瓷微板热隔离半导体气体传感器阵列设计与实现

具有高浓度、挥发性、强氧化性的液氯、氮氧化物等危化品泄露、爆炸的安全检测一直是一个难点问题,要求检测传感器具有较宽量程和抗腐蚀设计。基于Al N陶瓷的微热板半导体气体传感器阵列设计,采用耐腐蚀的Al N陶瓷为衬底,物理化学性能稳定的Pt膜作为信号和加热器电极,经杂化修饰的In-Nb复合半导体氧化物为敏感材料,结合柔性光刻剥离工艺和激光微加工工艺,制备了陶瓷微板热隔离气体传感器阵列。为验证传感器阵列热结构设计的合理性,进行了有限元热仿真分析,优化了设计结构。经静态气敏测试分析,传感器阵列对浓度体积比500×10~(-6)的Cl_2和100×10~(-6)的NO_2两种气体的气敏响应时间分别为30 s和60 s左右,灵敏度最高分别为275倍和4倍,且在0~500×10~(-6)和0~100×10~(-6)检测范围均具有良好的气敏特性,对Cl_2等高浓度宽量程危化品气体检测具有良好的应用前景。     

微机械光读出红外成像阵列器件 机械特性对其性能的影响

研究了具有"双材料梁-微镜一体化"特征结构的光读出红外成像阵列器件的机械特性对其性能的影响。通过理论计算和ANSYS模拟,分析了器件的热-机械灵敏度,对器件的结构参数进行了优化,并得到其热-机械灵敏度为2.14×10^-3 rad/K;从器件的频率和阻尼特性出发,研究了器件的机械特性对热振动噪声和机械稳定性能的影响。研究结果表明:绝热梁断裂所需冲击载荷为8 945 g;器件的工作气压确定在50~200 Pa时,其热机械噪声和外界机械振动引起的噪声对器件性能的影响可忽略。该器件基本满足红外成像阵列器件的高灵敏度、低噪声的要求。     

An experimental study on the pumping performance of molecular drag pumps

The pumping performance of molecular drag pumps (MDP) has been investigated experimentally. The experimented MDPs are a disk-type drag pump (DTDP), helical-type drag pump (HTDP) and compound drag pump (CDP), respectively. In the case of the DTDP, spiral channels of a rotor are cut on both upper surface and lower surface of a rotating disk, and the corresponding stator is a planar disk. In the case of the HTDP, the rotor has six rectangular grooves. The CDP consists with the DTDP, at lower part, and with the HTDP, at upper part. The experiments are performed in the outlet pressure range of 0.2–533 Pa. The inlet pressure and compression ratio are measured under the various conditions of outlet pressure and throughputs, and nitrogen is used for the test gas. At the outlet pressure of 0.2 Pa, the ultimate pressure has been reached to 1.0 × 10⁻² Pa for the HTDP, 1.3 × 10⁻⁴ Pa for the DTDP, and 3.6 × 10⁻⁵ Pa for the CDP. The maximum compression ratio of the CDP is much higher than those of the DTDP or HTDP. Consequently, the ultimate pressure of the CDP is the lowest one.     

微机械应力测试结构的温度特性和应力抑制方法

研究了典型微机械应力测试结构的温度特性及从源头上抑制热应力的方法。设计了一种可以代表微机械系统(MEMS)器件温度特性的应力测试结构,并分析了温度对其固有频率的影响机理。指出了与材料弹性模量、结构尺寸变化相比,轴向应力是影响该结构固有频率温度稳定性的主要因素,同时设计了一种可以释放热应力以及加工残余应力的应力隔离结构。考虑硅的线膨胀系数随温度变化的特性,通过建模仿真和实验测试获得了应力测试结构、应力隔离结构的轴向应力以及固有频率的温度特性。结果表明:在-50℃~+85℃,应力隔离结构将轴向热应力抑制到了应力测试结构的2个数量级以下,固有频率-温度系数由5.0×10~(-3)ppm/℃左右降到了5.0×10~(-5)ppm/℃以下。结果显示:设计的应力隔离结构具有非常良好的应力隔离效果,从源头上抑制了主要的温度影响因素引入整个微机械系统,可以应用于其它MEMS结构以获得良好的温度稳定性。     

基于光纤光栅的机械手指触滑觉传感研究

针对机械手指柔性触滑觉传感问题,提出了一种基于光纤光栅的二维分布式传感阵列的触滑觉传感方法,该方法采用两根平行放置和一根倾斜放置的光纤光栅传感器组成传感单元,利用弹性材料封装增强光纤光栅对压力的灵敏度,并以单元阵列的方式实现对触觉三维力、滑动方向以及滑移位置的感知。仿真和实验结果表明,该方法可以很好地实现对触觉正向压力和剪切力的传感,其中正向压力在0~3.691 9×103Pa的范围内灵敏度为Kp=0.194 pm/Pa,x正向剪切力在0~1.115×103Pa的范围内灵敏度为Kpt=0.03 pm/Pa。通过对传感阵列中不同光栅中心波长漂移的上升沿和峰值时间差实现对物体x轴的滑移方向的判断。该方法可以很好地实现对机械手指触滑觉信息的测量,具有一定的应用价值。     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器研究

对基于Fabry-Perot（F-P）干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺进行了实验研究。在单模光纤端面上直接熔接外径约175μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而在光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔。首先采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片的方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0-3.1MPa压强范围内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09nm/MPa,压强测量分辨率681Pa,并具有很小的温度敏感系数。在30-140℃的温度范围内,温度交差敏感小于1.07KPa/℃。为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料（PSQ）作为压力敏感膜片制作了F-P传感器,室温下在0.1-2.1MPa压强范围内PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到 1 886.85nm/MPa,压强测量分辨率达到53Pa。     

Effect of atmospheric pressure on friction and wear of 0.45% C steel in fretting

Oxidative wear is significant in fretting wear when sufficient oxygen is supplied. In vacuum, however, oxide does not form readily. In this paper friction and wear behaviours were studied at various atmospheric pressures in order to clarify the effect of ambient pressure on them.Experiments were conducted with 0.45% C steel at ambient pressures from 1.0 × 10⁵ to 1.3 × 10^?3 Pa. The load was 14 N, the peak-to-peak slip amplitudes were 35 and 110 μm and the frequency was usually 8.3 Hz.Friction behaviours are characterized into three types according to the ambient pressure: 1.0 × 10⁵ ? 10 Pa, 10 ? 10^?1 Pa and below 10^?1 Pa. The coefficient of friction increases with a decrease in ambient pressure below 1 Pa. The critical pressure in fretting is found to be 10 Pa, above which the oxidation rate is independent of the ambient pressure and α-Fe₂O₃ is formed. Wear decreases with ambient pressure below the critical pressure where Fe₃O₄ is formed. Adhesive transfer of metallic debris occurs below 10^?1 Pa.The relationship between the coefficient of friction and oxide thickness is obtained analytically, and the effect of frequency on the oxidation rate is considered.