高性能MEMS电容压力传感器的设计及其热分析

为了进一步提高接触式电容压力传感器的性能,设计了一种高性能双凹槽结构的接触式电容压力传感器,并对该传感器在高温环境中的总体性能进行了分析。推导了热传导和热弹性理论,并对影响传感器热分析的各个因素与温度的依赖关系进行了描述;在整个分析过程中,使用ANSYS软件并结合有限元方法对全尺寸传感器的热效应进行模拟。结果表明,在接触工作状态双凹槽接触式电容压力传感器的温度对输入(压力)-输出(电容)特性的影响是线性的,且线性范围内初始压力随温度的升高而降低;当温度载荷为550 K时,双凹槽结构的灵敏度为1.21×10-6pF/Pa,比传统单凹槽的0.8×10-6pF/Pa高出50%,表明该压力传感器有着非常优异的高温特性。     

基于硅酸镓镧的声表面波高温压力器件的微结构加工制造技术研究

采用硅酸镓镧(Langasite,LGS)压电材料制备声表面波(Surface acoustic wave,SAW)高温压力传感器可解决高温、高压等恶劣环境下温度、压力等参数的实时原位测试的问题,但由于硅酸镓镧是一种高硬度难加工的硬脆性压电材料,因此开展了硅酸镓镧压电材料在高温等恶劣环境下的微结构加工制造技术的研究.通过分析LGS的化学与物理特性,利用湿法腐蚀工艺实现LGS的微纳成形制造和控制;以及利用高温热压直接键合工艺实现密封空腔的制造,研制出一套适用于LGS等硬脆性材料的微纳结构成形制造技术,并探究了微结构加工制造工艺的实用性.利用微结构加工制造技术实现的压力敏感微结构制备了基于LGS的SAW高温压力传感器样机并进行了测试,样机在25～1000℃、20～500 kPa环境下能稳定工作,验证了LGS微纳结构成形制造技术在高温等恶劣环境下应用的可行性.     

光纤法珀式SiC耐高温压力传感器的制造与测试

针对高温环境下压力参数的原位测试需求,基于碳化硅（SiC）材料优异的耐高温特性,研制了一种光纤法珀式全SiC结构耐高温压力传感器。采用超声振动铣磨的加工方法制备了表面粗糙度Ra约11.9 nm的SiC传感膜片。利用SiC晶片氢氟酸辅助直接键合技术,实现SiC传感膜片与SiC基板的高强度气密性键合。搭建了高温压力测试系统,对制备的SiC耐高温压力传感器样机进行了高温环境下的性能测试。结果表明,该传感器能够实现600 ℃高温环境下 0~4 MPa范围内的压力测量;600 ℃下传感器的压力灵敏度达到104.42 nm/MPa,具有较高的线性度,R2＞0.99。     

MEMS高温接触式电容压力传感器

本文介绍了一种用SOI硅片和硅-硅键合MEMS技术制作的高温接触式电容压力传感器，并给出了详细的工艺制作流程。在对测试装置、测试电路进行了详细地介绍和深入分析后，用此测试电路对制作的传感器器件进行了高温测试。测试结果表明，传感器在小于250kPa的室温条件下工作，传感器的灵敏度为0．54mV／kPa;而在400℃条件下工作，传感器的灵敏度为0．41mV／kPa，传感器的零点飘移为0．1mV／℃。可见这种微传感器可在低于450℃的条件下正常工作，且具有很大的线性工作范围、良好的稳定性和较高的灵敏度。     

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。     

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。     

一种双面变极距电容式海水压力传感器的研究

针对传统深度(压力)测量仪器无法满足海洋信息检测对于快速深度测量需求的问题,文中研究并设计了一种基于厚膜工艺制造的双面变极距电容式压力传感器敏感单元。为提高检测灵敏度和满足快速移动测量的需求,采用双面感压电极的芯片式结构设计;基于小挠度薄板设计理论,运用ANSYS对应力、位移进行仿真,对传感器设计的合理性进行理论论证;搭建电容式压力传感器的性能测试系统,分别从线性度、灵敏度、重复性等方面进行性能测试,传感器量程为0～2 MPa,非线性误差小于1%,灵敏度为0. 02 pF/kPa,重复性误差为0. 623%。结果表明该传感器是一种在较浅海域测量线性度好、灵敏度较高、可靠稳定的压力传感器。     

一种厚膜电容式压力敏感芯片

厚膜电容式压力敏感芯片具有工作温度范围宽、耐腐蚀、抗过载能力强、蠕变和迟滞小等优点.该芯片是由2块能牢固键合成一体的上下基板组成,基板材料为96% Al_2O_3陶瓷.下基板既为弹性体,又为电容器的可动电极; 上基板为电容器的固定电极并可承载运放、信号调节电路.文中研制的压力敏感芯片量程为0～100 kPa,电容值为30 pF,非线性为1.5%,工作温度为-40～125 ℃,零点温漂小于200 ppm/℃.     

基于SOI的MEMS压阻式高温压力敏感芯片的研制

设计并制备了一种基于SOI(silicon on insulator)材料的MEMS压阻式高温压力敏感芯片。在设计方面,通过理论计算与仿真,对敏感芯片各项参数进行了优化;在工艺方面,设计了基于标准MEMS工艺的制作流程,并创新性地提出了"器件区下沉"工艺步骤,以提高敏感芯片工艺制备的可靠性。采用316L不锈钢基座对MEMS压力敏感芯片进行封装后,完成了温度、压力复合环境标定测试,结果显示其具有较高的测量精度,并可在20~220℃温度范围内稳定工作,具备在高温恶劣环境中应用的前景。     

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/℃.     

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.     

超低温薄膜压力传感器的研究

超低温薄膜压力传感器可用于液氢、液氮、液氧等低温环境的压力测量,目前国内外超低温压力传感器产品的工作温度最低为-200 ℃.文中主要介绍了对超低温薄膜压力传感器的研究,通过薄膜压力传感器设计和工艺技术研究,成功研制出超低温薄膜压力传感器,并在-253(液氢)～+60 ℃温度环境下进行压力传感器静态性能测试,结果表明传感器性能指标优异,实现了超低温薄膜压力传感器技术突破.     

一种环境可控的MEMS微结构离面动态变形测试系统

利用Linnik显微干涉技术和环境控制技术,研制了一套环境可控的微机电系统(MEMS)微结构离面动态变形测试系统,该系统可测量不同温度、不同压力下MEMS微结构的离面动态变形情况。测试系统的环境控制装置可提供0～300℃的温度变化和0.1～0.6MPa的压力变化。利用测试系统对不同压力下绝压型硅微压力传感器膜的动态变形以及不同温度下微电路板的变形形貌进行了测量,其中绝压型硅微压力传感器膜变形量的测量重复性误差小于20nm。     

用于恶劣环境的耐高温压力传感器

为了解决如高温200℃等恶劣环境下的压力测量问题,基于微机电系统(MEMS)和高能氧离子注入(SIMOX)技术,研制了一种量程为0~120 kPa的压阻式压力传感器。该传感器芯片由硅基底、薄层二氧化硅、惠斯登电桥结构的硼离子注入层、氮化硅应力匹配层、钛-铂-金梁式引线层和由湿法刻蚀形成的空腔组成。在氧剂量1.4×10¹⁸/cm²和注入能量200 keV条件下,由高能氧离子注入技术形成厚度为367 nm的埋层二氧化硅层,从而将上部测量电路层和硅基底隔离开,解决了漏电流问题,使得传感器芯片可以在高温200 ℃以上的环境下使用。为了提高传感器在宽温度范围内的稳定性,对温度补偿工艺进行了研究,补偿后的传感器灵敏度温度系数和零位温度系数很容易控制在1×10^-4/℃·FS。实验标定结果表明:在200 ℃下,研发的耐高温压力传感器具有很好的工作性能,其线性度误差达0.12%FS、重复性误差为0.1%FS、迟滞误差为0.12%FS,精度达0.197%FS,满足油井、风洞、汽车和石化工业等现代工业的应用需求。     

高温高精度压力传感器

1 前言 许多部门需要精度高、稳定性好,且使用温度高的压力传感器,用于测高温(≥150℃)流体的压力(≥10MPa)。例如:测航空发动机的气流压力。 常用的传感器弹性元件材料为3J53恒弹性合金,但该合金恒弹性温度范围为-55- 80℃。所以,超过80℃其弹模温度系数大,以致传感器性能稳定性不好。而且铌基弹性合金属高温恒弹性材料,而且耐     

高温压力传感器测试标定系统的研究

高温压力传感器的标定对于传感器的应用和开发具有非常重要的意义。为了适应高温环境下的气体压力传感器标定,设计实现了由压力控制系统和温度控制系统组成的测试标定系统总体方案。结合单片机自动控制系统和LabView上位监控程序,实现了压力3M Pa和高温150℃下的压力传感器标定测试。     

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。     

新型高温压力传感器的设计与性能测试

针对高温恶劣环境下对压力参数的测试需求,以单晶蓝宝石为原材料,对无线无源蓝宝石高温压力传感器进行了设计、工艺加工及性能测试.以压力膜片敏感原理为主要根据,结合不同的信号传输与提取方式,首先对LC谐振式的无线无源蓝宝石高温压力传感器进行了设计,然后通过蓝宝石刻蚀、蓝宝石减薄、直接键合等3个关键工艺实现了蓝宝石密封压力腔的...     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器

为满足工业和生物医学领域对微型化传感器的需求,实验研究了基于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.在单模光纤端面上直接熔接外径约175 μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而使光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔.采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片等方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0～3.1 MPa内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09 nm/MPa,压强测量分辨率为681 Pa,并具有很小的温度敏感系数.在30～140 ℃,温度交差敏感＜1.07 kPa/℃.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0.1～2.1 MPa,PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到1 886.85 nm/MPa,压强测量分辨率达到53 Pa,十分接近人类或其他动物的体内压强测量水平.     

喷印柔性压力传感器试验研究

柔性压力传感器是智能机器人和生物医疗等典型应用领域中的关键部件。针对10～50 kPa中等压力下对柔性压力传感器的高灵敏度、良好压力分辨率和快速响应需求,提出在PDMS基底上直写喷印石墨烯纳米片(GNPs)/多壁碳纳米管(MWCNT)构建S型折线图案化敏感单元,结合封装层微结构阵列,制备中压高灵敏度、低检测限的柔性压力传感器。试验结果表明,在压力为0～15 kPa和15～40 kPa的条件下,该传感器灵敏度分别为0.114 kPa–1和1.41 kPa–1,响应/恢复速度快(约100 ms/50ms)。同时,其也可检测低至约3Pa的微小压力。同时,该传感器更是能对不同发声进行准确的区分识别,对不同的指压信号进行精确稳定反馈。可见,喷印制造柔性压力传感器将为语音识别、人工假肢、制备高性能电子皮肤和医疗康复器件等提供可能的优选方案。