MEMS压阻超声传感器的设计与优化

提出了一种新的压阻式超声传感器结构,该结构由主振梁和微传感梁组成,在声压的作用下,主振梁振动从而带动微传感梁的振动.通过有限元软件Ansys仿真分析该结构的灵敏度,并与悬臂梁结构压阻式声传感器相比,结果表明灵敏度有了一定的提高.为了实现结构的优化,仿真了结构的尺寸与共振频率的关系,对相同共振频率的结构进行了静力分析,计算并对比了不同尺寸结构的灵敏度,从而得到灵敏度最高的结构,实现了结构的优化.     

新型硅压阻式压力传感器的设计、 制作与性能补偿研究

为兼顾高灵敏度与低非线性误差,针对性地设计和研究了一种量程为105ｋＰａ的新型MEMS硅压阻式压力传感器,该传感器通过部分刻蚀 SOI硅膜引入了凸起的压敏电阻和L形半岛结构。首先利用ANSYS有限元模拟仿真分析了传感器的特性、确定了其参数,然后通过MEMS工艺制作了压力传感器芯片并对其进行了封装与测试,实验结果表明,常温下MEMS硅压阻式压力传感器的灵敏度为 0.056ｍＶ/(Ｖ·ｋＰａ),非线性误差为±1.12％, 最后采用最小二乘函数校正法对传感器进行了非线性校正和迟滞误差补偿,性能补偿后MEMS硅压阻式压力传感器在全量程范围内的整体误差小于±0.24％ＦＳ。     

500pa微压传感器的研制

硅压力传感器发展的一个重要趋势,是向高灵敏度的微压传感器发展。1993年我们率先采用微机械的梁膜结构制得PT-24量程lkpa微压传感器。但在进一步提高灵敏度的研究过程中,遇到如下几个问题:(1)非线性随着灵敏度提高变差;(2)灵敏度提高,稳定性变差;(3)过载能力不够;(4)静电封接时背岛与玻璃基片相接。本文针对上述问题进行了研究,在PT-24量程1kpa微压传感器的版图和工艺基础上进行改进和提高,成功地设计并制作出PT-28量程500pa压阻式扩散硅微压传感器。     

MEMS压阻式加速度传感器的优化设计

提出了一种新型的MEMS压阻式加速度传感器,该传感器采用“四悬臂梁-质量块”结构,16个压敏电阻完全对称布放于悬臂梁上应力变化的线性区,既提高了传感器的灵敏度,又降低了轴间耦合度和非线性度.通过与八悬臂梁结构的仿真对比,得出该传感器具有更高的抗横向耦合性,约为八悬臂梁结构的30倍.     

基于探针形式的三维硅微力传感器

为满足三维微力测量的需求,以MEMS体硅压阻工艺技术为基础,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半导体压阻式三维微力硅微集成传感器。传感器采用相互迟滞的4个单端固支硅悬臂梁,支撑中间的与微力学探针结合在一起的质量悬块的结构形式,在4mm×4mm的硅基半导体芯片上用MEMS体硅工艺集成而成。通过ANSYS数值仿真的方法分析了三维硅微力传感器结构的应力特点,解决了三维微力之间的相互干扰问题,并对传感器性能进行了测试。结果表明,其X、Z方向的线性灵敏度分别为0.1682、0.0106mV/μN,最大非线性度分别为0.19%FS和1.1%FS。该传感器具有高灵敏度、高可靠性、小体积、低成本等特点。     

介观压阻型硅微压力传感器仿真分析

为了突破传统机电转换局限,提高压力传感器灵敏度,提出以介观压阻效应[1]为工作原理制作高灵敏度的硅微压力传感器,设计了一种圆形的平膜片结构,建立其三维实体有限元模型,通过理论分析与仿真计算,得出该结构的尺寸对其灵敏度、固有频率、谐振频率及模态振型的影响规律,为此类压力传感器结构的优化设计提供参考。     

一种新型岛膜压力传感器的研究与设计北大核心

设计了一种量程为180 kPa的新型岛膜结构MEMS压阻式压力传感器,通过ANSYS仿真软件,得出了在岛宽为500μm、岛厚为40μm、梁宽为200μm、敏感薄膜厚为15μm的情况下,该结构具有较好的线性度及灵敏度。提出了一种基于两层SOI硅-硅直接键合的工艺加工方法,能够精确控制敏感薄膜及岛的厚度,并且全硅结构器件能够避免键合残余应力,大大提高器件性能。采用了双惠斯登电桥电路减小传感器输出的温漂效应,并设计了该电路的压敏电阻连接图。最后对该压力传感器进行了测试,结果表明,其非线性为0.64%,精度为0.74%,满足现代工业应用要求。     

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。     

一种SOI高温压力传感器敏感芯片

从传感器的受力结构、能量转化结构和金属引线三个方面对SOI压阻式压力传感器芯片进行高温设计,计算出每个因素所造成的影响并与外部气压对传感器造成的影响进行对比,并给出了压阻的工艺尺寸和掺杂浓度。通过工艺制备和封装,研制出耐高温压力传感器芯片,常温压力测试结果表明传感器敏感芯片在常温下灵敏度较高,非线性误差在0.1%以下,迟滞性小于0.5%。高温下的性能测试结果表明,传感器可以用于350℃恶劣环境条件下的压力测量,为压阻式高温压力芯片的研制提供了参考。     

新型L形梁压阻微加速度传感器

介绍了一种新型的基于MEMS体硅加工工艺的L形粱压阻微加速度传感器.在加工过程中采用Si-Si直接键合完成底板与传感器支撑框体之间的粘合,使得后续加工工艺更加简单;采用DRIE释放梁结构,从而保证了梁结构的完整性.分析了该传感器的结构参数和灵敏度,并用ANSYS进行了有限元模拟,同时介绍了其工艺流程,以及封装后的测试结果.芯片尺寸为3.8 mm×3.8 mm×0.82 mm,其中敏感质量块尺寸为2 mm×2 mm×0.4 mm,梁尺寸为2 200μm×100 μm×40μm.经初步测试,在采用5 V电源供电时灵敏度为0.5 mV/g左右,3 dB截止频率为520 Hz左右.     

一种新型压阻式微加速度计的研究与设计

对于广泛采用的压阻式微加速度计,在传统工艺下,提高量程和固有频率意味着增加梁厚,减小应力,而提高灵敏度又要求减小梁厚,这是相互矛盾的。设计了一种4边4梁结构的高过载压阻式微加速度计,在传统梁-岛结构微加速度计的基础上进行了改进,采用主梁和微梁相结合的设计思想,在提高固有频率、量程的同时提高了灵敏度。在梁的末端采用了新式的延伸梁结构设计,有效地消除了集中应力的现象,提高了结构的抗过载能力。对其进行了阻尼分析和压阻元件的设计,并给出了可行的版图设计方案。仿真结果表明,该微加速度计的各项指标均满足设计要求,具有明显的优越性。     

500pa微压传感器的研制

硅压力传感器发展的一个重要趋势,是向高灵敏度的微压传感器发展。1993年我们率先采用微机械的梁膜结构制得PT-24量程1kpa微压传感器。但在进一步提高灵敏度的研究过程中,遇到如下几个问题:(1)非线性随着灵敏度提高变差;(2)灵敏度提高,稳定性变差;(3)过载能力不够;(4)静电封接时背岛与玻璃基片相接。本文针对上述问题进行了研究,在PT-24量程1kpa微压传感器的版图和工艺基础上进行改进和提高,成功地设计并制作出PT-28量程500pa压阻式扩散硅微压传感器。     

高g值压阻式加速度计设计与仿真

研究了一种具有高灵敏度、小尺寸的四端梁结构的压阻式加速度计。利用有限元软件对不同悬臂梁、质量块尺寸的结构建立模型,并对该结构进行了灵敏度与应力分析、模态分析,以及动态响应分析。仿真研究结果表明,在50kg量程内,传感器轴向灵敏度达到7.40μV/g,横向灵敏度为0.33%,线性度为0.06%,响应时间为20.3μs,固有频率为111.2kHz。抗冲击性能能达到334000g,可以满足高g值环境下的测试需求,同时该研究为研制高性能传感器提供了一种准确且高效的仿真方法。     

压阻式压力传感器灵敏度与线性度的仿真方法

灵敏度和线性度是压力传感器最重要的两个性能指标。为了制作出能够满足实际应用需求的压力传感器,必需探索出一种压力传感器灵敏度和线性度的有效仿真方法。提供了一种基于对压阻式压力传感器薄膜表面应力的有限元分析(FEA)和路径积分的仿真方法,从而实现了在满量程范围内不同压力值下对传感器电压输出值的精确估计,在此基础上对压力传感器的灵敏度和线性度进行了有效仿真。实验结果验证了该方法的精确性:传感器样品的灵敏度测试值为42.462～44.460 mV/MPa,与仿真值之间的相对误差控制在3.3%以下,同时得到非线性低于0.16%的良好线性度以满足应用需求。     

一种低横向效应的压阻式加速度传感器设计北大核心

为了提高传感器的测试精度、抑制传统传感器的横向效应问题,通过改变压阻排布方式设计了一种低横向效应的压阻式加速度传感器。该传感器采用8电阻十字梁结构,电阻全部对称排布在应力变化的线性区,使传感器在满足高灵敏度的同时消除了横向效应。通过有限元仿真分析得出该传感器的灵敏度为0.297 4μV/g,横向灵敏度为零,对封装后的传感器进行了Hopkinson杆冲击测试,横向灵敏度只占工作轴向灵敏度的1.1%,远小于相同结构尺寸下传统四电阻传感器的20.7%,而工作轴向灵敏度基本相同。实验表明,该传感器具有较高的工作轴向灵敏度和极低的横向灵敏度。     

BESOI压力传感器的研制

用ＢＥＳＯＩ技术形成带腔结构，研制了具有高过载性能的绝压式和差压式压力传感器。用凸型梁结构使形变膜的应力放大，可提高传感器的输出灵敏度，实验得到的负压传感器的非线性度小于０．１％，５Ｖ时输出灵敏度约２．６ｍＶ／ｋＰａ。     

倒岛膜凹槽电容式压力传感器设计与特性分析

结合岛膜结构电容式压力传感器高灵敏度和凹槽结构电容式压力传感器较好线性度的优点,设计了一种倒岛膜凹槽电容式压力传感器,并根据其结构特点建立了倒岛膜凹槽电容式压力传感器的理论模型,使用FEA（有限元分析）法分析了传感器的电容-压力特性。结果表明,设计的倒岛膜凹槽电容式压力传感器具有较好的测量特性,其测量灵敏度和线性度分别为0.00512 fF/Pa和0.98178。与相同设计参数的岛膜或凹槽电容式压力传感器相比,该传感器较好地缓解了测量灵敏度和线性度之间的矛盾问题。     

基于MEMS的硅微压阻式加速度传感器设计

硅微加速度传感器是MEMS器件中的一个重要分支,具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点,而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作,因而在近年来发展迅速。文章首先对传感器结构及工作原理进行了简单介绍,给出了一种基于MEMS技术制作的压阻式硅微加速度传感器的结构和工艺,并对制作的加速度传感器样品进行了动态测试,测试结果表明与理论设计值基本吻合。     

一种半岛型结构谐振梁压力传感器

提出了一种新型结构压力传感器 ,器件由上下两硅片键合而成 ,上硅片制作半岛型结构氮化硅谐振梁 ,下硅片制作矩形压力膜。应用有限元软件对器件结构及灵敏度进行了计算机模拟分析 ,器件利用MEMS技术研制并采用电热激励压阻拾振方式进行了测试。实验及理论模拟分析结果证实新型结构可以大大提高压力传感器灵敏度     

一种半岛型结构谐振梁压力传感器

提出了一种新型结构压力传感器,器件由上下两硅片键合而成,上硅片制作半岛型结构氮化硅谐振梁,下硅片制作矩形压力膜.应用有限元软件对器件结构及灵敏度进行了计算机模拟分析,器件利用MEMS技术研制并采用电热激励压阻拾振方式进行了测试.实验及理论模拟分析结果证实新型结构可以大大提高压力传感器灵敏度.