一种基于MEMS芯片的新型地面大气电场传感器

该文基于MEMS电场敏感芯片,研制出了一种新型的地面大气电场传感器,解决了现有场磨式电场仪易磨损、功耗大、故障率高等问题。敏感芯片采用SOIMUMPS加工工艺制备,其芯片面积仅为5.5 mm5.5 mm。该文提出了传感器敏感芯片的弱信号检测方法,设计出了满足环境适应性的传感器整体结构方案,并建立了传感器的灵敏度分析模型。对电场传感器进行测试,测量范围为-50 kV/m~50 kV/m,总不确定度为0.67%,分辨力达到10 V/m,功耗仅为0.62 W。外场试验结果表明,MEMS地面大气电场传感器在晴天和雷暴天的电场探测结果,与Campbell公司场磨式电场仪探测结果都有较好的一致性,说明该传感器能满足预测雷暴要求,实现雷电监测和预警功能。     

基于PZT压电薄膜的压力传感器工艺研究

选用敏感材料锆钛酸铅(PZT),优化微机电系统(MEMS)微加工工艺,制作了硅基PZT压电薄膜叉指式电极结构的MEMS压力传感器。在基体Au/Ti/LNO/SiO_2/Si<100>上,采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法,在650℃高温下采用分层退火的方式进行退火,得到厚1.2μm的PZT压电薄膜。薄膜表面均匀,无裂纹。利用光刻工艺和低压溅射工艺得到平行叉指电极。制作完成PZT压电薄膜结构的微压力传感器,在弹性薄膜上施加压力,其电压输出性能较好,说明基于压电薄膜的叉指电极结构可行,为基于纳米纤维结构的微压力传感器的制作奠定了理论基础。     

一种电极型MEMS电场传感器封装结构

为了提高MEMS电场传感器敏感芯片封装的环境适应性,该文提出一种新型的电极型MEMS电场传感器封装结构。区别于将传感器敏感芯片及探头放置于被测环境中,该文通过在MEMS电场传感器封装管壳外部增加封装电极,仅将封装电极暴露在被测环境中,有效避免了传感器敏感芯片封装管壳受到多种恶劣环境的干扰。研制出基于新型封装结构的MEMS地面电场传感器及探空电场传感器,仿真及试验结果表明,该结构传感器能够实现对电场高精度准确测量,在高湿、低温等恶劣环境下输出稳定可靠。     

低轴间耦合的MEMS三维电场传感器

轴间耦合干扰是影响3维电场传感器测量准确性的重要因素。该文提出了一种低耦合干扰的MEMS 1维电场敏感芯片,并将3个上述的芯片正交组合研制出一款低轴间耦合的MEMS 3维电场传感器。不同于已见报道的测量垂直方向电场分量的MEMS 1维电场敏感芯片,该文提出的芯片采用轴对称设计,在差分电路的配合下能够测量垂直于对称轴方向的面内电场分量,并能够消除正交于测量轴方向的电场分量的耦合干扰。该MEMS 3维电场传感器具尺寸小和集成度高等优点。实验结果表明在0～120 kV/m电场强度范围内,该MEMS 3维电场传感器的轴间耦合灵敏度小于3.48%,3维电场测量误差小于7.13%。     

SOI微型电场传感器的设计与测试

该文研制了一种新型的基于SOI (Silicon-On-Insulator)微机械加工技术的高性能电场传感器敏感结构。为提高传感器的灵敏度和信噪比,该器件采用侧面屏蔽感应电极的独特设计方案,降低了传感器屏蔽电极的边缘效应;并基于有限元仿真,进一步优化了传感器敏感结构参数。在室温和室内大气压条件下,测试表明,测试量程0～50 kV/m,传感器总不确定度优于2%,分辨率为50 V/m。     

环形叉指电极型压电鼓膜驱动器的制备及其性能测试

制备了一种基于Pb(Zr52)O₃(P ZT52)材料的自适应光学用压电驱动器。驱动器采用鼓膜结构, 其工作区域由主动层—PZT52压电层和被动层—ZrO₂/Si复合层两部 分构成。PZT52压电层 采用环形叉值电极(IDT)驱动。采用Si(100)单晶作为衬底,并采用 溶胶-凝胶(Sol-gel) 法在其上制备ZrO₂阻挡层和PZT52压电层,其中引入PbTiO₃(PT) 种子层有利 于PZT52膜层的(110)择优取向。随后在其上热 蒸镀Al顶电极,并采用光刻方法制备图形,得到的IDT电极最大环形直径为 10.5mm,电极间距为0.05mm,中心非激活区 域直径为2mm。鼓膜结构则通过对Si衬底背部 进行各向异性湿法刻蚀(ODE)得到,保留的支持层厚度为5～10μm, 直径为 12mm。测试结果表明,压电驱动器阵列单元在100kV/cm驱动下,可产生6.5μm左右的形 变量。最后利用有限元分析方法(FEM)拟合了压电驱动器单元的面型,并分析了其形变模式 产生的内部原因。     

辐射电场型压电薄膜实验研究

介绍一种新型的辐射式场压电薄膜(RFD).该薄膜在柔性薄膜(Kapton)上印制螺旋电极并对称粘结在PZT压电陶瓷薄片两侧,加载电压后,螺旋电极产生辐射式电场,驱动PZT压电陶瓷片产生径向变形.通过对RFD压电薄膜性能实验的研究,结果表明驱动电压和频率是影响膜片变形的主要参数;在 400 V、5 Hz的正弦波驱动下,RFD压电薄膜可获得最大位移.该文制作的压电膜片具有变形稳定,性能稳定可靠和易控制等优点.     

硅基PZT压电薄膜微传感器的结构设计和实验研究

对硅基锆钛酸铅(PZT)压电薄膜微传感器进行了结构和版图设计.根据MEMS加工工艺和标准硅基IC工艺的特点,获得了硅基PZT压电薄膜微悬臂梁结构系统工艺流程中的关键工艺技术和典型工艺条件.对PZT压电薄膜的制备和微细图形化进行了较为详细的实验研究,最后成功地制备出硅基PZT压电薄膜微传感器样品.这对集成化芯片系统的进一步发展打下了良好的实验基础.     

硅基PZT压电薄膜微传感器的结构设计和实验研究

对硅基锆钛酸铅(PZT)压电薄膜微传感器进行了结构和版图设计.根据MEMS加工工艺和标准硅基IC工艺的特点,获得了硅基PZT压电薄膜微悬臂梁结构系统工艺流程中的关键工艺技术和典型工艺条件.对PZT压电薄膜的制备和微细图形化进行了较为详细的实验研究,最后成功地制备出硅基PZT压电薄膜微传感器样品.这对集成化芯片系统的进一步发展打下了良好的实验基础.     

集成光波导强电场传感器天线电极仿真分析

提出一种用于强电场测量的集成光波导电场传感器天线电极设计方案。给出了传感器等效电路,计算分析了天线、电极的各个参数对传感器半波电场的影响。结果表明:当传感器电极长度、天线长度由4mm减少到0.5mm时,传感器半波电场由230kV/m分别增加到2 400kV/m和1 100kV/m,提高了943.5%和378.3%;当电极间距、电极宽度由20μm增加到200μm时,传感器半波电场由400kV/m分别增加为2 300kV/m和730kV/m,提高了475.0%和82.5%;当天线底部宽度由50μm增加到600μm时,传感器半波电场由460kV/m减小到242kV/m,减小了47.4%。因此,合理设计传感器电极、天线尺寸可使其半波电场达到几百kV/m至几千kV/m,使它能够应用于强电场测量领域。     

风车型低频压电振动能量采集器的研究与设计

基于微机电系统（MEMS）设计了风车型结构的压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能,用以解决环境中低频能量采集的问题。风车型结构的压电振动能量采集器以硅为基底,以PZT 5A为压电材料,包含上、下电极;4条悬臂梁旋转连接中心质量块与四周固定端,类似于风车结构。数学建模与有限元仿真分析表明,在结构尺寸与材料相同的情况下,圆弧风车型结构的谐振频率较直接连接、直角连接结构的谐振频率更低;4条悬臂梁距离中心质量块越远,谐振频率越低;在0.1g(g=9.8 m/s2)加速度谐振状态下,输出电压约为6.2 V,最大位移接近1.2 mm。基于MEMS工艺,通过IntelliSuite软件研究和定义了风车型振动能量采集器的工艺流程。     

MEMS兼容丝网印刷PZT压电厚膜研究

对丝网印刷PZT压电厚膜制备工艺浆料配置、印刷技术、退火条件、上下电极的选择及极化方法等进行了研究 ,并采用扫描电子显微镜 (SEM )及与之配套的能谱分析仪对制备的PZT样品的微观结构、成分进行了测试分析。结果表明 ,PZT压电厚膜的膜厚可达 10 0 μm ,印制图形分辨率在5 0 0 μm以上 ,在 80 0℃经 1h退火就可获得良好的微晶结构 ,且具有压电特性     

基于MEMS的硅基PZT薄膜微力传感芯片

为了测量毫克级的微小力,设计并制造了一种硅基PZT薄膜悬臂式微力传感芯片。采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了厚度不同(300~800 nm)的锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3)薄膜,薄膜表面均匀,无裂纹。通过测试和分析,研究了PZT薄膜的制备工艺参数和压电、铁电、阻抗特性。采用微机械加工手段制作了长度为1 000μm、500μm、250μm的硅基PZT薄膜微型悬臂结构。当在悬臂的自由端沿着厚度方向施加毫克级的微小力时,微型悬臂就会在厚度方向发生弯曲和振动,通过测量在压电材料表面电极上的电荷量,并通过计算可得到微型悬臂所受的集中力的大小,实现微力的测量。该文还对微力传感芯片的工作方式进行了研究,初步设计了传感器系统模型。     

陷阱电荷对GMLM工作电压的影响

光栅平动式光调制器(GMLM)依靠可动光栅在静电力作用下向下反射镜移动,从而改变光程差,实现光调制.结构中siO2绝缘层在外加电场作用下产生陷阱电荷,对器件的驱动特性产生影响.作者依据高斯定理,建立GMLM存在陷阱电荷情况下的电力学模型,分析了外加电场作用下,GMLM极板电荷的分布,以及外加电压与可动光栅位移的关系;比较了两种情况下(考虑与不考虑绝缘层陷阱电荷影响)工作电压变化情况.设计了实验方案,进行了实验研究.结果表明:由于陷阱电荷产生陷阱电压,使得产生相同位移需要的工作电压增加;充电时间越长,陷阱电荷产生的陷阱电压越大;实验结果与理论分析吻合.     

直写成型制备的3-3型PZT压电复合材料及其性能

3-3型压电复合材料在超声波传感器、水下声学检测等领域有着广泛的应用。锆钛酸铅(PZT)陶瓷通过复合有望制备具有低介电常数、低脆性等优点的复合材料。采用直写成型技术制备了 PZT 三维木堆结构支架, 结合浸渍法填充环氧树脂制备了3-3型PZT/环氧树脂压电复合材料。研究了陶瓷相体积分数对3-3型PZT/环氧树脂压电复合材料的介电、压电、铁电性能的影响,并对比了 PZT陶瓷支架与 PZT/环氧树脂复合材料的介电与压电性能。研究结果表明,随着陶瓷相体积分数的增加,复合材料的介电常数、压电常数及剩余极化强度都会增大, PZT支架具有更大的介电常数、压电常数、压电电压常数;当陶瓷相体积分数为36%时,PZT 支架与 PZT/环氧树脂的压电电压常数分别达到151．0mV·m/N 与104．0mV ·m/N。PZT/环氧树脂复合材料同时具备了压电陶瓷的硬度、电性能,以及聚合物的柔韧性、低密度等优势,其应用前景良好。     

环形电极压电驱动器极化电压和力学性能分析

提出一种新型环形电极压电驱动器,运用ABAQUS软件对此驱动器进行电场和力学分析。着重研究环形电极分支中心距和电极宽度对极化电压和驱动性能的影响,并与普通形电极压电驱动器的极化电压和驱动性能对比。结果表明,环形电极压电驱动器的极化电压为普通形电极的1/2,环形电极结构降低压电驱动器对极化电压的要求;减小电极分支中心距、增大电极宽度,有利于降低环形电极压电驱动器的极化电压;当工作电压为90 V时,环形电极压电驱动器的径向夹持力达到普通形电极的5.2倍,径向自由位移达到普通形电极的2.6倍。     

双孔光子晶体光纤光学电压传感方案研究

设计了一种基于双空气孔光子晶体光纤(PCF)模间干涉的光学电压传感的实验方案。用缠绕了双孔光子晶体光纤的石英晶体作为电压传感头,在被测高压电场的作用下,双孔光子晶体光纤的长度因石英晶体的逆压电效应形变而受到调制,进而可以改变模间干涉输出两个边瓣的光强分布,对两个干涉输出边瓣进行探测实现对高电压的测量。在低压端用一个缠绕了双孔光子晶体光纤的压电陶瓷(PZT)来调整模间初始相位差,使之处于正交状态。实验结果表明,在实验室条件下能获得0.5%的测量精度,具有很好的线性度。     

基于压电材料的振动能量获取技术的研究

根据压电原理、力学理论及其电学等效模型,设计了能量收集电路,它由四倍压整流电路,3F超级电容器和微型电源管理芯片MAX1811组成。实验表明,电源管理芯片输出电压为4.17V时,PZT压电材料振动产生的电能,可通过该电路将电能储存于锂电池中。     

Scaling of piezoelectric properties in nanometre to micrometrescale

Measurements of piezoelectric response have been performed using atomic force microscopy (AFM) on sol-gel produced lead-zirconate-titanate (PZT) thin films, upon which nanometre- to micrometre-scale electrodes have been patterned. It is found that the magnitude of the piezoelectric response as a function of the electrode size in the range from a few nanometres up to 6 μm can be described accurately in terms of the fringing of the electric field around the electrode edges