一种基于MEMS的同位素微电池的新型结构设计与仿真

针对传统同位素微电池的倒三角直槽型或倒金字塔型能量转换结构表面积较小和工作状态不稳定的缺陷.设计了一种垂直侧壁方孔阵列型的能量转换结构,增大了其表面积;并引入电镀这一新型的接触方式,改善了同类传统微电池的工作稳定性.建立了同位素微电池的电流计算公式.基于这种新结构对电池性能仿真得到了能量转换结构的最佳掺杂浓度,结果表明该结构与传统的能量转换结构相比,具有较低的掺杂浓度,较高的开路电压,输出电流和输出功率.     

应用Monte Carlo方法对GaN基微型核电池的研究

应用Monte Carlo方法,建立了电子入射到半导体材料中的路径模型.基于此模型进行仿真,可以得到电子在半导体材料中的穿透深度和能量分布.对以同位素Ni-63为放射源的GaN基PN结微型核电池进行Monte Carlo分析,得出入射电子在GaN中的穿透路径和能量分布,以确定入射电子在GaN中能量最集中的位置,将GaN基PN结的结深设置在该位置可以大幅提高收集效率,进而提高输出功率与能量转换效率.实验中,分别制备了结深为1000,450 nm,放射源为Ni-63的GaN基微型核电池,测试结果验证了经优化结深为450 nm的微型核电池其电学输出性能有明显提高,能量转换效率达到了1.47％,输出功率达到了微瓦级.该结果可以为GaN基微型核电池的设计与制造提供有效的参考依据.     

圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器结构设计

MEMS低真空封装技术能为MEMS器件的可动部分提供低阻尼环境,降低能量损耗,有效提高器件的能量转换效率,具有重要的研究意义和应用前景,是MEMS技术的研究热点和难点。为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能,提出了圆片级低真空封装的共质量块MEMS压电悬臂梁阵列振动能量收集器新结构,通过有限元分析方法对器件结构参数进行了优化设计,在优化结构参数下仿真器件输出性能：在610 Hz、2 gn加速度下,器件的输出电压为8.88 V,输出功率为1220μW,能满足实际应用需求;根据器件结构设计了加工工艺流程,对低真空封装结构的实现和封装工艺探索具有重要意义。     

MEMS压电阵列振动能量收集器

近年来,随着微能源的发展,微型压电振动能量收集器得到了广泛关注,但传统d31模式PZT薄膜微型压电振动能量收集器输出电压普遍较低,难以满足应用需求。为提高微型压电振动能量收集器的输出电压,论文提出了共质量块悬臂梁阵列压电振动能量收集器新结构,该结构包含压电悬臂梁单元组成的阵列和一个质量块,悬臂梁阵列共用质量块。采用有限元方法对该结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁单元优化尺寸为3 mm×2.4 mm×0.05 mm,硅质量块优化尺寸为8 mm×12.4mm×0.5 mm。设计了MEMS压电阵列振动能量收集器加工工艺流程,加工出原理样件。在1 gn加速度,239.7 Hz谐振频率激励下,测试得到样件输出开路电压有效值为9.16 V;在最优化负载200 kΩ下,负载输出电压有效值为5.51 V,输出功率为151.8μW。     

井下微能量收集装置设计

井下无线传感节点能量有限,可利用能量收集技术将井下环境能量转换为电能为传感节点供电,从而延长无线传感节点生命周期。测试并分析了井下巷道弱光环境下光照强度,结果表明距光源1～2m范围内,光照强度为50～170Lux,符合非晶硅、钙钛矿等光电材料工作范围,因此将井下弱光能量转换为电能具有可行性。采用30cm×40cm非晶硅光伏电池板、BQ25505型电源管理芯片和锂电池设计了一种井下微能量收集装置,可将井下弱光能量转换为电能并存储。针对井下环境能量不连续的特点,设计了能量缓存机制,即采用容量较小的可充电锂电池为能量缓存电池,选用较大固定容量的锂电池为备用电池,当可充电锂电池电压达到设计值时由其供电,当电压不足时切换备用电池供电,确保无线传感节点正常工作。对微能量收集装置进行了实验室及井下测试,结果表明:装置在50Lux以上光照强度条件下即可输出毫瓦级电能;当井下光照强度达到170Lux以上时,装置能够利用转换的能量为低功耗无线传感节点供电,无需启用后备电池;当光照强度未达到170Lux时,能量缓存机制协调可充电锂电池和备用电池为无线传感节点供电,有效提高了节点生命周期。     

基于MEMS技术的双凸台微型热电能量采集器的仿真和制备

基于KOH腐蚀工艺设计并制作了具有双凸台结构的微型热电能量采集器,运用有限元法仿真器件在一定温差下的温度分布;并对器件建立了数学模型,分析凸台结构的几何参数等对器件输出性能的影响。仿真结果表明：随着顶部凸台高度的增加,温差的有效利用率逐渐升高;随着顶部凸台边长的增加,有效温差利用率逐渐降低;随着热冷端热阻的减小,器件的有效利用温差、开路电压、回路电流、输出功率都逐渐升高。从工艺上证明,基于MEMS技术的双凸台结构的微型热电能量采集器是可以加工和制备的。     

CMOS微环境pH传感芯片研究

基于离子敏感场效应晶体管(ISFET)基本结构及其电学特性,提出了一种应用标准CMOS工艺实现的多层浮栅结构pH-ISFET.利用CMOS标准工艺中LPCVD淀积的Si3N4钝化层作为氢离子敏感层,pad工艺形成微区域独立传感窗口.片上集成100 μm×100 μm电极提供参考电位,消除了外加参考电位引起的溶液电压分布不均的现象.缓冲液从pH值1-13范围内对ISFET进行了测量,器件阈值电压随溶液pH值变化的平均灵敏度为44 mV/pH,线性度在10%范围内.本结构可用于生物微环境pH值集成传感芯片设计中.     

基于MEMS的压电微能量采集器的电路研究与测试

微能量采集技术是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能,为嵌入式系统和无线传感网络中的MEMS器件供能。本文探讨了一种基于MEMS技术的压电型微能量采集器。微能量采集器工作于低频环境,当给其振动激励信号时,它能够把机械能转换为电能。但是能量采集器直接输出的是交流电压,一般不能直接为器件供能。所以,利用AC-DC电路把交流转换为直流,实现为MEMS器件供能。文中给出了微能量采集器的测试电路,同时给出了测试结果,论证了在低频环境下这种微能量采集器的可行性。     

基于磁流变阻尼器的自供能无线传感系统设计

为检测磁流变阻尼器的内部状态参数,提出一种电磁式机械能量采集器的新型结构,将磁流变阻尼器工作缸内活塞运动的机械能转换为电能,以超级电容器作为储能器件,设计了相应的能量管理电路,实现温度传感器和无线传感模块的能量供给。实验结果表明:自供能装置能产生高达4.5 V的开路电压,所设计的能量管理系统可以驱动无线传感模块正常工作。     

选择性化学机械抛光制作微拱形结构

为克服平面微机械结构无法释放残余应力、刚度小、跨度小,平面牺牲层工艺成拱出现非光滑台阶状边缘而造成器件失效或能量泄漏的缺点,改进现有成拱工艺在器件尺寸、结构稳定性及可靠性等方面的不足,提出一种用选择性化学机械抛光技术制作微拱形结构的方法。该方法是在化学机械抛光过程中,加入对牺牲层材料和硅材料抛光速度具有差异性的选择性抛光液,在牺牲层和硅材料的边界处利用滑动摩擦过程中的物理和化学作用,在牺牲层处形成连续平滑的拱形凸起,最后在其上制作微拱形结构。实验结果证实:微拱形结构有一定的曲率,拱起高度约为3.5μm,跨度大于100μm,微拱形表面光滑且为连续的曲面。该方法可为MEMS传感器、微型压电驱动器、薄膜体声波谐振器及滤波器的微拱形结构的制作提供参考。     

Design and simulation of a thermo transfer type MEMS based micro flow sensor for arterial blood flow measurement

Thermo transfer type MEMS (Micro Electro Mechanical System) based micro flow sensing device have promising potential to solve the limitation of implantable arterial blood flow rate monitoring. The present paper emphasizes on modeling and simulation of MEMS based micro flow sensing device, which will be capable of implantable arterial blood flow rate measurement. It describes the basic design and model architecture of thermal type micro flow sensor. A pair of thin film micro heaters is designed through MEMS micro machining process and simulated using CoventorWare; a finite element based numerical code. A rectangular cross section micro channel has been modeled where in micro heater and thermal sensors are embedded using the same CoventorWare tools. Some promising and interesting results of thermal dissipation depending upon very small amount of flow rate through the micro channel are investigated. It is observed that measuring the variation of temperature difference between downstream and upstream, the variation of fluid flow rate in the micro channel can be measured. The numerical simulation results also shows that the temperature distribution profile of the heated surface depends upon microfluidic flow rate i.e. convective heat transfer is directly proportional to the microfluidic flow rate on the surface of the insulating membrane. The simplified analytical model of the thermo transfer type flow sensor is presented and verified by simulation results, which are very promising for application in arterial blood flow rate measuring in implantable micro devices for continuous monitoring of cardiac output.     

低压低功耗CMOS微电容式传感器数字型接口电路研究

针对便携、无线设备的低电压、低功耗需求,基于TSMC 0.18μm CMOS工艺设计提出一种面向CMOS微电容式传感器的接口转换电路。将敏感电容、参考电容与接口电路集成于同一芯片,可以将对湿度敏感的电容变化量线性转换为方波脉冲信号的宽度,并直接输出数字信号。实验仿真结果显示在1.5 V电源供压下电路消耗的功耗仅为1.95 mW,转换分辨率达到4.38μs/pF,与同类接口电路相比具有线性度好、有效减少电容间失配和对温度与工艺角变化不敏感等优点。     

微加速度计在冲击环境下的可靠性研究

微加速度计用于测量载体的加速度,并提供相关的速度和位移信息.微加速度计可以和微型陀螺仪组合构成微型惯性测量单元.但是微加速度计还没有完全实现市场化,微加速度计的可靠性问题已经成为制约其广泛应用的关键因素.微加速度计在加工、封装、运输和实际使用中都可能受到冲击的作用.主要研究压阻式微加速度计在冲击环境下的可靠性问题.通过简化加速度计的结构,得出了悬臂梁上的应力分布.设计了微加速度计在冲击环境下的可靠性试验,分析了加速度计在冲击环境下的主要失效模式及失效机理.得出了压阻式加速度计在冲击环境下的主要失效模式是键合引线的脱落和悬臂梁的断裂.     

传感器阵列中阈上随机共振现象的仿真研究

研究了具有阈值特性的传感器阵列中的随机共振现象.使用相关系统数被来衡量输入随机信号和输出响应之间的非线性匹配程度.这一测度反映了输出与输入之间的信息转换率,因此可被用来考察阈值系统中的随机共振现象.文中从单个阈值单元模型出发,通过对输出信号进行估计,得出了噪声作用下输出随机变量与输入随机变量之间的相关系数.仿真结果表明在该类系统中,不但存在有阈值下的随机共振现象,而且也存在阈值上随机共振现象.     

高于室温环境的热式气体微流量传感器性能分析

为了探索平板微热管的传热特性,了解微热管内不同温度区间的蒸汽传输特性,开展了热式气体微流量传感器及其检测系统的设计。设计了一种便于探索最佳温度测量点的热式微流量传感器结构,利用MEMS工艺进行加工制作,在不同环境温度下对其性能进行了测试,得到了环境温度与热式微流量传感器性能的关系。基于MSP430单片机和C＃语言自主开发了流量传感器检测系统,可对一定范围内的流量进行实时检测,并实时绘制流速随时间的变化曲线。研究表明,采用本文设计的热式微流量传感器结构,可以检测高于室温环境下的微流量气体,并可通过提高加热器温度或改变测温电阻对的测量位置来提高测量灵敏度。     

发光及显示器件光电特性测试系统设计

为了提高发光及显示器件光电特性测量实验的智能化程度,减小人为误差,并考虑工作温度对其光电特性的影响,设计了一种能够自动、同步测量发光体亮度、温度、伏安特性和寿命的系统。系统主要由LS-110型亮度计、GPD-3303型电源、自制的温度测量模块及测量软件四部分组成。基于实验室虚拟仪器工程平台,利用亮度计对器件的亮度进行测量,利用单片机和温度传感器对器件的温度进行测量,通过上位机程序控制电源步进输出、读取实际输出电流值和电压值,并将采集到的数据发送到上位机,实时绘制出了亮度-电压、电流-电压、温度-电压、亮度-温度、电流-温度、亮度-电流特性曲线。系统目前可以同时对器件的亮度、温度和伏安特性进行自动测量和直观显示,并且具备自动保存数据和图像的功能,实现了发光及显示器件光电特性测量的智能化,具有综合性强、精确度及自动化程度高、操作简易等特点。     

煤矿大型风机设备磨损监控系统设计

针对煤矿大型风机设备主轴磨损而影响风机工作效率的问题,在对大型风机设备磨损故障的生成原因分析后,根据系统需求设计实现了系统的硬件模块和软件模块,通过传感器电路对大型风机设备的输入输出功率、出风量、主轴转速等参数进行采集,系统软件在对数据进行综合分析后将检测结果显示在液晶屏上,实时输出大型风机设备的运行状态以及主轴磨损状况,从而保证了风机的运行效率,避免设备故障的发生;在Matlab7.0平台上完成对风机设备的主轴磨损程度进行测试,仿真时间定为3 000s,测试结果表明:该系统对风机的主轴转速的预测值与实测值接近,误差在3.19%以内,满足实际需要,具有较高的鲁棒性和运算性能,取得了令人满意的效果,有很高的推广价值。     

复合量程微加速度计的研究

在同一个物理过程中往往存在相差上数十倍甚至上万倍的多个加速度值需要测量,例如,分析弹体在发射和飞行过程中的受力情况,既需要测试发射过程中上万个g的加速度,也需要测试飞行过程中几个g的加速度.在这些场合用同一个加速度计很难满足整个过程的测试要求.针对类似的需求,介绍了一种由四个压阻式微加速度计组成的复合量程微加速度计,四个微加速度计量程分别为100 g、500g、1000 g和2000 g.除了主要介绍微加速度计阵列的设计、制造和测试外,还着重介绍了低量程传感器在高过载环境下的结构防护问题.线性测试结果表明该复合量程微加速度计具有较好的线性度,因而可以同时在测量四个不同的量程的加速度值.