光纤微型传感器研制及其系统的设计

本文介绍一种新型的微型化学传感器及其系统的设计。这种传感器具有很多优点并有良好的线性，线性范围为１０－６～１０－３ＭＫ＋，５×１０－６～５×１０－３ＭＡＣＨ。响应时间（ｔ９０）为１～３分钟。     

交错振动式微型电场传感器

介绍一种由基底、感应电极、屏蔽电极和驱动结构组成的新型微型电场传感器.与其他微型传感器相比,该传感器采用独特的交错振动的工作方式,显著地提高了传感器感应电场的能力和稳定性.传感器采用压电陶瓷制作驱动结构,可以在较低的驱动电压下获得较大的振动幅度,降低了驱动对输出的串扰,从而提高了器件的信噪比.试验结果表明,传感器的分辨率优于100V/m,为目前微型电场传感器中最高水平.介绍了此种传感器的结构、原理,以及传感器样品的测试结果.     

用于蒙皮外表面空气流测量的MEMS微型压力传感器

为实现飞行器蒙皮外表面空气流的分布式压力检测,设计了基于微机电系统(MEMS)技术的光学压力微型传感器。传感器敏感元件主体结构采用单晶硅的法布里帕罗标准具,并通过光纤与发光二极管和光电探测器等光学元件相连。确定了MEMS微型传感器的关键结构与尺寸,并对压力敏感膜片的变形及反射率等进行了理论计算和行为仿真,结果表明达到预期的设计目标。该传感器具有精度高、抗电磁干扰、尺寸小、耗能低等优点。     

集磁式光纤电流传感器

以法拉第磁光效应为原理的光纤电流传感器因其无爆炸危险、抗高电磁干扰、绝缘性好、价格便宜、结构简单、质量轻等优点,将成为传统电磁式互感器的替代产品。文中介绍一种集磁式光纤电流传感器,说明该传感器的工作原理,并且给出传感头的结构、信号处理电路,最后对其测试性能进行了必要的讨论,证明此类传感器具有成本低、稳定性高、使用灵活等特点。     

用于快速检测血色素的生物传感器研究

提供了一种用于快速检测血色素的生物传感器,不仅检测方法简单、耗样少,而且可以极大地缩短血色素的响应时间,在200～3000μmol/L浓度范围内具有很好的线性关系,其响应时间和线性相关系数分别为30s和0.99.适于一次性使用,制作简单,能小批量制备,成本低,具有很好的应用前景.     

集磁式光纤电流传感器系统设计

介绍了基于磁光材料的法拉第效应的系统工作原理,采用块状磁光材料与集磁环相结合的方法制作的传感头,稳定化光源和A/D转换等实现方法.实验结果表明:该电流传感器系统在30 kV工作电压下可实现对30 kA脉冲及交流电流的测量,为高压下大电流测量提供了一种有效的方法.     

微型热敏传感器系统动态特性理论研究

通过分析用于检测流体参数的微型热敏传感器的工作原理，针对恒流和恒温驱动电路驱动的此类传感器组成的系统，提出了对微型热敏传感器系统动态特性分析的依据和计算设计方法。并且通过对一阶恒流电路驱动传感器系统的时间常数和二阶恒温电路驱动传感器系统的响应频率的计算和分析，得到基于MEMS技术的热敏传感器系统的时域、频域参数的计算和设计依据，为此类传感器的器件设计和性能分析提供了重要的参考依据。     

对称式微波功率传感器的设计

为了克服传统微波功率传感由于失配和热损耗带来的微波功率测量误差,提出了一种基于MEMS技术的对称式微波功率传感器,对该微波功率传感器的微波损耗、温度分布以及微波功率的精确测量进行了研究.首先,根据提出的损耗模型推导了微波损耗功率和损耗电压的表达式,并建立了该传感器的传热解析模型;接着,设计并制作了该微波功率传感器;最后...     

高精度差动直流偏磁型磁传感器

介绍一种由磁芯构成的磁传感器,据其检测原理可以称为“差动直流偏磁型磁传感器”,其检测分辨率可达到１０＾－１３Ｔ／√Ｈｚ,能达到如此高的分辨率的主要原因是在于本文提出的检测原理。该原理类似于普通电桥的平衡条件,用两个磁芯构成一个电桥,待测的未知磁场打破了平衡条件,这种不平衡导致磁化曲线上的增量磁导率的变化,并且采用有效的方法来提高这种变化的检测灵敏度。     

全光纤双臂微振动传感器的设计与实验

微振传感器在机械制造领域、生物科学领域,以及资源和环境领域都有着广泛的应用,特别在微加工和微制造领域有十分重要的作用。为了有效检测微振动信号,给出一种基于光强调制的全光纤双臂微振动传感器的设计与实验过程,并对传感系统的工作原理做了详细介绍。系统将两臂同时作为传感臂,不仅能够有效地消除温度对振动测量的交叉影响,同时能够提高测量的精度。     

重力/地磁辅助的欧拉角无迹卡尔曼滤波姿态估计

为了克服应用扩展卡尔曼滤波(EKF)的姿态估计算法的线性化误差问题,提出了一种基于重力/地磁辅助的欧拉角无迹卡尔曼滤波(UKF)姿态估计算法来提升低成本微机电系统(MEMS)的姿态测量精度。应用重力与地磁数据抑制了MEMS姿态误差快速发散问题;将欧拉角作为状态,应用四元数完成时间更新过程中的姿态更新,避免了四元数作为状态的规范化问题及欧拉角姿态更新精度低的问题;由于UKF滤波器不存在线性化误差,故其具有更好的稳定性和姿态估计精度。应用实际MEMS数据开展的算法验证实验显示:与EKF姿态估计算法相比,提出的UKF姿态估计算法得到的俯仰与横滚角精度提高了近20%,航向角精度提高了12.1%。结果表明:本文提出算法的精度更高;然而由于UKF算法对状态协方差估计不足,其收敛时间有所增加。     

谐振式MEMS温度传感器设计

为了实现以频率输出为信号的气象温度测量,提出了一种基于双层悬臂梁的谐振式微温度传感器。基于双悬臂梁不同材料热膨胀系数的差异会导致悬臂梁谐振频率偏移的原理,采用压电方式同时实现悬臂梁的驱动及其谐振频率的检测,从而实现温度的测量。根据硅基传感器的正面腐蚀工艺,设计了谐振悬臂梁的双层结构,采用有限元方法分析了悬臂梁的谐振模态、可利用的振型及其温度与各模态谐振频率的关系,并利用多普勒振动系统对悬臂梁的谐振特性进行了研究。实验发现悬臂梁的二阶弯曲振型Q值相对于其它振型是最大的,其Q值约为150;高阶振型特别是二阶弯曲振型适合用于以ZnO为压电材料的温度传感器的频率检测,并且具有相对较高的灵敏度(约为20Hz/℃)和频率温度系数(1.9×10-4/℃)。结果表明,微型温度传感器能够满足气象温度检测的要求,并具有抗干扰能力强、灵敏度高、信号传输接口简单等优点。     

微型柔性热敏传感器阵列应用研究

边界层分离点检测是实现分离流主动控制的前提和基础，也是气动控制灵巧蒙皮系统研究的重点和难点。以流体边界层分离点检测技术为研究对象，以流体边界层分离点判定的风洞实验为验证目标，设计制作微型热敏传感器与聚酰亚胺柔性衬底，并首次利用微装配技术集成分立敏感元件与柔性衬底形成热敏传感器阵列。首先，采用分立元件通过表面贴装工艺来实现柔性微型热膜传感器阵列的集成，并研究该传感器阵列中敏感元件、柔性衬底的设计及传感器的排布。然后，在低速风洞实验中对传感器阵列的性能和传感器阵列输出信号采用统计量算法的方式进行处理判断，判定圆柱翼型的流体分离点位置。最后，对实验的结果所作的分析表明，该微型柔性热敏传感器阵列满足流体分离检测系统实时性、动态性的要求。     

平面电极型MEMS电化学地震传感器

针对传统电化学地震传感器的加工工艺成本高、一致性差等问题,设计了一种新的平面电极型微机电系统(MEMS)电化学地震传感器结构。建立了平面电极型MEMS电化学地震传感器的计算模型,通过Comsol多场耦合数值模拟分析方法,对影响传感器的结构参数如:电极宽度、电极间距、流道高度等进行了计算和优化。采用MEMS表面工艺和准LIGA工艺,制备了平面电极型MEMS电化学地震传感器。最后,与采用传统方法精密加工的MET2003器件进行了频率响应和微震动的对比测试。实验结果表明:与MET2003器件相比,平面电极型MEMS电化学地震传感器的带宽从1Hz扩展到了30Hz,两种器件的采集结果具有很好的相关性和一致性,相关系数为0.887,在1Hz处的噪声低于120dB。     

分子印迹型薄膜体声波谐振毒品检测传感器

针对毒品探测的需求,对高灵敏度、高选择性及可工作于液相环境中的传感器进行了研究,利用分子印迹技术(MIT),结合薄膜体声波谐振器(FBAR)和微流体(micro fluidics)技术构造了新型传感器.首先,阐述了用分子印迹技术制作FBAR吸附层材料的原理,利用分子印迹技术制备了对特定毒品分子具有专一吸附性的印迹材料,将其作为吸附层涂覆在基于微机电系统(MEMS)及微流体技术的FBAR上.根据压电方程和运动学方程推导出了FBAR压电振子的等效电路及电学端口输入阻抗公式,构建了以AIN为压电材料的微流体结构FBAR毒品检测传感器模型.对该结构的FBAR传感器进行了理论研究和公式推导,并在理论模型的基础上进行了仿真实验,得到了单位面积质量响度达0.8pg/Hz·cm2的FBAR传感器.得到的实验结果远高于石英晶体微天平这一传统的质量敏感型传感器,可实现对溶液中毒品分子的快速检测.     

适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器

为了消除潮湿、酸碱、静电颗粒等恶劣环境对压力传感器压敏电阻的影响,提出了一种新型结构的压阻式压力传感器.该传感器将压敏电阻置于应力薄膜的下表面并通过阳极键合技术密封在真空压力腔中,从而减少了外界环境对压敏电阻的影响.介绍了此种压力传感器的工作原理,使用ANSYS软件并结合有限元方法模拟了压敏薄膜在压力作用下的应力分布情况.最后,利用微机电系统(MEMS)技术成功制作出了尺寸为1.5 mm×1.5 mm×500 μm的压阻式压力传感器.用压力检测平台对该压力传感器进行了测试,结果表明,在25～125℃,其线性度小于2.73％,灵敏度约为20mV/V-MPa,满足现代工业使用要求.     

基于高速摄影动态测试微陀螺振动

针对微机电系统(MEMS)特征尺寸小,常用的动态测试方法和系统还有一定的缺点等问题,本文在介绍MEMS常见的三种动态测试方法的基础上,给出了一种基于高速摄影的微陀螺振动动态测试系统。介绍了系统的硬件架构和软件功能。在动态测试的关键算法上,应用Otsu算法对图像进行分割,使用感兴趣区域(ROI)和不变矩方法得到振动曲线,通过幅频分析得到微机械陀螺的振动特性。实验结果表明:使用这种方法测量振幅的精度达到了0.1 μm;频域测量的重复性和一致性也较好。这种动态测试方法稳定可靠、精度高、抗干扰能力强,可以极大地减少计算量,提高系统运行速度。     

MEMS器件与电路共同仿真原型系统

为了预测MEMS器件与电路组成的完整MEMS系统的行为,建立了一个支持MEMS器件与电路共同仿真的原型系统。首先,根据MEMS系统级仿真与模拟电路仿真的共同特性,提出了MEMS器件与电路共同仿真的原理和方法,并依托国产电路仿真平台Zeni VLG建立了共同仿真原型系统的框架结构;然后,分别根据修正节点分析方法和模拟电路行为级建模方法开发了该共同仿真原型系统所必需的两个参数化模型库。通过一个跷跷板式微加速度计分别与其开环电路和闭环带载波电路的共同仿真对原型系统和模型库进行了测试,与国外商业软件Saber对比,开环仿真结果相对误差为2.1%,表明提出的原型系统能够有效进行MEMS器件与电路共同仿真,并且具有较高的精度。     

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。