基于侧壁压阻式的位移传感器研制及应用

为了提高面内运动位移检测的灵敏度和改善侧壁压阻工艺与其他工艺间的兼容性问题,研究了一种可用于面内运动位移检测的传感器,提出了利用离子注入工艺和深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺相结合制作榆测梁侧壁压阻的方法.侧壁压阻式位移传感器的灵敏度比在检测梁表面制作压阻的传统位移传感器高近一倍.同时把位移传感器集成到基于体硅工艺的纳米级定位平台上,实验测试表明.这种位移传感器加工技术可以很容易地与其他工艺相兼容,位移传感器的灵敏度优于0.903mV/μm,线形度优于O.814%,分辨率优于12.3nm.     

用于纳米操作的硅基集成式微型 xy 定位平台

针对纳米级定位平台小型化和高定位精度的要求,基于体硅工艺研制出一种集结构、驱动和位移检测一体化的集成式微型纳米级xy定位平台. 采用体硅双面深度反应离子刻蚀（DRIE）技术释放出高深宽比的静电梳齿驱动器、检测梁及定位平台结构. 由于定位平台属于面内运动,为了提高面内运动位移检测的灵敏度提出了一种利用离子注入工艺和DRIE技术相结合制作检测梁侧壁压阻的方法,并利用该侧壁压阻工艺成功地把基于侧壁压阻式的位移传感器集成到微型xy定位平台上. 实验测试表明,位移传感器的灵敏度优于1.17mV/μm,线形度优于0.814%,当驱动电压取30V时,定位平台的单轴输出位移可达±10μm,并且定位平台x方向和y方向上的位移耦合量非常小;在空气条件下测得定位平台的一阶固有频率为983Hz.     

用于纳米操作的硅基集成式微型 xy 定位平台

针对纳米级定位平台小型化和高定位精度的要求,基于体硅工艺研制出一种集结构、驱动和位移检测一体化的集成式微型纳米级xy定位平台.采用体硅双面深度反应离子刻蚀(DRIE)技术释放出高深宽比的静电梳齿驱动器、检测梁及定位平台结构.由于定位平台属于面内运动,为了提高面内运动位移榆测的灵敏度提出了一种利用离子注入工艺和DRIE技术相结合制作检测梁侧壁压阻的方法.并利用该侧壁压阻工艺成功地把基于侧壁压阻式的位移传感器集成到微型xy定位平台上.实验测试表明,位移传感器的灵敏度优于1.17mV/μm,线形度优于0.814%,当驱动电压取30V时,定位平台的单轴输出位移可达±10/μm,并且定位平台x方向和y方向上的位移耦合量非常小;在空气条件下测得定位平台的一阶固有频率为983Hz.     

带有静电自检测功能的高灵敏度加速度传感器

研究了一种带有自检功能的在平面内自限制压阻式加速度传感器.为实现该加速度传感器,提出了一套新的体硅微机械工艺,使用普通硅片取代SOI硅片来制作器件.传感器采用在深槽侧壁(悬臂梁弯曲的表面)制作压阻的方法,灵敏度比在硅表面上制作压阻的传统器件高近一倍.传感器利用集成在内的静电驱动器,实现电自检测功能.     

带有静电自检测功能的高灵敏度加速度传感器

研究了一种带有自检功能的在平面内自限制压阻式加速度传感器．为实现该加速度传感器，提出了一套新的体硅微机械工艺，使用普通硅片取代SOI硅片来制作器件．传感器采用在深槽侧壁（悬臂梁弯曲的表面）制作压阻的方法，灵敏度比在硅表面上制作压阻的传统器件高近一倍．传感器利用集成在内的静电驱动器，实现电自检测功能．     

SOI压阻式面内加速度传感器的交叉灵敏度

设计了一种基于绝缘衬底上硅(SOI)片的面内振动压阻式加速度传感器,并针对其交叉灵敏度性能进行了研究,分析得出传感器的灵敏度与压阻微梁的轴向应力呈正比关系,并通过仿真说明该结构形式的加速度传感器具有非常低的交叉灵敏度,对检测方向的输出干扰非常小。进行了工艺加工和实验测试,实验结果表明,该面内振动的压阻式加速度传感器在20℃下,工作方向上的灵敏度为0.67 mV/g,而另外两个非工作方向(x轴和z轴)上的交叉灵敏度分别为7.3×10-4%和6.6×10-4%,对工作方向的加速度检测影响非常小,此结构的设计方法对于高性能的加速度传感器的研究具有重要的参考意义。     

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.     

硅压阻式湿度传感器的研究

本文研究了一种利用压阻原理检测相对湿度的传感器结构.改进了压阻结构,在压阻的拐弯处用Al引线代替浓硼掺杂,避免了拐弯处压阻的负压阻效应,提高了传感器的灵敏度.采用离子注入工艺制作压阻,使得硼掺杂更加均匀,提高了压阻的匹配度.对流水出来的传感器进行测试和分析,数据结果表明:在20℃时,传感器的灵敏度为0.236 mV/%RH,最大湿滞约为5%RH,传感器有较好的线性.     

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.     

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。     

基于反射式塑料光纤传感器的微位移测量技术研究

近年来,高精度的位移测量精度要求越来越高,为响应这一需求,本文依据待测位移量可由反射光强变化得出的原理设计了一种基于塑料光纤的位移传感器.本文所涉及的光纤位移传感器以静态拉伸式杨氏模量测量实验中钢丝长度的微小变化为待测量进行设计.在整个传感器系统制作完成后,结果显示,在0~3mm的位移范围内,测量输出与实际位移成线性关系且线性度为0.6%,在较大位移区间内实现了具有良好线性度的测量,同时,根据实验结果测得灵敏度为2.13mV/μm,保证了测量的精准度.这种设计方法的使用扩大了塑料光纤的应用领域,同时,优化了传感器的精准度和线性化精度等性能指标.     

三自由度介电型EAP软材料位置传感器研究

基于介电型电活性聚合物(EAP)变形时的电容值变化原理,设计并实现一种三自由度软材料位置传感器,其内框可沿平面和法向移动,分别用于检测平面和法向位移。建立该传感器的几何模型,推导出其电容值变化和内框位移的关系。采用差分法测试该传感器的电容值变化,分析了面对面两个传感单元的电容值差和内框的平面位移、单个传感单元的电容值和内框的法向位移之间的关系,测试得到其平面和法向位移灵敏度分别为66.69pF/mm、0.47pF/mm~2,与理论分析结果较吻合。该位置传感器的理论与测试分析结果验证了介电型EAP应用于位置传感器中的可行性。     

A Motion Vector Sensor via Direct‐Current Triboelectric Nanogenerator

Motion vector sensors play an important role in artificial intelligence and internet of things. Here, a triboelectric vector sensor (TVS) based on a direct‐current triboelectric nanogenerator is reported, for self‐powered measuring various motion parameters, including displacement, velocity, acceleration, angular, and angular velocity. Based on the working mechanism of the contact‐electrification effect and electrostatic breakdown, a continuous DC signal can be collected to directly monitor moving objects free from environmental electromagnetic signal interference existing in conventional self‐powered TVSs with an alternative‐current signal output, which not only enhances the sensitivity of sensors, but also provides a simple solution to miniaturize the sensors. Its sensitivity is demonstrated to be equivalent to state‐of‐the‐art photoelectric technology by a comparative experiment in an intelligent mouse. Notably, an intelligent pen based on the miniaturized TVS is designed to realize motion trajectory tracing, mapping, and writing on the curved surface. This work provides a new paradigm shift to design motion vector sensors and self‐powered sensors in artificial intelligent and internet of things.     

F-P腔式光纤MEMS压力传感器的设计

提出了一种新型结构的法布里-珀罗(F-P)腔光纤压力传感器.该传感器基于法布里-珀罗多光束干涉,利用压力敏感膜的纵向挠度变化带动位移柱的横向位移运动来改变F-P腔的腔长变化.详细阐述了传感器新结构的设计方法及其工作原理,分析了不同参数对传感器性能的影响.采用ANSYS软件仿真模拟了传感器压力敏感膜在压力作用下的挠度变化.结合现有的MEMS工艺,可制作出工艺简单、温度系数低、灵敏度高,且抗电磁干扰的MEMS光纤压力传感器.     

Piezo displacement sensors for a compact high-speed x–y nanopositioner in differential actuation mode

An emerging actuation technique in piezo driven nanopositioners is differential actuation, where each axis has two opposing actuators that operate differentially and provide bilateral motion. It has simultaneous benefits of improving linearity and range of displacement. However, few methods for displacement sensing employing in-situ transducers have been considered for this kind of nanopositioners. We address a novel application of PZT piezoelectric chips for direct displacement sensing in differentially driven nanopositioners. First, an electromechanical force analysis is performed in order to increase the PZT sensor sensitivity through the structural design of the nanopositioner. Secondly, the sensing performances of the proposed in-situ PZT sensor are compared with those from an alternative built-in piezoresistive (PZR) strain gauge sensor under equal circumstances, in different sensing and actuation configurations. While the PZR sensor has a larger sensing bandwidth than the PZT one and performs better if the actuation frequency is smaller than 30 Hz, the PZT sensors provides better accuracy when the actuation is well within its sensing bandwidth. The accuracy of the differential sensors and the input-displacement linearity are improved when the mechanical preload force magnitudes on the opposing actuators are balanced. The differential PZT sensor can provide accurate measurements even in a non-differential mode after recalibration.     

Design of a Silicon Beam Resonator for a Novel Gas Sensor

研究了一种基于硅悬臂梁谐振器的新型气体传感器.该传感器在敏感环境中,可同时获得敏感膜电导率和质量变化,测量被测气体分子的荷质比,具有高灵敏度和高选择性.根据这一原理,针对气体传感器的需求,设计了硅悬臂梁谐振器化学传感器结构,进行了仿真优化,并采用MEMS表面牺牲层工艺制备该器件,激光频率仪测量验证了该微型谐振梁的谐振频率.     

基于硅悬臂梁谐振器的新型气体传感器

研究了一种基于硅悬臂梁谐振器的新型气体传感器.该传感器在敏感环境中,可同时获得敏感膜电导率和质量变化,测量被测气体分子的荷质比,具有高灵敏度和高选择性.根据这一原理,针对气体传感器的需求,设计了硅悬臂梁谐振器化学传感器结构,进行了仿真优化,并采用MEMS表面牺牲层工艺制备该器件,激光频率仪测量验证了该微型谐振梁的谐振频率.     

MEMS永磁薄膜磁场的设计与仿真

由于在MEMS隧道磁阻微机械陀螺中需要一个较高磁场变化率的磁场,其检测模块主要是利用磁场的变化率对位移信息进行敏感,需要利用磁场的变化敏感质量块的位移,所以设计一个具有较高磁场变化率的磁场是十分有必要的。通过仿真分析,设计了一个MEMS隧道磁阻陀螺中应用的磁场,尺寸规格为500*500*20um,材料为钕铁硼,相对磁导率为1.18,表面剩磁为1.3T,充磁方向垂直于截面。在此设计规格下,永磁体选用面内方向作为检测方向,磁场的变化率最大可达到0.2 Oe/nm,并且在其他方向上磁场保持一定程度上的匀强,不对检测方向上的磁场产生干扰。     

CMOS stress sensors on (100) silicon

CMOS analog stress sensor circuits based upon the piezoresistive behavior of MOSFET's are presented. On the (100) surface, these circuits provide temperature-compensated outputs that are proportional to the in-plane normal stress difference (σ(11)'-σ₂₂') and the in-plane shear stress σ₂₂'. The circuits provide high sensitivity to stress, well-localized stress-state measurement, and direct voltage or current outputs that eliminate the need for tedious ΔR/R measurements required with more traditional resistor rosettes. The theoretical and experimental results also provide design guidance for calculating and minimizing the sensitivity of traditional analog circuits to packaging-induced die stress