基于洛伦兹力的MEMS磁传感器的研究进展

文中对制作MEMS磁传感器过程中涉及的主要设计参数、器件的制备工艺进行了介绍,综述了基于洛伦兹力的各种结构MEMS磁传感器的灵敏度、品质因子、噪声和探测极限等特性,并对其未来发展进行了展望。     

微型光纤磁传感器的设计与制作

提出了一种基于微机电系统(MEMS)扭镜结构的光纤磁场传感器,并利用对角度变化非常敏感的双光纤准直器对扭镜的扭转角度进行了检测.该MEMS光纤磁传感器由MEMS扭镜结构、磁性敏感薄膜和双光纤准直器组成.文中分析了器件的磁敏感原理和光纤检测原理,介绍了器件综合设计方法,并给出了器件的结构参数.利用MEMS加工技术成功制作出了MEMS光纤磁传感器样品,最终得到的磁传感器的尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5mm.对磁传感器进行了实验测试,得到的输出实验值与理论值吻合.测试结果表明,该磁传感器的光纤检测灵敏度可达到0.65 dB/mT,最小可分辨磁场可达167 nT.将MEMS敏感结构与光纤检测相结合,该传感器兼备了两者的优点,结构紧凑、制作工艺简单、工作时无需电流激励.     

基于聚酰亚胺的温湿压集成传感器

微型化、集成化可以使得传感系统减少体积、重量,降低成本,提高系统的可靠性,具有重要的科学意义.基于聚酰亚胺材料,利用MEMS技术,设计了一个用于测量大气湿度、温度和气压检测的微型集成传感器.分别采用湿敏电容、铂电阻法和聚酰亚胺薄膜对湿度、温度、压力进行检测,并且进行了理论计算,设计了加工工艺步骤,制作出雏形器件.     

NMP/PVP-MWCNTs湿度传感器制备与测试北大核心CSCD

碳纳米管制备敏感薄膜时往往会因其分散性差,无法保证纳米薄膜的均匀性,从而影响传感器的性能。使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂对多壁碳纳米管进行表面活性处理,制备以多壁碳纳米管为湿敏材料的电阻型湿度传感器。传感器用微机电系统(MEMS)工艺制备叉指电极作为湿敏电阻,在100℃下将多壁碳纳米水溶液组装在电极上,使用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)对湿敏薄膜进行形貌表征。经测试,传感器线性度为0.99806,灵敏度为42.99923Ω/%,相对湿度20%~70%循环测试时响应时间为5 s,恢复时间为6 s,且传感器具有良好的重复性和稳定性。     

高分子电容式湿度变送器研究

论述了高分子电容式湿度变送器的制作过程.该变送器由旋涂法制备的聚酰亚胺湿度传感器和以脉冲宽度调节电路为主的变送电路组成.文中对制备的高分子湿度传感器和变送器的湿敏特性进行了测试.结果表明,制备出的高分子湿度变送器对5.3%～93.4%RH范围内的相对湿度进行线性变换输出与相对应的电压信号.     

面向MEMS红外光源的高辐射率纳米硅结构制备

通过制备面向MEMS红外光源的高辐射率多晶硅纳米柱状结构和单晶硅纳米孔结构,以提升红外源表面辐射率,降低器件功耗。制备方法分别为反应离子刻蚀(reactive-ion-etching,RIE)及等离子浸没离子注入(plasma immerse ion implantation,PIII)工艺对单晶硅以及铝电极掩膜的多晶硅表面调控修饰制备。并对2种纳米硅结构进行了吸收率测试,对铝电极掩膜进行了引线键合破坏拉力测试。测试表明,纳米硅结构在3~5μm波段的辐射率可以达到85%以上,暴露在刻蚀气氛后的铝电极掩膜引线键合强度可以达到器件工艺要求。     

基于MEMS技术的氧气微传感器机理研究与设计

采用溶胶—凝胶(Sol-gel)法制备氧敏感膜，并对其不同的药品配比进行成膜质量与响应时间的测试与比较。设计一系列实验对该传感器的氧敏感机理进行研究。结合MEMS技术，设计MOSFET氧气微传感器结构，在器件中集成了加热元件和测温元件。实验结果表明：该传感器响应时间快，有较高的灵敏度，较好的重复性、选择性和稳定性。该传感器的机理研究与设计为基于MEMS技术的氧气微传感器的深入研究提供一定的参考。     

基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究

针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境(≥500℃)下测试需求的问题,设计并制备了一种基于碳化硅(SiC)材料的电容式高温压力传感器。利用ICP刻蚀工艺和直接键合工艺实现了气密性良好的敏感绝压腔结构,结合金属沉积、金属图形化等MEMS工艺制备了感压敏感芯片。搭建了压力-温度复合测试平台,完成了传感器在0～600℃环境下压力-电容响应特性的测试。测试结果表明,在0～300 kPa内,该传感器灵敏度为4.51×10~(-3) pF/kPa,非线性误差为2.83%;同时测试结果也表明该传感器的温度漂移效应较低,0～600℃环境下电容变化量为8.50～8.65 pF。     

基于SOI晶圆材料的硅微压传感器

为解决硅微压传感器制作过程中存在的问题,以SOI晶圆材料为基础,使用有限元方法优化设计岛-膜型1kPa压力敏感结构,采用MEMS工艺完成传感器芯片制作,并对封装后的传感器进行了测试。测试结果表明,传感器输出灵敏度大于60 mV/kPa,非线性小于0.1%FS,精度小于0.5%FS,器件具有较好的性能指标。     

微型磁器件纳米孔薄膜铁芯的制备与分析

对薄膜铁芯微观结构的研究与改进有利于提高微型磁器件的综合性能,文中使用标准MEMS工艺制备了具有纳米孔结构的薄膜铁芯,对不同孔径的纳米孔薄膜铁芯进行了相关的表征与测试,分析了孔径大小对薄膜软磁性能的影响。实验分析的结论为确定制备方案和提高性能指标提供了支持。     

飞秒激光加工的微结构传感器及其湿度传感特性

提出了一种基于飞秒激光加工的微结构湿度传感器。在光纤布拉格光栅(FBG)包层上用飞秒激光加工直槽微结构,然后涂覆聚酰亚胺湿敏薄膜(PI膜)制成湿度传感探头。文章理论分析了直槽微结构提高传感器性能的工作原理,介绍了传感器探头的制备工艺和性能影响因素,给出了不同直槽个数微结构探头的湿度测试结果。实验结果表明,光栅上加工直槽微结构均能显著提高探头灵敏度。激光能量和镀膜厚度一定时,直槽个数越多,灵敏度越高,最高可达2.55 pm/%,相比无微结构探头,灵敏度提高了2.6倍。     

悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的研究

针对传统微压传感器灵敏度低、体积大的问题,提出了一种新型悬臂梁式环形谐振腔微压传感器。首先理论分析了悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的工作原理,然后对悬臂梁结构进行了建模仿真,同时也确定了悬臂梁和环形谐振腔的最佳结构参数,最后利用MEMS工艺在SOI材料上制备了该新型传感器。利用光学耦合测试平台,对所加工的环形谐振腔进行性能测试,实验测得环形谐振腔的Q值为7.75×10~4,传感器的灵敏度为31 pm/k Pa,可以满足微压传感器高灵敏度的要求。     

基于CMOS制造工艺的电容型湿度传感器

设计了一种基于CMOS制造工艺的电容型湿度传感器,详细讲述了制作过程.通过引入平行板电容模型和水分子吸附模型研究了其工作机理,通过实验对其湿容特性、响应特性、湿滞等参数做了测试与分析.制作过程中的难点在于聚酰胺酸膜的亚胺化以及聚酰亚胺的光刻工艺.     

CeO_2-Co_3O_4纳米晶粒对甲烷气敏性影响分析

为了快速准确检测矿井中的甲烷气体浓度,以直接沉淀法制备了不同含量Ce O2的CeO_2-Co_3O_4纳米晶粒。利用掩膜法将制备的CeO_2-Co_3O_4纳米晶粒镀膜于氧化硅绝缘层表面形成敏感薄膜,采用标准MEMS工艺制作了一种薄膜型甲烷传感器。采用X射线衍射仪表征了CeO_2-Co_3O_4纳米晶粒的相组成和微观形貌,利用全自动程序化学吸附仪分析了CeO_2-Co_3O_4纳米晶粒对甲烷的吸附机理。在气体传感器静态测试系统上,测试了甲烷传感器灵敏度、湿度、温度、动态响应、抗干扰和长期稳定性等特性。结果表明:以Ce_30为敏感薄膜的甲烷传感器灵敏度为98.3%,动态响应时间为11 s,恢复时间为8 s。在矿井中连续使用12个月后,灵敏度衰减了8.5%。表明该甲烷传感器可实现矿井中甲烷气体在线检测。     

用QCM研究湿度特性的测试系统及纳米ZnO的制备

为实现实时采集湿度变化的数据,用石英晶体微天平传感器、数据采集卡等构建湿度传感器测试系统.该系统具有灵敏度高、结构简单的优点.利用该系统作为测试平台,以纳米ZnO作为敏感膜,采用热蒸发方法制备纳米ZnO.该方法简单、易操作,制得的纳米ZnO具有四脚状,各方向针脚长度均匀.     

MEMS中基于制造工艺的多层材料结构分析

在 MEMS中,由于制造工艺的不同,形成了不同的多层材料结构.因此,在MEMS设计中必须针对多层材料结构形式进行分析.同时,由于它们的功能要求差异和使用环境的不同,必须对其进行必要的结构分析,以最佳的结构性能,最低的制造成本满足使用要求.文中提出MEMS中基于制造工艺的多层材料结构分析的方法.并应用该方法针对加速度微阵列式传感器进行结构分析计算,设计并制造了式样.在ENDVCO2270设备上进行测试,获得62500g的加速度测试值.     

硅PN结基底TiO2氧传感器的特性研究

采用薄膜工艺及MEMS工艺研制了一种以硅PN结为基底材料的TiO2氧传感器,阐述了该传感器的工作原理、工艺流程及射频磁控溅射制备银电极及TiO2薄膜的方法.利用XRD、SEM分析了薄膜的表面形貌及晶粒结构.基于该结构的氧传感器具有良好的感特性及响应特性,具有响应时间短、信号线性度好、灵敏度高等优点.     

CMOS集成电容湿度传感器

CMOS集成湿度传感器是利用MEMS技术基于CMOS工艺的新型传感器，将传感器结构与接口电路集成在同一块片子上，具有体积小，价廉、可靠性高等优点，利于批量生产和系统集成。主要介绍了湿度传感器的工作原理和一些常用感湿介质，如多孔硅、聚酰亚胺、空气的感湿特性，比较了几种流行的湿度传感器结构以及接口信号处理电路像开关电容电路、多谐振荡电路之间的优缺点。最后给出了微系统集成的概念，并对CMOS集成湿度传感器的应用前景进行了展望。     

湿度传感器技术展望

随着工业的发展,湿度监测已广泛地应用在仪器仪表、自动控制系统,农业、气候和环境等各个领域。文中以近十几年的文献资料为基础,介绍了目前利用电学、声学和光学各种不同原理制作的湿度传感器,比较了采用陶瓷,半导体、聚合物和纳米等敏感材料制备的湿度传感器对其灵敏度、湿滞,恢复和响应时间等的影响,给出了一些市场上流行的湿度传感器性能指标。并对未来湿度传感器产品应用、制造材料、工艺的趋势做了展望。     

基于超小GRIN光纤镜头的MEMS光纤声传感器及性能测试方法

研究一种MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器,以及基于扫频OCT(Swept Source Optical Coherence Tomography,SS-OCT)解调系统的MEMS光纤声传感器性能测试方法。在进行建模分析的基础上,设计并研究MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器的制作工艺,搭建基于SS-OCT的声振测量系统,通过开展单频声信号、混频声信号、频率响应、声压灵敏度和系统稳定性测量实验,进行传感器的性能测试与标定。结果显示,所研究的MEMS光纤声传感器样品的频响范围为50 Hz～4.5 kHz,在频率为300 Hz时传感器声压灵敏度21.63 nm/Pa,信噪比（SNR）为44.1 dB,线性度为98.97%,重复性标准偏差为0.003。结果表明所研究的MEMS光纤声传感器可行,而且利用SS-OCT解调系统可对其传感性能进行有效测量。