基于圆片级阳极键合封装的高g_n值压阻式微加速度计

设计了一种适合于高gn值压阻式微加速度计圆片级封装的结构,解决了芯片制造工艺过程中电极通道建立、焊盘保护、精确划片等关键技术。采用玻璃—硅—玻璃三层阳极键合的方式进行圆片级封装,较好地解决了芯片密封性、小型化和批量化等生产难题。在4 in生产线上制作的高gn值压阻式微加速度计样品,尺寸仅为1 mm×1 mm×0.8 mm;对传感器进行的校准与抗冲击性能测试,结果表明:样品具备105gn的抗冲击能力、0.15μV/gn/V的灵敏度以及200 kHz的谐振频率。     

高g微阵列加速度传感器的电气互联研究

设计高g微阵列传感器在受到150000gn加速度冲击作用下,它的电气性能良好。通过对改进封装后加速度传感器引线拉伸试验数据进行分析,利用模糊优化理论优点对试验数据进行模糊计算,得出最佳的精确焊接工艺参数。对不同工艺参数的传感器样品在霍普金森杆上进行冲击破坏试验,实验结果表明,在148000gn加速度冲击作用冲击下,传感器仍能正常工作,基本满足设计要求。     

爆炸冲击条件下的加速度传感器结构分析

针对加速度传感器在爆炸与冲击测试中的应用,从理论与有限元仿真出发,分析传感器结构的静态响应与冲击响应.在15.4×104gn的静态载荷下,传感器结构最大应力超过材料的许用应力,将会发生结构断裂.在静态载荷下,加速度传感器在15.4×104gn的冲击加速度载荷下结构最大应力超过材料的许用应力,将会发生结构断裂.在加速度传感器的工作方向上施加幅值为15×104gn,半周期为5μs、10μs、20μs、30μs、40μs的半正弦加速度冲击载荷.在幅值为15×104gn、半周期为30μs的冲击载荷下,传感器的固定端处应力为334MPa,将会使传感器断裂失效.在幅值为15×104gn、半周期为5μs、10μs、20μs的冲击载荷下,固定端处应力超过材料许用应力,将也会发生结构断裂.悬臂梁在半周期为5μs、10μs、20μs的冲击下,将会出现断裂.大体上,冲击载荷的周期越小,固定端的应力越大集中越严重.由于传感器固有周期为9.5μs,加速度传感器在半周期为10μs的冲击载荷下出现谐振,固定端处应力变大集中加剧.分析加速度传感器在冲击载荷下的结构响应为传感器的结构设计与具体应用时的可靠性分析提供了理论依据.     

微热板阵列式集成气体传感器的芯片电路设计

针对加热测温一体化集成微热板阵列气体传感器的需要,以微热板加热性能测试参数为依据,提出了一种基于微热板气体传感器阵列的单片集成方案。该方案包括由四个微热板构成的传感器阵列,加热驱动单元和信号采集单元。采用Hspice软件对加热驱动电路和信号采集电路进行设计,并进行了芯片电路系统的仿真。仿真结果表明实现了微热板的独立控温和信号的采集,验证了该方案的可行性和正确性。     

MEMS射流角速率传感器中微悬空铂丝加工工艺的优化设计

MEMS射流角速率传感器的工作原理是当有外加角速度时,腔内射流发生偏转,此时腔内产生的不对称温度分布通过微悬空铂丝输出一个差分电压信号。由于器件中的气流在工作平面上作循环运动,这样器件的性能强烈依赖于悬空热敏检测丝的对称性和平整度。考察了不同退火条件对SiC支撑层内应力的影响,结果发现在450℃退火半小时的条件下产生低的张应力SiC,既满足了平整性要求又能很好地保护其下的玻璃衬底。还研究了不同厚度的SiC层在纯HF溶液中腐蚀1h对玻璃的保护和金属层的"起皮"现象,得出1μm厚的SiC能有效地防止玻璃表面被腐蚀,而延长反溅射的时间可避免金属层"起皮"现象发生。     

高量程加速度传感器的结构优化与仿真分析

在传统双边四梁结构的基础上,优化设计了一种高量程加速度传感器结构,量程为10 000 gn。理论上对其进行了应力分析,验证了结构的合理性,并通过有限元建模对传感器进行了静态结构分析,模态分析和抗过载能力分析。在恒压源供电条件下,传感器的固有频率大于50 kHz,灵敏度理论值为18.88μV/gn,抗过载能力为20000 gn。与传统结构相比,极大地提高了高量程加速度传感器的性能。     

高g光学微腔加速度计的结构设计

针对高量程加速度测试需求,提出了一种基于光弹效应的新型光学加速度传感器;利用MATLAB软件和时域差分有限元(FDTD)对微环谐振腔悬臂梁加速度计的结构进行优化设计,详细分析了波导传输模态,传感器灵敏度以及工作带宽与波导尺寸、微悬臂梁尺寸的关系。在优化设计的基础上,通过ANSYS软件对悬臂梁的抗冲击性能进行仿真,其抗冲击可达104gn,灵敏度为10-2pm/gn,能有效满足高冲击、强烈振动场合的特殊测试要求,可以应用于侵彻系统,并为集成小型化高灵敏抗冲击微光机电系统(MOEMS)传感器提供理论参考。     

MEMS面内大量程加速度传感器设计与分析

针对目前导弹引信等武器系统领域对大量程加速度传感器的迫切需求,设计了一种测量平面内加速度的大量程压阻式加速度传感器.该传感器结构双端固支梁-质量块结构,可有效消除敏感轴轴间的交叉干扰,提高了测量精度.仿真分析表明传感器在敏感轴轴向灵敏度为1.41 μV/gn,可实现对150 000 gn的加速度载荷的测量.     

一种与CMOS工艺兼容的钨微热板

标准CMOS工艺中的多晶硅的热性能越来越稳定,因此多晶硅微热板受到一定的限制.本文设计了一种与标准CMOS工艺兼容的钨微热板.钨在CMOS工艺中作为通孔材料连接两层金属或者金属与硅衬底.但在钨微热板的设计过程中,钨连接一层金属,构成钨电阻,作为微热板的加热和测温电阻.测量结果显示钨的温度系数是0.0015/℃,钨微热板的热阻是17℃/mW.本文的钨微热板的设计可以应用到相关的与标准CMOS工艺兼容的热传感器的设计之中.     

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。     

MEMS-based formaldehyde gas sensor integrated with a micro-hotplate

This paper presents a novel micro-fabricated formaldehyde gas sensor with enhanced sensitivity and detection resolution capabilities. The device comprises a quartz substrate with Pt heaters as a micro-hotplate and deposited formaldehyde-sensing layer on it. A sputtered NiO thin film is used as the formaldehyde-sensing layer. A specific orientation of NiO becomes more apparent as the substrate temperature increases in the sputtering process, which helps the formation of NiO material with a correct stoichiometric ratio. The gas sensor incorporates Pt heating resistors integrated with a micro-hotplate to provide a heating function and utilizes Au inter-digitated electrodes. When formaldehyde is present in the atmosphere, oxydation happens near the sensing layer with a high temperature caused by the micro-hotplate and causes a change in the electrical conductivity of the NiO film. Therefore, the measured resistance between the inter-digitated electrodes changes correspondingly. The application of a voltage to the Pt heaters causes the temperature of the micro-hotplate to increase, which in turn enhances the sensitivity of the sensor. The nanometer scale grain size of the sputtered oxide thin film is conducive to improving the sensitivity of the gas sensor. The experimental results indicate that the developed device has a high stability (0.23%), a low hysteresis value (0.18%), a quick response time (13.0 s), a high degree of sensitivity (0.14 Ω ppm^?1), and a detection capability of less than 1.2 ppm.     

MEMS-based formaldehyde gas sensor integrated with a micro-hotplate

This paper presents a novel micro-fabricated formaldehyde gas sensor with enhanced sensitivity and detection resolution capabilities. The device comprises a quartz substrate with Pt heaters as a micro-hotplate and deposited formaldehyde-sensing layer on it. A sputtered NiO thin film is used as the formaldehyde-sensing layer. A specific orientation of NiO becomes more apparent as the substrate temperature increases in the sputtering process, which helps the formation of NiO material with a correct stoichiometric ratio. The gas sensor incorporates Pt heating resistors integrated with a micro-hotplate to provide a heating function and utilizes Au inter-digitated electrodes. When formaldehyde is present in the atmosphere, oxydation happens near the sensing layer with a high temperature caused by the micro-hotplate and causes a change in the electrical conductivity of the NiO film. Therefore, the measured resistance between the inter-digitated electrodes changes correspondingly. The application of a voltage to the Pt heaters causes the temperature of the micro-hotplate to increase, which in turn enhances the sensitivity of the sensor. The nanometer scale grain size of the sputtered oxide thin film is conducive to improving the sensitivity of the gas sensor. The experimental results indicate that the developed device has a high stability (0.23%), a low hysteresis value (0.18%), a quick response time (13.0 s), a high degree of sensitivity (0.14 Ω ppm⁻¹), and a detection capability of less than 1.2 ppm.

     

水下金刚石绳锯机张力检测系统

介绍了串珠绳张力传感器的主要结构和测量原理,在此基础上,设计出一种新型动静态串珠绳张力检测系统.该系统实现了由应变计组成的电桥测量线路,以及传感器输出信号的处理,并实时传送至显示仪表.该系统能够准确、可靠地测试和显示串珠绳张力状态,有利于提高绳锯机的工作效率.该装置具有良好的防水密封性能和抗振动性能,保证了在水下安全稳定地工作.实际应用表明:该检测系统具有结构简单、操作方便、测量准确度达到0.1 %FS,适用范围为3 000 N以内,能满足工程现场使用要求.     

基于总线传输的锚杆应力传感器研制

针对传统锚杆应力传感器存在的功耗较大、抗干扰能力差、系统繁杂等问题,研制了一种基于RS485总线传输的低功耗锚杆应力传感器.创新性地采用高精度的电阻应变片原理的应力检测元件,显著提高了传感器的检测精度.从器件选型、低功耗运行机制两方面详细介绍了接口EMC电路、DC-DC降压电路、元件供电电路、差分信号放大电路、数码管显示电路、遥控电路、声光报警电路、通讯电路八部分硬件电路设计方案,以及传感器的软件流程.进行了实验室基本性能实验,实验结果表明,传感器具有低功耗高精度的特点,实现了一条总线带载10台的设计需求.     

Fabrication and packaging of MEMS based platform for hydrogen sensor using ZnO–SnO<Subscript>2</Subscript> composites

Thin films of metal-oxide with integrated microheater on micromachined silicon substrate have attracted great deal of interest towards the development of extremely small and highly sensitive gas sensor. Fabrication of MEMS microheater which is the key component for the development of low power gas sensor is reported here. The microheater is fabricated in a novel co planer fashion where the heating element and the inter-digitated electrode are place side by side. The fabricated device is structurally and electrically characterized by SEM and I–V measurements. Using ZnO–SnO₂ composite material, hydrogen sensor was constructed on the microheater platform. A suitable package for encapsulating the fabricated device is designed and the device was successfully mounted on it. The sensing behavior of the packaged sensor is performed by exposing the sensor to hydrogen.     

Stability of partially supported square plates using high precision triangular finite elements

The stability of square plates with partial supports under uniaxial or biaxial uniformly distributed compressive loads is studied using high precision triangular finite elements. Stability parameters are evaluated for both partially simply supported and partially clamped plates for various values of support ratios: limiting values of the support ratios being either fully simply supported/clamped or point supported at the corners/mid-points of the edges.     

基于PIC16F877的瓦斯传感器设计

以PIC单片机为核心,利用PIC单片机引脚少、功能强、可直接带LED负载、低耗能等优点,设计出外围配置简单、明晰,整机可靠性强、抗干扰能力强的高性能瓦斯传感器.在瓦斯传感器的开发中设计了自校准电路和自动补偿软件,使仪器能够自动调整零点,自动补偿检测元件的漂移.这样就可大大延长校验周期,减轻了用户的负担.另外在传感器的设计中采用了红外遥控技术,用遥控器来设置调整参数.     

基于电荷输出型压电传感器的冲击波超压存储测试系统

针对集成电路压电（ICP）型传感器抗振动和抗热冲击性能不足的问题,实验对比了高阻电荷型与 ICP 型压电传感器的抗振动以及抗热冲击干扰性能,发现电荷输出型相比于 ICP 型压电传感器对复杂测试环境有较好的抑制作用。采用电荷输出型压电传感器设计了存储测试装置及其抗振动、防潮的保护外壳。实验表明：设计的存储测试装置能可靠触发,可实现冲击波压力信号的采集、显示和回读。     

新型高灵敏抗冲击集成光学加速度计

提出一种新型基于微环谐振腔的集成光学加速度计,该加速度传感器具有较高的灵敏度(56.6 mV/gn)和良好的抗冲击性能(可达105gn)。介绍并分析了该加速度计的传感理论,建立了微环谐振腔耦合单元模型,通过Matlab软件和时域差分有限元(FDTD)法绘制了波导的模态传输曲线,优化了微环谐振腔的设计参数和微腔与波导的耦合间距,并且利用ANSYS给出了悬臂梁的承受冲击极限。最终,仿真结果与理论分析结果基本一致。该加速度计可为高灵敏抗冲击微光机电系统(MOEMS)传感器提供新思路和理论参考。