微气体传感器微热板的优化设计

基于铂的热敏热阻特性和Si O2的绝热绝缘特性,设计了一种以铂作为电极材料,Si O2作为隔热层和绝缘层材料的微气体传感器的硅基微热板结构。利用有限元分析工具对微热板的基底和电极分别进行了设计和优化,并分析了微热板的热场和磁场分布。当基底设计为前Si O2层、中间Si层、后Si O2层3层结构且厚度分别为25μm、100μm、175μm,加热电极宽度为150μm时,微热板能够获得高且均匀的中心温度。该电极结构有助于消除磁场对测量信号的干扰,提高了传感器的整体性能。     

新型微气体传感器的ANSYS分析与优化

设计了一种新型微气体传感器的结构,并利用有限元分析软件ANSYS对该传感器的基底和电极进行了分析与优化。结果得出:传感器的基底设计为硅杯状基座结构,且在Si O_2绝缘层与硅基座之间另加了Si导热层和Si O_2保护层,加热电极宽度和间距分别为50μm和60μm,此时微传感器的中心工作区域可获得高且均匀的温度分布,同时中心区域的磁感应强度值极小,有利于传感器整体性能的提高。     

一种新型微结构气体传感器电极设计分析

利用铂作为电极材料,SiO2作为隔热层,在单晶硅衬底上,设计了一种新型微结构气体传感器的电极结构。这种共平面型电极结构消除了加热器产生的磁场对测量信号的干扰。通过有限元分析工具分析加热器和信号电极在不同宽度与间距下的温度分布。当加热器宽度为100μm,信号电极宽度35μm,间距为70μm,传感器获得均匀的温度分布和低功耗,有利于传感器整体性能的提高。     

薄膜瞬态温度传感器的制备及性能研究

针对普通温度传感器存在响应时间长、无法快速测量瞬态温度以及薄膜热电偶引线困难的技术难题,研制了一种响应速度快、测量精度高、引线方便的薄膜瞬态温度传感器。采用直流脉冲磁控溅射技术,在嵌入Ni Cr-Ni Si平行电极丝的陶瓷基体端面依次沉积Ni Si功能薄膜和Si O2绝缘保护薄膜。利用自行研制的静态标定系统对薄膜传感器的静态性能进行了研究,结果表明所研制传感器在50~400℃范围内具有良好的线性和热稳定性,塞贝克系数为41.2μV/℃,非线性误差不超过0.05%,改变Ni Si薄膜的厚度对传感器的塞贝克系数影响很小。利用ANSYS有限元仿真和动态标定实验对薄膜传感器的动态性能进行了研究,结果表明所研制传感器的响应时间为μs级,时间常数随着Ni Si热接点薄膜厚度的增加而增大,改变激光脉冲能量对传感器时间常数的影响很小。利用温度检定炉对薄膜传感器进行了测温试验研究,结果表明所研制传感器能够快速响应温度的变化,可为瞬态温度的测试提供有效的方法和技术途径。     

陶瓷微热板阵列式可燃气体传感器

设计了基于陶瓷基底的悬桥式微热板结构以解决硅微热板高温稳定性差的问题。分析了微热板的传热过程,并通过有限元工具对其稳态热响应特性及微加热器电极结构进行了模拟。采用常规微电子技术结合激光微加工技术,实际制作了基底厚度为100μm,桥宽度为2mm的微结构,并对结构的加热功率-温度关系进行了测试。结果表明:热板具有较好的高温稳定性,1.5W加热功率可使板上平均温度达到630℃。将桥式微热板作为阵列传感器的加热平台,Pd掺杂原子数百分比为0.2%和10%的SnO2纳米材料分别作为阵列中两只传感器的敏感膜材料,设计并制作了阵列式气体传感器。传感器在恒电压加热方式下可实现CO或CH4单一模式气体检测;阵列传感器在高、低温脉冲电压加热模式下可实现对CO和CH4两种混合气体的定量检测。     

钛合金表面硅电极电火花强化及其耐磨性能

用硅电极分别在空气和硅油中对钛合金表面进行了电火花沉积强化改性。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、辉光放电光谱仪分析了改性层的形态、结构和成分分布,采用显微硬度计测试了改性层的硬度分布,通过电化学极化曲线和交流阻抗技术测试评价了改性层的耐蚀性,利用球-盘磨损试验机研究了改性层的耐空气环境磨损与耐NaCl水溶液腐蚀磨损性能。研究结果表明:硅电极在空气中电火花强化Ti6Al4V合金表面,形成约40μm厚合金化改性层,主要物相为Ti5Si3、TiSi2、Si和TiN,硬度达2180HK。硅电极在硅油介质中电火花强化Ti6Al4V合金表面,形成约40μm厚的合金化改性层,主要物相为Ti5Si3、TiSi2和TiC,硬度达1810HK。硅电极电火花强化改性层的组成和硬度沿层深均呈梯度变化。硅电极电火花强化改性层显著提高了钛合金基材的抗空气环境干磨损性能,显著提高了钛合金基材的耐NaCl水溶液腐蚀磨损性能。     

谐振面积与电极图案对质量传感器性能的影响

在p型(100)单晶Si基衬底上,利用磁控溅射设备完成直流溅射Mo/Ti布拉格反射层和射频反应溅射AlN压电层,用光刻微加工工艺设计了不同谐振面积与电极图案的Ti/Au上电极,在优化工艺条件下制备了氮化铝基体声波质量传感器,比较分析了不同电极图案和谐振面积对传感器性能的影响。研究表明,电极图案相同时,谐振面积为10 000(100×100)μm2的器件电学性能最好,谐振面积相同时,电极图案为圆形的损耗最小;内角为直角的正方形损耗最大,内角为钝角的五边形损耗居中。     

不锈钢基压电厚膜微悬臂梁传感器的制作与测试

制备了不锈钢基底压电厚膜微悬臂梁传感器。利用精密激光加工技术制备了厚度为100μm的不锈钢微悬臂梁基底,由于不锈钢具有良好的导电性,可以作微悬臂梁传感器的下电极,采用模板辅助电雾化沉积技术在不锈钢微悬臂梁基底上制备了厚度为20μm的致密PZT厚膜,利用磁控溅射技术制备了30/200 nm厚的Ti/Pt上电极,最终形成了压电厚膜微悬臂梁传感器。多普勒激光测振实验表明,在20 V的激励电压下,压电厚膜微悬臂梁谐振频率为19 kHz。     

基于COMSOL的微带电极阵列关键结构优化

为了研究不同特征尺寸对微带电极阵列电化学性能的影响,首先使用COMSOL有限元软件对不同特征尺寸微带电极阵列进行建模,分析了微带电极阵列表面电活性物质的浓度分布与循环伏安性能;然后,利用微加工技术制作了集成有不同特征尺寸微带电极阵列的微流控芯片,在亚铁氰化钾(K_4[Fe(CN)_6])溶液中对微带电极阵列的循环伏安性能进行测试;最后,根据仿真与实验结果推导修正公式,并验证修正公式的可靠性。结果表明,在0.5 mmol/L K4[Fe(CN)6]溶液进行扫速为1 V/s的循环伏安测试时,对于宽度为20μm和10μm的微带电极阵列,间距取40μm可避免屏蔽效应。优化后的结构对设计微带电极阵列具有指导意义。     

高频感应加热膏剂法制备渗铬层的组织与性能

利用高频感应加热膏剂法在Ti6Al4V合金表面制备了渗铬层,对渗铬层的厚度、显微组织、化学成分、硬度、结合强度以及摩擦学性能进行了研究。结果表明:渗铬层厚度可达25μm以上;渗铬后在合金表面形成了由α+β、CrVO3、(Ti0.88Cr0.12)2O3和TiN相组成的渗铬层;渗铬层的化学成分呈梯度分布,距渗铬层表面25μm处的硬度可达850HV,渗铬层与基体实现了冶金结合,明显提高了基体的摩擦学性能。     

MOS型气体传感器加热板的结构优化

针对半导体金属氧化物(MOS)气体传感器功耗大的问题,对加热电极的线宽和间距做了优化,用有限元仿真软件COMSOL对加热板进行模拟分析,并对加热板温度进行测试。为进一步降低功耗,提高温度均匀性,提出在加热电极一侧添加一层电绝缘、热绝缘的包覆膜。对添加不同材料不同厚度包覆膜的加热板进行模拟分析,并用红外热像仪对加热板的温度分布进行测试。结果表明,添加包覆膜可降低功耗,提高温度均匀性,提高传感器响应速率,且包覆膜越薄越好。     

基于MEMS工艺的半导体电阻式气敏元件的研究

介绍了半导体电阻式气敏元件工作原理,设计了一种基于MEMS工艺的薄膜气敏元件结构,此结构以Si3N4/SiO2/Si3N4复合薄膜作为支撑隔热层,蜿蜒状多晶硅作为加热层,梳状Ag电极作为气敏薄膜信号电极,SiO2作为加热层与Ag电极的绝缘层,并在SiO2绝缘层上刻蚀通孔形成加热层与金属互连。该结构具有通用性,对不同气敏特性的材料均适用,且易于改进为组合结构或阵列结构。最后,对其工艺进行了阐述。     

Parylene增强型声表面波传感器及其温度响应

针对声表面波(SAW)传感器对品质因数、寿命和成本的要求,研制了Parylene增强型SAW传感器。根据金属剥离工艺要求,利用LOR剥离胶和AZ5214光刻胶双层胶旋涂工艺制作了梯形结构;在传统光学光刻条件下制作了2μm的超细叉指电极。传感器制作过程利用了MEMS工艺,不仅实现了传感器的微型化,还可以批量化生产,得到的以石英为基底的传感器谐振频率达到249.077 953 MHz。最后在传感器的表面镀制Parylene聚合物薄膜以提高基底温度灵敏度。实验对比了未增强型(未镀Parylene)和增强型SAW传感器(镀Parylene)的温度灵敏度。结果显示:未增强型SAW传感器温度灵敏度为2.048kHz/℃,Parylene增强型SAW传感器温度灵敏度为2.855kHz/℃,比前者提高了0.807kHz/℃,且镀Parylene之后谐振频率变化量与温度具有较好的线性度,线性相关系数达到0.996 15。实验证明,Parlene增强型SAW传感器的性能优于未增强的SAW传感器。     

MEMS面内电热微驱动器中U型梁的分析

介绍了一种单刀双掷面内电热微驱动器。基于U型梁受热膨胀的原理,在电压作用下梁受热变形,推动接触电极和信号电极接触,进而输出信号。分别采用金属镍和氮化硅作为驱动器主体结构和隔离部分的结构材料。利用Coventorware软件对驱动器中U型折叠梁进行有限元仿真,得出折叠梁在温度为300 K、电压为3 V、热臂宽度为2μm时,冷臂宽度和驱动位移、驱动力之间的曲线关系图,进而确定冷臂的宽度为20μm。此时梁的位移为22μm,固定端受力为180 N。最后进行应力校核,梁的最大应力为120 MPa,小于镍的许用应力,具有较高的可靠性。     

一种AIN基热隔离MEMS阵列风速传感器设计

采用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术设计和制作了一种基于氮化铝(aluminum nitride,AIN)基热隔离四阵列热流量风速风向传感器,并同时集成了一个环境温度传感器.在厚度为0.2 mm的AlN基片上通过光刻剥离工艺和激光微加工工艺实现2D微结构风速风向传感器制备.传感器由中间加热器、4个温度探测器和1个温度传感器组成,4个温度探测器之间通过激光微加工刻蚀8个热隔离通孔以减少热传导损失,提高有效热流量交换.通过对传感器的ANSYS仿真及性能测试,验证了设计的合理性及工艺的可行性.分析得出采用热隔离通孔可有效提高4个探测器的灵敏度,降低了加热电极的热传导损失,减小了传感器设计尺寸,提高了设计的集成度.传感器测试结果表明:最大角度差为5°,速度误差小于0.5 m/s.加热功耗为120 mW,响应时间仅3 s.     

可调弧度感应加热装置的设计

钢管内壁滚涂衬塑是提高钢管防腐性能和使用寿命的重要手段之一.为适应不同直径钢管的感应加热需求,本文设计了一种可调弧度的感应加热装置,并进行了电磁场仿真、电磁-热耦合仿真和性能试验.利用Maxwell软件对两种不同绕制方式的感应器进行电磁场仿真分析,发现采用涡状绕制方式的感应器磁场分布更集中;并与ANSYS workbench软件进行电磁-热耦合仿真分析,仿真结果表明该装置能够满足钢管衬塑的加热要求.加热试验和粉末熔融试验表明:在电流为460 A,频率为8000 Hz时,加热装置能在10 s左右将钢管内壁加热至聚烯烃粉末熔融温度,且粉末熔融过程中不产生刺激性气体,塑料层成型良好,满足钢管衬塑加热要求.     

独特谐振模式下薄膜体声波谐振器的设计

计算了四层复合结构的薄膜体声波谐振器(FBAR)的输入阻抗谱,各层采用的材料分别是Al/AlN/Al/Si,其尺寸为0.8 μm/1.9 μm/0.8 μm/100 μm,得出其有效机电耦合系数k²_eff随谐振模式的分布情况,从而得到最大k²_eff的独特谐振模式在1~2 GHz为第40阶谐振模式。从理论上探讨了各层的尺寸及材料属性对该独特谐振模式及其频移的影响,以及串联谐振品质因数FOM等滤波器设计的主要性能参数在该模式下的分布情况。实验结果表明,工作在独特谐振模式下的FBAR的性能依赖于各层材料尺寸,当压电层厚度从0.2 μm变到4.3 μm时,特殊谐振模式频率从1.2 GHz增加到4.8 GHz;当基底厚度变厚时,有效机电耦合系数从3.2%变到0.8%,串联品质因数从2 000变到700;而电极变厚后,有效机电耦合系数趋于一个稳定值。这些数据在实际设计过程中对滤波器的微调具有参考意义。     

基于恒加热功率的热损失型微型流量传感器

相比于传统的流量传感器,微型流量传感器具有体积小、功耗低、对微小流量测量灵敏度高等特点。文中依据传热学原理设计并研制了一种基于恒加热功率的热损失型微型流量传感器系统,用于微流体的流量测量。文中利用数字光刻投影系统(DLPS)加工制作了加热电极和流路通道的模板,选择ITO导电玻璃制作薄膜加热电极和流路基底,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作微型流路的通道,同时借助氧等离子体激活实现ITO导电玻璃与PDMS流路通道的不可逆封装键合。该微型流量传感器系统利用STC12C5A系列单片机对硬件电路进行控制及流量测量结果显示,并借助数字注射泵对流量传感器系统进行了测试和验证。该微型流量传感器可实现10～120μL/min的较精确测量。     

航空液压作动器O形圈静密封性能及可靠性有限元分析

利用ANSYS Workbench软件建立了一个航空液压作动器O形圈静密封数值仿真模型,研究了O形圈在不同压合量、油液压力、温度等条件下的接触压力分布和Mises应力分布,以此得到压合量、油液压力、温度等因素对O形圈静密封性能和使用寿命的影响。结果表明：随压合量、油液压力的增大或者温度的升高,O形圈的最大接触压力和最大Mises应力都增大,密封性能良好但是使用寿命下降。计算了各压合量和油液压力下O形圈的有效密封宽度,并利用有效密封宽度来评价O形圈静密封的可靠性。     

低功耗集成电容式压力传感器设计

采用0.18μm CMOS工艺设计并制造了一种集成压力传感器。压力传感器单元由可移动上电极、介质膜及固定下电极组成,并由牺牲的金属层获得空气间隙。集成接口电路采用反相器替代传统开关电容放大器中的运算放大器,有效降低了电源电压,极大的降低了整体功耗。后期测试结果显示,所设计的集成压力传感器线性度高,温度稳定性好,在1.0 V电源电压下获得11.5 bits有效位数,仅消耗8.9μW功率。