一种新结构硅微机械压阻加速度计

设计、制造并测试了一种新结构硅微机械压阻加速度计.器件结构是悬臂梁-质量块结构的一种变形.比较硬的主悬臂梁提供了一定的机械强度,并且提供了高谐振频率.微梁很细,检测时微梁沿轴向直拉直压.力敏电阻就扩散在微梁上,质量块很小的挠动就能在微梁上产生很大的应力,输出很大的信号.5 V条件下,灵敏度为14.80 mV/g,谐振频率为994 Hz,分别是传统结构压阻加速度计的2.487倍和2.485倍.加速度计用普通的N型硅片制造,为了刻蚀高深宽比的结构,使用了深反应离子刻蚀(DRIE)工艺.     

硅基压电多层膜悬臂梁的偏转模型和优化设计

利用压电多层膜悬臂梁的形变曲率半径,导出了简洁的压电悬臂梁型微执行器的偏转模型.采用此模型,对硅基PZT压电悬臂梁型微执行器进行了模拟和分析.分析获得了各层薄膜结构参数与微执行器偏转位移的关系.根据此分析结果,进一步优化了压电悬臂梁型微执行器的设计,并给出了优化的方法.     

基于FBG的新型加速度计研究

设计了一种新型的差动式光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)加速度计,论述了其传感结构的设计原理、理论分析和有限元仿真。文中设计的主梁与微梁相结合的差动结构形式,克服了传统悬臂梁结构FBG加速度计存在的固有频率与灵敏度相互制约的矛盾,提高了固有频率和灵敏度。同时,为了解决单悬臂梁结构加速度计存在的温度补偿问题,设计了差动式光学检测系统,使该加速度计的灵敏度较传统单悬臂梁结构提高了一倍。理论分析结果表明,该加速度计灵敏度可达到52.7pm/gn,固有频率250Hz。实验结果表明,该结构提高了加速度计的灵敏度,有效解决了FBG加速度计应变和温度交叉敏感问题,实验结果与仿真数据具有很好的一致性。     

一种电容式微加速度计的结构设计和工艺仿真

微硅电容式加速度计是目前微硅加速度传感器发展的主流,本文在硅-玻璃阳极键合工艺同深槽刻蚀工艺相结合的加工技术基础之上设计了一种电容式微加速度计,该结构将两种改变平行板电容量的方式有效的结合在一起,提高了结构的灵敏度并具有较好的线性度.最后,对所设计的结构进行了工艺仿真,通过虚拟工艺仿真结果与设计进行比较,论证了结构的基本可行性.     

一种低噪声MEMS加速度计设计与制作

为了提高微加速度计的噪声性能,研究了一种基于绝缘体上硅(SOI)技术的单轴MEMS加速度计的设计和加工方案。该微加速度计采用大面积质量块的电容式检测结构,通过增加检测质量,在保证灵敏度的前提下,有效地降低了微加速度计的机械布朗噪声,增强了信噪比。另外,该微加速度计采用一种基于Al保护层的MEMS SOI工艺技术制造,有利于提高微加速度计的整体精度水平。测试结果表明:微加速度计的本底噪声为20μgn/√Hz,灵敏度为2.5 V/gn。     

压电微悬臂梁气体传感器静态弯曲模型的研究

压电微悬臂梁是一种灵敏度高、尺寸小的生化传感器.分子或原子在压电微悬臂梁功能化表面的吸附会引起悬臂梁的静态弯曲,通过静态变形可以得到微悬臂梁的表面应力.将表面应力引起的微悬臂梁中性层位置的变化引入建模过程,并与能量法相结合,建立了压电微悬臂梁在单分子层吸附稳定后的静态弯曲理论模型.结果发现在相同吸附表面积和吸附量条件下...     

一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析

为提高谐振式加速度计灵敏度、稳定性以及减小加速度计体积,本文提出一种结构新颖的谐振式硅微加速度计。采用一级微杠杆机构对质量块惯性力进行放大,通过一对差动布置的双端固支音叉谐振器的固有频率变化检测惯性力,从而实现对加速度的测量。该加速度计可采用体硅加工工艺,给出了总体工艺流程。采用解析和有限元分析方法对加速度计敏感元件进行了分析,有限元分析结果与解析分析结果相吻合,有限元分析可得加速度计灵敏度为57.4 Hz/gn。分析结果表明该加速度计结构具有高灵敏度、高温度稳定性和小体积等优点。     

高灵敏集成光学加速度计的优化设计

针对基于光弹效应的集成光学微腔悬臂梁式加速度计难以同时实现高灵敏度和高抗冲击性的问题,提出增加光学微腔周长的方案。经过详细的理论分析得出:通过增加微腔周长可以有效地增加惯性力下微腔谐振点波长偏移量,提高探测灵敏度。设计了多回路长直跑道型微腔结构,在100μm×600μm悬臂梁区域内集成出周长达5297μm的硅微谐振腔。利用MEMS工艺制作出所设计的微腔结构,测试品质因数达105。该结构应用于加速度等传感器中,在不减小传感器抗冲击性和量程的前提下,能有效提高探测灵敏度。     

梯形变截面悬臂梁式微质量传感器设计与分析

针对微小集中质量测量问题,提出并制备了一种梯形变截面悬臂梁式微质量传感器,建立了梯形变截面悬臂梁式微质量传感器的振动分析模型。采用有限元方法求解其振动控制方程,获得了微质量传感器的灵敏度。仿真分析结果表明,相对于等截面矩形悬臂梁式微质量传感器,单层压电和双层压电结构的变截面悬臂梁传感器的灵敏度分别提高了127.00%和263.00%。采用线切割工艺,加工制备了单压电层梯形变截面结构的微质量传感器并对传感器进行了实验测试,在误差允许范围内,仿真结果与实验结果基本一致,验证了采用梯形变截面悬臂梁式结构可以有效的提高传感器的灵敏度。     

HEMT微加速度计的结构优化设计

为满足HEMT微加速度计的高结构灵敏度和输出灵敏度的要求,对微加速度计的弹性结构进行了优化设计,得到一种全新的微加速度计折梁结构.利用ANSYS有限元分析软件对加速度计原结构和新结构进行仿真,通过计算和分析比较,结果表明:优化后加速度计结构合理,满足设计目标,新结构的结构灵敏度提高了1个数量级,输出灵敏度比之前增大了3倍.     

虚拟环境中微加速度传感器建模及拟实运行

对虚拟环境中微加速度传感器建模及拟实运行进行了研究.此微加速度传感器采用悬 臂梁式结构.论文分析了其静态特性和动态特性,建立了悬臂梁变形模型和微加速度传感器动 态行为模型;讨论了在修改结构尺寸过程中,梁长、梁厚对微加速度传感器的影响,并优化了结 构参数;最后建立虚拟环境,进行拟实运行,验证设计结果.     

不同安装方式对压电加速度计灵敏度的影响

灵敏度是压电加速度计的主要参数,不同的安装方式会对其灵敏度造成一定的影响。在理论推导的基础上,采用试验方法验证了不同安装方式对压电加速度计灵敏度的影响,对压电加速度计的使用提供指导。     

压电加速度计的幅值非线性度研究

长期研究分析压电加速度计冲击试验的大量测试数据 ,找出了一个描述压电加速度计幅值非线性度的数学公式 ,并根据该公式可推算出压电加速度计量程内的任一加速度时的电荷灵敏度 ,该方法较用最小二乘法计算的幅值非线性度方便、简单 ,且更符合压电加速度计的真实特性     

A piezoelectric micro-cantilever bio-sensor using the mass-micro-balancing technique with self-excitation

A biosensor was developed for using in a Lab-On-a-Chip (LOC). The sensor detects the change in the resonance frequency of a micro-cantilever with a piezoelectric film. This is the mass micro-balancing technique, which has been successfully used for detecting bio-materials in the quartz crystal microbalance (QCM). The PZT film, a piezoelectric film, is designed to act as both sensor and actuator. The geometry of the micro cantilever is optimized to maximize the sensitivity and minimize the environmental effects such as viscous damping and added mass effect in liquid. The fabricated sensor is composed of a 100 μm long, 30 μm wide, and 5 μm thick cantilever with a 2.5 μm thick piezoelectric (PZT) layer on it. The ratio of thickness to length of the micro cantilever is very high compared to others in micro cantilever-based studies. This high aspect ratio is the key to maximize the sensitivity and minimize the environmental effects. The fabricated micro sensor was tested by detecting the mussel gluing protein, the insulin-anti insulin binding protein and the poly T-sequence DNA.     

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

Surface micromachined piezoelectric accelerometers (PiXLs)

The design, fabrication, and characterization of surface micromachined piezoelectric accelerometers are presented in this paper. The thin-film accelerometers employ zinc oxide (ZnO) as the active piezoelectric material, with different designs using either polysilicon or ZnO bimorph substrates. Sensitivity analyses are presented for two specific sensor designs. Guidelines for design optimization are derived by combining expressions for device sensitivity and resonant frequency. Two microfabrication techniques based on SiO₂ and Si sacrificial etching are outlined. Techniques for residual stress compensation in both fabrication processes are discussed. Accelerometers based on both processes have been fabricated and characterized. A sensitivity of 0.95 fC/g and resonant frequency of 3.3 kHz has been realized for a simple cantilever accelerometer fabricated using the sacrificial SiO₂ process. Sensors fabricated in the sacrificial Si process with discrete proof masses have exhibited sensitivities of 13.3 fC/g and 44.7 fC/g at resonant frequencies of 2.23 kHz and 1.02 kHz, respectively     

Piezoelectrically actuated tunable capacitor

This paper describes the design, fabrication, and characterization of the first MEMS piezoelectric tunable capacitors employing zinc oxide (ZnO) actuation. Relatively simple design rules for the device-structure optimization for largest deflection are shown from simulation results based on theoretical equations. The ZnO-actuated tunable capacitors are accordingly designed and fabricated with both surface and bulk micromachining techniques. Through the surface micromachining process, sacrificial silicon is removed with XeF/sub 2/, and parylene is successfully used as a supporting layer for a piezoelectric unimorph cantilever. For comparison, other two different structures using plasma-enhanced chemical-vapor deposition (PECVD) SiN and SU-8 as supporting layers are also fabricated. Deflection analyses are performed for three specific structures, among which the parylene-supported one is demonstrated to have the largest displacement and most suitable for tunable capacitor application. For bulk-micromachined tunable capacitor, we have implemented a novel design of a large structure driven by a ZnO unimorph, and obtained a tuning ratio of more than 21:1 (0.46 pF-10.02 pF). This is the highest tuning ratio reported to date for parallel-plate tunable capacitors while requiring an applied voltage of only 35 V.     

采煤机无线监测装置压电换能元件参数匹配分析

考虑到压电自供电装置中压电振子的几何参数直接影响其共振频率,从而影响压电自供电装置的发电量,因此需要根据环境激励频率设定最佳的压电振子的几何参数,对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究,通过理论分析、仿真以及实验方法对对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行研究.研究结果表明:悬臂梁自由端的质量块质量以及悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低;随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大.以此为依据对采煤机不同监测位置的装置选取最佳匹配的压电结构几何参数,并通过采煤机工作状态监测实验验证了本文研究的压电自供电无线监测装置的可行性.     

基于无线传感器网络的压电能量收集技术

随着物联网的发展,多节点的传感器供电成为关键问题,由于环境中普遍存在低频振动,采用了压电悬臂梁结构,建立压电悬臂梁结构的电学模型,并进行了ANSYS的仿真,仿真得到电压76 V,约等于模型的理论值,验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响,振子越长,质量块越长,频率越低。从而收集低频振动环境中的能量,为传感器供电装置提供了设计的理论依据。