一种基于模态局域化的MEMS电场传感器设计与分析

为提高传感器的灵敏度和分辨力,设计了一种灵敏度可调节的基于模态局域化效应的谐振式MEMS电场传感器敏感结构。传感器敏感结构采用静电耦合的三自由度谐振器微结构方案,并可实现灵敏度调节,从而获得最佳灵敏度。通过理论计算和有限元仿真计算,分析了传感器的模态局域化敏感机理,确定了传感器幅频特性、灵敏度、分辨力等关键特性。计算结果表明满足设计目标。     

三自由度弱耦合谐振式微质量测量传感器

为了实现对微小质量的测量,本文提出了一种基于模态局部化效应三自由度弱耦合谐振式微质量传感器,建立3个谐振器的运动方程式,获得质量扰动的系统方程,建立了三自由度耦合谐振系统的MATLAB/SIMULINK模型,得出幅值比变化相对于振幅变化和谐振频率变化来说具有最高的归一化灵敏度.最后进行传感器设计和微加工,搭建质量测量系...     

谐振式MEMS压力传感器的设计与分析

提出一种基于静电激励/压阻检测的硅微谐振式压力传感器,该器件采取面内动平衡的振动模式,为了抑制压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度变化,在谐振器固定端设计了悬置扭转结构。根据对传感器数学模型的分析与建立,并利用MEMS有限元仿真软件对传感器在0～120 kPa范围以及全范围过压1.5倍下进行模拟分析与仿真验证,初始频率为24.01 kHz,传感器灵敏度达18 Hz/kPa。利用硅-硅键合技术实现压力传感器的真空封装,并通过TSV通孔技术将传感器与电路芯片进行三维混合集成封装。     

模态局部化传感器研究进展

模态局部化现象由诺贝尔奖获得者ANDERSON于1958年发现,对理解在紊乱固体中的电子传递过程具有重大意义,是固态物理领域的重要发现。近些年,模态局部化现象开始应用于传感器设计。模态局部化传感器以不同谐振器之间的幅值比作为输出量纲,实现了超高灵敏度的测量。揭示了振幅比与振动系统结构之间的关系,解释了如何提高模态局部化传感器的灵敏度。并通过典型的模态局部化传感器设计案例,给出了模态局部化传感器的设计规则。     

振筒式压力传感器弹性元件结构设计与分析

利用有限元分析软件ANSYS对振筒式压力传感器弹性元件——谐振筒进行了动态特性仿真分析,建立了谐振筒的参数化模型,基于模态分析选定合适的工作振型,重点利用谐响应分析讨论了谐振筒品质因数的影响因素。研究表明,当谐振筒的基模态为（4,1）模态时,品质因数随谐振筒外半径、有效长度以及壁厚的增加而减小,而工作时作用于谐振筒的激...     

参数化方法在微机械谐振器设计中的应用

从理论上分析了微机械音叉谐振器的机械力学特性,给出了活动梳齿的工作模态频率解析解,提供谐振器结构设计的依据.利用基于MAST语言实现的MEMS宏模块建立微谐振器系统级通用参数化仿真模型,为验证外围电路提供了基础.事例仿真结果与理论模态分析相一致,验证了模型的有效性.通过减少梁固接端弹性系数、合理安排激励电极能抑制一阶模态扰动.工作模态谐振频率对结构参数的敏感性分析为优化谐振器性能提供基础,使工作模态远离其它高阶模态.敏感性仿真表明在横向振动微谐振器中,工作模态谐振频率随梁长的增加而减小;随梁宽的增加而增大;结构层厚度对横向振动频率没有影响;梳齿部分所有参数的变化造成频率的相反变化.     

硅微谐振压力传感器自动增益控制与相位补偿研究

硅微谐振压力传感器检测信号的幅值稳定性与频率跟踪性对其性能至关重要,但目前幅值控制与频率跟踪方法的非线性特征会造成谐振器振动频率的非线性变化,限制了传感器综合精度的进一步提升。为降低谐振器振动频率非线性变化的影响,基于自动增益控制(Automatic gain control,AGC)的线性化分析理论,建立高Q值硅微谐振压力传感器自动增益控制和相位补偿模型,分析AGC幅值控制和频率跟踪线性化的控制特性,以及相位补偿对闭环控制性能的影响。基于自动增益控制(AGC)的自激驱动被证实可使谐振器稳定工作于谐振频率,且保持幅值稳定,通过Simulink/PSpice建模仿真,验证非线性系统线性化分析的准确性。同时基于自动增益控制与相位补偿模型设计与制作的硅谐振压力传感器控制电路,经测试可使整表频率稳定性优于±0.05 Hz@采样周期5 ms,综合精度优于±0.02%FS,实现自动增益控制在谐振压力传感器的工程化应用,解决了谐振器频率跟踪非线性引起的传感器性能下降问题,可广泛应用于高Q值谐振器闭环控制。     

应用石英音叉谐振器的智能温度传感器

为了实现高精密温度测量,设计了高性能数字温度传感器,该传感器由石英音叉谐振器,数字接口电路和基于现场可编程门阵列的传感器重置控制算法构成。依据石英晶体压电效应原理,对石英音叉谐振器的热敏切型和电极设置进行了研究;基于力学振动原理,导出石英音叉谐振器弯曲振动模式的微分方程;讨论了谐振式温度传感器的工作原理,提取出石英音叉温度传感器的特征参数并进行了非线性误差分析;采用光刻和侵蚀技术加工制作了石英音叉谐振器。该传感器的频率输出信号通过数字接口进入现场可编程门阵列,通过重置控制算法实现传感器的重置和现场自动校验。实验结果表明,在-20 ~140 ℃,该传感器的灵敏度可达65×10^-6/℃,测温分辨率为0.001 ℃,响应时间为1 s,测温精度为0.01 ℃。     

硅微机械音叉式谐振器

应用体硅微机械加工技术,制作了一种双端固定音叉式谐振器。它在音叉的两个臂上连接了梳齿电容结构,用来驱动音叉臂在硅片平面内侧向、反相振动,同时检测音叉的振动频率。当驱动力的频率等于音叉的固有频率时,音叉产生谐振。此时,检测梳齿电容输出的电流最大。用有限元方法对谐振器进行了模态分析和结构优化。音叉臂长800μm,宽5μm,梳齿电容齿长25μm,结构层厚度为80μm,在30V交流电压激励下,测得其谐振频率为25kHz。当音叉受到轴向力的作用时,音叉的固有频率会发生变化,根据这一原理,设计了谐振式加速度计。用有限元分析软件对加速度计工作情况仿真,估算其灵敏度约为2Hz/g。这种音叉式谐振器结构和工艺简单,性能可靠,成本较低,对于进一步研究微机电系统谐振器件具有重要意义。     

硅谐振式压力传感器敏感结构设计与仿真

根据双端固支梁的谐振频率求解,以及方形膜片在压力下形变和应力的理论分析,设计了一个基于梁-膜结构硅谐振式压力传感器敏感结构的模型。对该模型进行ANSYS仿真,得到它在1个大气压下的总形变和应力分布,以及前六阶的振动模态。比较方形膜片和长方形膜片下敏感结构的仿真结果,得出相同面积下长方形膜片的灵敏度更高,检测时非线性误差更小。通过对不同厚度硅梁与硅膜下敏感结构的仿真,最终设定硅膜与硅梁的厚度分别为50μm和10μm。该传感器主要用于航空仪器仪表中对大气压的高精度检测。     

差动式石英谐振力传感器

】利用ＡＴ切型的厚度剪切石英晶体谐振器沿不同方向施加外力时,将会获得不同的灵敏度这一特点,本文研究了一种新型的差动石英谐振式力敏传感器。将两个同频率的敏感石英谐振器以对称简支方式固定在传感器内,使外力分别沿两个敏感谐振器的ｘ轴和ｚ′轴作用,产生两个方向相反的频率变化,通过电路混频,形成差动输出。分析结果表明,采用这种差动方式将使传感器性能得到明显提高。     

便携式硅谐振式压力传感器数据采集系统

针对硅谐振式压力传感器的使用需要,设计了一种基于FPGA平台的便携式数据采集系统。在分析传感器工作原理的基础上,提出使用等精度测频法实现对传感器输出信号的高精度采集,并搭建了基于LabVIEW的自动测试平台。通过与标准频率计对硅谐振式压力传感器进行的对比测试表明,系统平均相对误差优于0.001%,能够满足使用需要,且大幅了减小系统体积,为智能化传感器和压力测量系统的搭建开发提供了平台。     

新型MEMS质量传感器的研究

研究了一种新型MEMS质量传感器的设计、仿真与制造.这种用于流体中微小分子质量检测的MEMS器件,具有高度对称的中空圆盘结构,以谐振的方式工作于简并/解并模态,能在测量时实现对环境波动的自我补偿.器件的中空腔内可以流过被测流体,腔外的真空环境使得圆盘谐振器受到更小的阻尼.利用ANSYS对圆盘在质量吸附前后的模态及频率分裂进行仿真,计算结果显示对质量的测量灵敏度达pg量级.采用MEMS双牺牲层工艺方法成功制作出具有双层结构的空心圆盘谐振器.     

SiO_2-Si_3N_4-SiO_2复合梁谐振式压力传感器结构设计与分析

提出了一种采用SiO2-Si3N4-SiO2复合谐振梁结构的谐振式压力传感器。采用有限元分析技术分别对谐振梁和传感器芯片结构进行了电热分析、模态分析以及谐响应分析,最后对SiO2-Si3N4-SiO2复合梁谐振式压力传感器的工艺进行了探讨,表明通过多晶硅牺牲层技术能更好地得到Si O2-Si3N4-Si O2复合谐振梁,具有良好的选频特性。     

SOI压阻式压力传感器敏感结构的优化设计

为提高SOI压阻式压力传感器的灵敏度,对传感器敏感结构的弹性膜片和压敏电阻的形状、尺寸等结构参数进行了优化设计。利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析软件对优化后的敏感结构进行了静力学仿真与分析,完成了敏感芯片的制备和加压测试,测试结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为5.98 m V/(V·bar),较原结构输出灵敏度提高了1倍,非线性误差小于0.096%。     

使用机械谐振器的精密力传感器

<正>本文是叙述某种对称"双端谐振器音叉"谐振器的原理和特性(铁镍合金的机械型式石英晶体蚀刻型),以及将它们的做为压力传感器的运用。其温度系数和漂移非常小,输出信号——频率很容易测量准确。经微处理器线性化传感器特性——对铁镍合金型传感器线性在量程的0.001%之内。概论机械谐振器式的传感器早已被用于各种场合(Halford, 1964; Paros, 1973);它有着极好稳定性,很小的漂移或滞后,以及易于数字化输出(即,频率)——传感器的特性曲面很容易使用微处理器实现线性化。由于谐振频率是随加至轴向的力     

介质隔离高精度 MEMS 谐振式压力传感器

为满足液体、气体多种介质中高精度压力测量要求,本文设计了一种介质隔离的高精度微机械电子系统(MEMS)谐振式压力传感器。为降低充油封装过程中压力传递损耗以及非线性问题,本文对波纹膜片的结构参数进行了仿真优化并确定了适合传感器芯体的膜片参数。采用MEMS加工工艺和真空微量充灌方法,完成了MEMS谐振式压力传感器芯体制作与充油封装。利用双谐振器压力、温度多参数协同敏感方法,在不外加温度传感器的条件下实现了温度自补偿。测试表明,封装后的传感器在-55℃～85℃工作温度范围内,准确度优于±0.01%FS、迟滞性误差优于0.006%FS、非线性误差优于0.003%FS、重复性误差优于0.008%FS。     

石英谐振式力传感器及其稳定性的研究

介绍了一种高精度石英谐振式力传感器,对敏感器件——谐振器、膜片及力传递系数进行了研究、设计与计算,从理论到实验对传感器的稳定性进行了研究,指出增加谐振器厚度及改善谐振器支撑条件均可提高传感器的稳定性和临界载荷。     

基于自停止腐蚀技术的H型谐振式微机械压力传感器

为了提高压力传感器的精度并抑制温漂,提出了一种基于自停止腐蚀技术的“H”型双端固支梁、电磁激励、差分检测的微机械(MEMS)谐振式压力传感器.首先,通过有限元分析仿真优化了传感器的机械参数,得到了较高的灵敏度和分辨率.然后,基于浓硼扩散自停止腐蚀原理,采用MEMS体硅标准工艺加工出一致性较好的传感器样品.最后,采用非光...     

基于柔性铰链机构的谐振式微加速度计设计制作

为设计制作高灵敏度、高稳定性的谐振式微加速度计,基于微制作工艺,采用柔性铰链机构和双端固定音叉谐振器设计了微加速度计结构;分别用解析法和有限元方法分析了加速度计的理论灵敏度,同时进行了谐振器结构优化设计;根据检测原理设计制作了测试用电路板,给出了开环谐振频率测试结果以及闭环时加速度测试结果。测试结果表明所设计的谐振式加速度计工作稳定,灵敏度约为55.03Hz/g,分辨力约为182×10-6g。