MEMS传感器现状及应用

MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEMS压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEMS传感器的发展趋势进行了展望。     

应用于流动控制的MEMS传感器和执行器

出现于20世纪80年代后期的微机械技术可以制作出微米尺度的传感器和执行器。这些微器件与信号调节和处理电路集成后,组成了可执行分布式实时控制的微电子机械系统(MEMS)。这种性能为流动控制研究开辟了一个崭新的研究领域。利用MEMS技术设计和制作了一种传感器和一种执行器。实验证明,采用体硅腐蚀的工艺制作微流体器件是可行的,同时可以避免牺牲层腐蚀和释放的复杂工艺。     

高分辨率MEMS纤毛式湍流传感器

国外的剪切流传感器已经趋于成熟,但仍存在测试信息量单薄、空间分辨率不高和价格昂贵的缺点。提出了一种新型高分辨率微电子机械系统(MEMS)湍流传感器,通过MEMS工艺的微结构实现湍流传感器的高分辨率探测,同时凭借Parylene真空气相沉积技术来实现传感器在海中的绝缘性和抗腐蚀性。经过5～45℃的高低温循环实验,验证了MEMS湍流传感器在复杂环境中的可靠性,并通过实验测量得到电压形式的湍流数据。     

电阻悬浮的MEMS热膜式气体流量传感器设计

设计了一种新型电阻悬浮结构的热膜式气体流量传感器,具有测量精度高、灵敏度好、抗压能力强、微加工工艺简单等特点。采用ANSYS软件对传感器芯片在不同流速下的温度场进行了有限元仿真,得出了上下游温差与流速的关系曲线。通过比较热膜电阻非悬浮与悬浮时的导热损失和压力分布,得到了将热膜电阻悬浮的流量传感器的性能要优于一般传感器的结论,其灵敏度为一般传感器的3.6倍。分析表明,传感器的响应时间仅为0.17 ms,比一般传感器快了好几倍;流速在0～0.5 m/s和0.5～2.5 m/s时,传感器输出信号都有较好的线性度,使其能够应用于小流量和大流量的测量当中;流道高度为150μm时,流量为0～2.7 L/h。根据工艺条件和仿真结果,确定了传感器芯片的结构尺寸和微加工工艺流程。     

一种基于微熔技术的MEMS大量程压力传感器北大核心

基于半导体硅的压阻效应,研制了一种MEMS大量程压力传感器。为了实现大量程压力测量,采用了不锈钢材质制作了压力敏感膜片。利用有限元分析软件对传感器敏感芯体进行了结构建模仿真分析和优化设计。采用玻璃微熔技术将敏感电阻粘结固定在不锈钢敏感膜片上。利用成熟的微电子机械系统（MEMS）加工工艺,完成了可以在高温下工作的绝缘体上硅（SOI）敏感电阻的制作。采用激光焊接方法将敏感芯体焊接到传感器基座上,提高了结构的机械强度。信号调理采用了压力信号专用集成电路（ASIC）,具有高精度的放大和温度补偿功能。完成了整体封装和调试后,对压力传感器的主要性能指标进行了测试,结果表明压力传感器的工作温度为-55～150℃,压力量程0～42MPa,精度〈0．5％。     

高温MEMS薄膜热流传感器研究进展

对可用于高温环境的MEMS薄膜热流传感器(TFHFS)的测量原理、结构设计、材料成分以及制造技术进行了简单阐述,分别介绍了半无限几何、热阻式、热电堆和横向热电效应型TFHFS的结构特点和应用优势。归纳讨论了国内外科研团队研制的各种TFHFS的量热法、传感方式、结构、材料以及测量模式,按照热敏材料分为金属和合金型、陶瓷和新型聚合物衍生陶瓷型两类,重点关注TFHFS的高温稳定性、响应时间、灵敏度等性能。最后,总结了目前TFHFS面临的技术难题和发展趋势,可为应用于更严酷环境的高温薄膜热流测量技术提供参考。     

MEMS智能传感器技术的新进展

CMOS和MEMS结合所产生的MEMS智能传感器技术已成为智能传感器发展的主流,目前智能时代的开启已带动MEMS智能传感器技术进入快速发展阶段。综述了惯性、压力、温度和生化等典型的MEMS智能传感器,展现了MEMS智能传感器的应用需求、技术特点、传感器新材料和新结构、电子学新架构、设计拓扑、关键技术突破和测试结果。同时也对MEMS智能传感器的工艺和封装技术的最新进展进行了陈述。从设计、工艺和封装等方面分析了当前MEMS智能传感器总的发展趋势,并提取了主要技术创新亮点。     

基于纳米裂纹的MEMS二维风速风向传感器

风速、风向信号的采集在工业、医疗与气象等领域具有重要意义。研发了一种基于纳米裂纹的微电子机械系统(MEMS)二维风速风向传感器。利用纳米裂纹超高灵敏度的优点,设计了纤毛-悬臂梁结构用于风速、风向信号采集。通过有限元数值仿真分析确定传感器的纤毛直径、高度和悬臂梁长度等结构参数。然后,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底制备、聚酰亚胺粘附、金薄膜沉积、金薄膜图案化以及纳米裂纹工艺流程制备了纳米裂纹金薄膜。采用该纳米裂纹金薄膜,利用MEMS工艺技术制作了基于纳米裂纹的MEMS二维风速风向传感器,并通过自主研制的测试平台测试了传感器的风速和风向性能。实验结果表明,制备的二维风速风向传感器能够稳定测量2～7 m/s的风速信号,并具有误差不超过15°的风向识别能力。     

高灵敏度Si基纤毛式MEMS湍流传感器

为了满足湍流探测高灵敏度、高分辨率的要求,提出了一种新型纤毛微电子机械系统(MEMS)湍流传感器。基于MEMS技术制作了硅十字梁敏感受力结构,通过橡胶探头的受力振动传递水中的湍流信号,凭借传感器头部的导流罩来保证传感器的高分辨率探测。对MEMS湍流传感器进行理论和仿真分析,其一阶共振频率达到481.04 Hz。经过海洋环境模拟机测试实验,结果显示其在50 MPa压力下保持了完好的结构和良好的性能,验证了其水下的可靠性。在湍流实验平台进行测试,通过比较标定法得出其灵敏度为1.92×10^-4 V·m·s^2/kg,满足海洋湍流测试要求。     

一体化仿生结构压电MEMS水声传感器

为了实现水声传感器的低能耗、高灵敏度以及低成本批量制造,设计并制备了一种四螺旋梁集成拾振微球的一体化仿生压电微电子机械系统(MEMS)水声传感器.根据水母耳石触觉结构和水母身体回弹发电原理对该传感器进行仿生结构设计,并通过建模仿真确定其几何尺寸.利用溶胶-凝胶法制备了PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT)压电薄膜...     

微型化FAIMS气体传感器的制备与测试

依据高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)原理,设计了一种迁移区和收集区一体化式的微型化FAIMS气体传感器.电离区采用能量为10.6 eV的紫外灯对异丁烯气体进行电离,迁移区和收集区采用微电子机械系统(MEMS)工艺进行制备,将图形化后的硅片和硼硅玻璃通过阳极键合工艺制备成一体化的传感器,传感器尺寸为3 mm×4 m...     

基于SOI的MEMS高温压阻式压力传感器

基于高温环境下压力实时监测的广泛需求,设计并制备了一种最大量程为1.5 MPa的绝缘体上硅(SOI)压阻式压力传感器.根据压阻效应原理和薄板变形理论,完成了传感器力学结构和电学性能的设计,采用微电子机械系统(MEMS)加工工艺完成了敏感芯片的制备,并使用了一种可耐300℃高温的封装技术.实验中采用了常温压力测试平台和压...     

基于MEMS技术的颅压监测传感器的设计与制备

颅内压力的监测对颅内疾病的诊断和治疗有重要的作用,基于硅的压阻效应,设计了一种可用于人体颅内压力监测的植入式压力传感器。根据压阻效应原理和薄板变形理论,完成了颅压传感器力学结构和电学性能的设计,然后采用微电子机械系统(MEMS)加工工艺完成了敏感芯片的制备,并提出了一种具有生物兼容性的绝缘封装结构。同时搭建了绝缘性测试平台和性能测试平台,通过测试证明封装后的传感器具有良好的绝缘性和抗渗透能力,且其灵敏度可达到1.608 mV/kPa,可对颅压的变化做出响应,为颅压传感器的批量化生产奠定了研究基础。     

一种新型MEMS压阻式SiC高温压力传感器

提出采用SiC材料来构造特殊环境下使用的MEMS压阻式高温压力传感器。分析了国际上特种高温压力传感器发展的主流趋势和技术途径,根据该领域应用需求、SiC材料特点和成本的多方权衡,开发了压阻式SiC高温压力传感器。通过理论模型结合ANSYS软件进行敏感结构的仿真和设计,解决了SiC压力传感器加工工艺中材料刻蚀、耐高温金属化、敏感电阻制备等关键技术难点,最终加工形成SiC高温压力传感器芯片。经过高温带电测试,加工的SiC压力传感器能够在550℃的环境温度下、700 kPa压力范围内输出压力敏感信号,传感器非线性指标达到1.054%,芯片灵敏度为0.005 03 mV/kPa/V,证明了整套技术的有效性。     

MEMS心音传感器及检测电路优化设计

对基于微电子机械系统(MEMS)技术的心音传感器声敏结构进行了优化且设计了其检测电路。首先,针对心音信号的特点,设计了二次集成的扁平状仿生纤毛结构,对该结构进行仿真,确定了纤毛的尺寸参数和梁上最大应力1.2×10⁵ N/m²,对纤毛进行特征频率仿真,在硅油域中结果为711 Hz;其次由扁平状纤毛结构X轴接收噪声时梁上的应力仿真结果可知该结构具有抗干扰能力;最后设计了后端的放大电路和滤波电路并对传感器封装后进行测试。测试结果表明,该结构的信噪比达到了27 dB,较传统的圆柱形纤毛提高了35%,且其抗干扰能力也优于传统的圆柱形纤毛。优化过后的MEMS心音传感器具有抗干扰、低噪声、低成本、采集的信号不失真等优势,可为临床心音信号的采集提供关键核心部件。     

用于植保无人机的MEMS热式风速传感器的研制与应用

针对传统农用植保无人机(UAV)在喷洒作业过程中受环境风速影响造成的农药飘移及喷洒效率低等问题,研制了一种可应用于植保UAV的大量程柔性微电子机械系统(MEMS)热式风速传感器.该传感器选用聚酰亚胺(PI)作为柔性衬底材料,金属铂(Pt)作为热敏电阻材料,利用磁控溅射技术、电镀和光刻工艺等MEMS制备工艺完成了带空腔的...     

MEMS微型气相色谱分离柱结构的研究进展

气相色谱分离柱是色谱系统的重要组件之一,采用MEMS技术制作的微型气相色谱分离柱与传统分离柱相比,因其具有较小的平面二维结构和快速分离混合物的能力而备受青睐。对MEMS微型气相色谱分离柱结构的研究进展进行了综述,将硅基底材料制作的分离柱结构分为螺旋型、直线型、蛇型和阵列型,重点从组分分离时间、分辨率和理论热塔板数等方面对微型色谱分离柱的各种结构进行了综合分析和比较,并介绍了新兴工艺制作的镍基底、聚合物基底和PECVD薄膜基底的微型气相色谱分离柱。     

磁性MEMS传感器制备技术及生物传感应用研究进展

对磁性传感器件的微电子机械系统(MEMS)加工技术以及在生物医学检测方面的应用进行了简单阐述,分析了磁性生物传感技术的工作原理,重点介绍了巨磁阻抗(GMI)、巨磁阻(GMR)和微磁通门传感器的MEMS制备工艺,其中详述了磁性传感器的材料、几何尺寸、结构以及基底对其性能的影响,总结了磁性生物传感器在生物检测中的研究进展,重点阐述了磁性生物传感器在磁性标签、癌症标志物、食源性细菌、病毒以及细胞检测方面的应用。最后,对当前磁性生物传感器在生物医学检测领域面临的问题进行了简要分析,并对磁性生物传感器未来的应用前景进行了展望,以期为研发新一代可用于临床检测磁性生物检测系统打下良好的基础。     

高精度MEMS硅谐振压力传感器闭环控制系统

硅谐振压力传感器因其数字频率信号输出和高精度的特点,被广泛应用于航空航天、工业控制等领域。硅谐振压力传感器的闭环控制系统决定硅谐振压力传感器的性能指标,系统的稳定性分析和参数优化则是谐振传感器的研究难点。基于系统状态方程从理论上推导了控制策略,提出系统稳定性判定依据。利用Simulink仿真搭建系统模型,并通过电路测试验证。结果表明,在满足稳定性判据的条件下,研制的硅谐振压力传感器基频为42 kHz,品质因数为30 000。在量程范围为3～130 kPa、温度为-55～85℃时,该谐振压力传感器的精度高达0.01%F.S.,实现了恒幅控制与实时频率跟踪。     

基于烛灰纳米颗粒层的高灵敏度MEMS湿度传感器

提出了一种基于烛灰纳米颗粒层的高灵敏度、快速响应的微电子机械系统(MEMS)湿度传感器。该湿度传感器的制备工艺简单方便、成本低廉,仅包括烛灰纳米颗粒层的沉积、烛灰纳米颗粒层表面的氧等离子体亲水化处理和金属电极的制备三个步骤。实验表明,在30%～90%相对湿度内,该MEMS湿度传感器的灵敏度高达4.17 MΩ/%RH,响应和恢复时间分别为2 s和8 s,同时具有较好的稳定性和重复性。此外,使用此传感器对呼吸频率进行检测,实验结果表明此湿度传感器可以精确地跟踪人的呼吸,因此所研究的湿度传感器在生物医学、环境监测等领域具有潜在应用。