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。     

SOI压阻传感器的阳极键合结合面检测

由于当前绝缘体上硅(SOI)压阻传感器芯片的封装质量仍依赖人工检测,本文提出了一种自动实现该项检测的视觉检测方法。分析了压阻传感器的工作原理,研究了芯片定位精度和结合面质量对传感器性能的影响。以传感器性能和质量为导向,提出了一种以中心定位偏差和键合面结合度为检测点的封装结合面检测方法。该方法通过对Hough圆检测效果和实际图像的分析完成定位精度的检测;基于对传感器质量影响因素的分析和气泡面积的统计实现结合面质量的检测。在传感器实际制造封装过程中对该视觉检测算法进行了实验验证。结果表明:该方法能识别的结合面上的最小气泡直径为6μm;玻璃内孔半径检测误差约为0.015mm.。本文提出的基于视觉检测的方法基本满足了压阻传感器封装对结合面检测的要求,有助于实现封装质量的自动化检测。     

微机械氮化硅梁谐振式压力传感器

报导一种新型的电热激励、压阻拾振的氮化硅梁谐振式压力传感器。器件采用微电子机械加工技术和键合技术研制。谐振频率85kHz,空气中品质因素Q值接近1000,在真空中达到40000。采用闭环自激振荡方式测定压力传感器的压力特性,压力测试范围0－400kPa,灵敏度23．8Hz/kPa。     

谐振式压力传感器的新进展

本文介绍了近几年谐振式压力传感器的新成果和发展趋势。     

内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装研究

针对现有的圆片级真空封装存在检测难、易泄漏等问题,提出了内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装方法。研制了用于圆片级真空封装导线互连的硅通孔,探讨了玻璃盖板与硅圆片之间阳极键合工艺与硅圆片与硅圆片之间的金硅共晶键合工艺,研制了用于检测封装壳体内部真空度的皮拉尼计; 研制了内置皮拉尼计的4英寸硅通孔圆片级真空封装,研制了低温激活非蒸散型吸气剂。实验研究表明,该研究解决了长时间保持真空度的问题。     

热激励硅谐振式压力传感器温度场的有限元计算

针对一种典型的采用电阻热激励、压敏电阻拾振的压力微传感器的实际结构,利用有限元法系统地对其温度场进行了模拟计算.分析并得出了激励电阻在梁谐振子上位置、长度、宽度变化时;梁谐振子长度、宽度、厚度变化时;以及激、拾振电阻共同作用时,梁谐振子温度场的分布规律.     

硅谐振梁式压力传感器模拟计算

本文给出一种硅谐振梁式压力传感器的敏感结构：以２×２ｍｍ２的方形硅膜片直接敏感被测压力,膜片的上表面架设有６００×５０×５μｍ３两端固支的硅谐振梁,间接感受压力作用,谐振梁封装在真空腔内。利用谐振梁的固有频率与被测压力的关系进行测量。针对这种谐振敏感结构的特征,建立其数学模型,通过模拟计算,得到若干规律性的结果,给出一组合理的设计参数。     

MEMS耐高温压力传感器封装工艺

MEMS耐高温压力传感器在封装结构上采用薄膜隔离式结构,在油腔与波纹片所形成的密闭容腔里面填充高温硅油.由于传感器的工作温度达250 ℃,硅油、壳体基座及波纹片将会产生不同程度的热膨胀,最终将给压阻力敏芯片形成一定附加压力,严重影响传感器的精度.文中主要就硅油、壳体基座及波纹片在250 ℃工作时由于不同的热膨胀系数而导致的膨胀不一致情况进行ANSYS仿真分析,研究了平膜膜片及波纹状膜片情况下的硅油热膨胀问题,最后相应地得到了硅油相对于壳体和波纹片的热膨胀率,同时分析得出了合理设计波纹片结构可以有效减小硅油热膨胀时所产生的附加压力,提高传感器的工作灵敏度与稳定性.     

热激励硅谐振式压力传感器的研制

介绍了基于表面微加工工艺和多孔硅牺牲层技术，设计并制作出梁膜一体化的热激励硅谐振梁压力传感器，给出了制作的工艺过程和参数，测试了传感器在真空中开环状态下的谐振频率一压力特性及幅频特性，其灵敏度达到54．89Hz／kPa，Q值大于20000，0～300kPa范围内线性相关系数为0．9997。     

扩散硅压力传感器结构设计及封装工艺研究

本文比较详细地探讨了现今应用很广的几种扩散硅压力传感器的结构及封装工艺,提出了全固态隔离膜片结构的基本封装形式,并对传感器结构设计和封装时必须注意的问题和基本参数进行了探讨。     

谐振式MEMS温度传感器设计

为了实现以频率输出为信号的气象温度测量,提出了一种基于双层悬臂梁的谐振式微温度传感器。基于双悬臂梁不同材料热膨胀系数的差异会导致悬臂梁谐振频率偏移的原理,采用压电方式同时实现悬臂梁的驱动及其谐振频率的检测,从而实现温度的测量。根据硅基传感器的正面腐蚀工艺,设计了谐振悬臂梁的双层结构,采用有限元方法分析了悬臂梁的谐振模态、可利用的振型及其温度与各模态谐振频率的关系,并利用多普勒振动系统对悬臂梁的谐振特性进行了研究。实验发现悬臂梁的二阶弯曲振型Q值相对于其它振型是最大的,其Q值约为150;高阶振型特别是二阶弯曲振型适合用于以ZnO为压电材料的温度传感器的频率检测,并且具有相对较高的灵敏度(约为20Hz/℃)和频率温度系数(1.9×10-4/℃)。结果表明,微型温度传感器能够满足气象温度检测的要求,并具有抗干扰能力强、灵敏度高、信号传输接口简单等优点。     

硅微陀螺仪器件级真空封装技术研究

为进一步提高硅微陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了硅微陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。首先,以硅微陀螺仪动力学方程为基础,分析了硅微陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品质因数陀螺仪的空气阻尼。根据早期真空封装陀螺仪的品质因数跟踪测试曲线,分析了品质因数下降原因。采用程序升温脱附职谱分析法（TPD-MS）分析陶瓷管壳和金属盖板的放气特性,并选用了合理的吸气剂。最后,改进了器件级真空封装流程。测试结果表明,采用改进的器件级真空封装的陀螺仪品质因数最高可达162660,约为早期真空封装陀螺仪品质因数的14倍,且在一年内的变化小于0.05%。     

芯片级原子器件MEMS碱金属蒸气腔室制作

提出了基于两步低温阳极键合工艺的碱金属蒸气腔室制作方法,用于实现原子钟、原子磁力计及原子陀螺仪等器件的芯片级集成.由微机电系统(MEMS)体硅工艺制备了腔室结构.首先采用标准工艺将刻蚀有腔室的硅圆片与Pyrex玻璃阳极键合成预成型腔室,然后引入氮缓冲气体和由惰性石蜡包覆的微量碱金属铷或铯.通过两步阳极键合来密封腔室,键合温度低于石蜡燃点198℃.第一步键合预封装腔室,键合电压小于缓冲气体的击穿电压.第二步键合在大气氛围中进行,电压增至1 200 V来增强封装质量.通过高功率激光器局部加热释放碱金属,同时在腔壁上形成均匀的石蜡镀层以延长极化原子寿命.本文实现了160℃的低温阳极键合封装,键合率达到95％以上.封装的碱金属铷释放后仍具有金属光泽,实现的最小双腔室体积为6.5 mm×4.5 mm×2 mm.铷的吸收光谱表明铷有效地封装在腔室中,证明两步低温阳极键合工艺制作碱金属蒸气腔室是可行的.     

小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次,使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元,通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后,采用复位计数器进行频率数字转换,在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示:该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下,实现了2.5μg/√Hz的分辨率和1μg的零偏不稳定度。此外,为了减小电路自身发热引起的温度漂移,该样机的功耗被控制在3.5mW以内,系统集成后的尺寸约为45mm×30mm×20mm。基于所述技术,系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。     

微机械压力传感器结构稳健优化与实验研究

以一种液压用微机械压力传感器为研究对象,在分析其结构和工作原理基础上,提出了固有频率对加工误差的灵敏度分析方法,得到了对微机械压力传感器固有频率影响较大的尺寸参数,为后续优化和实际加工提供了可控参考.为提高微机械压力传感器的加工稳定性和性能指标,进行了微机械压力传感器结构稳健优化设计,推导了稳健性能约束条件,提出了设计变量、目标函数、尺寸约束条件和模态性能约束条件,建立了微机械压力传感器结构稳健优化的数学模型.稳健优化结果表明,微机械压力传感器的加工稳定性和灵敏度都有了较大提高.进行了实际加工和测试,测试结果表明稳健优化后的微机械压力传感器具有较高的灵敏度.     

双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性

为了降低双通道MEMS微波功率传感器的回波损耗,提高传感器的测量精度,对MEMS悬臂梁的匹配特性进行了研究。首先,通过双通道MEMS微波功率传感器结构构建S参数的理论解析模型,分析了双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,得到了MEMS悬臂梁的间距和回波损耗系数S11的关系;接着利用有限元软件HFSS进行仿真,并和理论结果比较;然后,设计并制作了双通道微波功率传感器;最后,对该传感器的匹配特性进行了测试和分析。实验结果表明:当MEMS悬臂梁的间距为1.6μm时,该传感器在测量8~12GHz频率内的微波信号时,回波损耗小于-19dB。理论和仿真结果较为相符,因此S参数的理论解析模型可以较好地反映双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,对双通道MEMS微波功率传感器的设计具有一定的指导意义。     

基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器

设计并研究了一种光纤布拉格光栅压力传感器,FBG1与FBG2串联连接,其中FBG1直接封装于聚合物之中,而FBG2先粘贴于弹性基体上再封装于聚合物之中。推导了传感器的灵敏度和解耦算法,并且使用有限元法计算了本传感器压力灵敏度和温度灵敏度,最后对传感器进行了实验验证。实验结果表明FBG1和FBG2的压力灵敏度分别为197.4 pm/MPa和95.7 pm/MPa,温度灵敏度分别为47.2 pm/℃和36 pm/℃,具有良好的线性度,较小的回程误差,并且符合该传感器感知的压力和温度解耦条件。同时,随着聚合物小圆环直径增加,基体的应变量越来越大,并趋近于没有基体时聚合物的应变量。研究表明,较之传统的聚合物封装的光纤光栅压力传感器,本传感器的聚合物与套筒不易脱落,两者之间的非固结连接可以增加传感器灵敏度,并且本传感器具有温度补偿功能。     

MEMS谐振器刚度非线性特性及其表征

为了准确表征微电子机械系统(MEMS)谐振器在大振幅运动时的行为特性,建立了刚度非线性MEMS谐振器集总参数模型,并创建了一整套MEMS谐振器非线性特性的表征方法和测试系统。搭建了基于锁相环和自动增益控制的MEMS谐振器闭环工作电路,分析了不同驱动振幅下,MEMS谐振器的工作状态。推导建立了工作振幅、工作频率与MEMS谐振器刚度非线性之间的数量关系。最后,基于衰减模式和稳定振荡模式两种工作形态,实际测量了MEMS谐振器的无阻尼自然谐振频率和刚度非线性。结果显示:无阻尼自然谐振频率和刚度非线性系数的测量重复性分别为18.6×10-6和1.50%。针对实测的MEMS谐振器无激励振幅自衰减曲线,分别用理想二阶系统谐振器模型和刚度非线性谐振器模型进行残差分析。结果显示后者的残差要比前者的残差小9.5%,表明刚度非线性MEMS谐振器模型更接近真实情况,也验证了该刚度非线性特性表征方法的准确性。基于该方法,测量了MEMS谐振器刚度非线性系数和无阻尼自然谐振频率的温度特性,得到的无阻尼自然谐振频率的温度系数为-0.487Hz/℃,线性拟合度达99.964%。     

适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器

为了消除潮湿、酸碱、静电颗粒等恶劣环境对压力传感器压敏电阻的影响,提出了一种新型结构的压阻式压力传感器.该传感器将压敏电阻置于应力薄膜的下表面并通过阳极键合技术密封在真空压力腔中,从而减少了外界环境对压敏电阻的影响.介绍了此种压力传感器的工作原理,使用ANSYS软件并结合有限元方法模拟了压敏薄膜在压力作用下的应力分布情况.最后,利用微机电系统(MEMS)技术成功制作出了尺寸为1.5 mm×1.5 mm×500 μm的压阻式压力传感器.用压力检测平台对该压力传感器进行了测试,结果表明,在25～125℃,其线性度小于2.73％,灵敏度约为20mV/V-MPa,满足现代工业使用要求.