MEMS薄膜热流传感器研制

基于微加工技术设计制备了一种微机电系统(MEMS)薄膜热流传感器。采用COMSOL软件,对不同结构参数MEMS薄膜热流计进行仿真模拟,通过对仿真结果对比和分析,优化热流传感器的设计参数。根据优化的设计参数利用MEMS工艺制备薄膜热流计。搭建了标定系统,对所制备的MEMS薄膜热流计进行性能测试和标定。实验结果表明:薄膜热流计的电压输出响应曲线的变化趋势和仿真结果一致,此外,薄膜热流计的输出电压和热流密度呈良好的线性关系。     

高灵敏度谐振式微加速度传感器的设计与制作

为提高加速度传感器灵敏度,提出一种新的加速度敏感机制,并基于此原理设计了一种新的微机械谐振式加速度传感器结构.分析了加速度传感器的数学模型及影响灵敏度的关键参数,并以此为依据对传感器结构参数进行优化设计.采用扩散硅层作为谐振子,提高器件性能的同时简化了制作工艺,利用KOH溶液湿法腐蚀硅在各晶向上的各向异性,实现了支撑梁...     

压阻式微压力传感器结构参数设计

在研究压阻式微压力传感器的结构参数的基础上,根据传感器的灵敏度与线性度特点,设计了一种量程为200 kPa的微压力传感器.在满足计算要求的条件下,对该传感器的每一个参数进行ANSYS仿真;并根据灵敏度、线性度及制作工艺的难易程度选择这些参数的最佳值.仿真结果表明,该设计方法对微压力传感器的研制具有一定的参考价值.     

一种新颖的微杆杠结构的理论建模及其在谐振式微加速度传感器中的应用

为了提高谐振式微加速度传感器的灵敏度,提出一种新颖的微杠杆结构.分析该结构的工作原理,推导该结构的理论模型,得到这种微杆杠放大倍数的解析表达式.在这个理论模型的基础上,为了进一步提高微杆杠的放大倍数,对其参数进行优化,分析微杆杠结构中各参数对于放大倍数的影响,优化后该结构的放大倍数高达200.基于这种微杠杆结构设计两种分别为静电驱动/电容检测和电热驱动/压阻拾振的谐振式微加速度传感器,分别介绍这两种传感器的工作原理及其特点,并对这两种结构进行有限元模拟.模拟结果证实这两种微加速度传感器的灵敏度均高于1 000 Hz/gn,进而验证这种新提出的微杠杆结构的有效性.     

大量程六维力传感器设计与标定研究

为提高大量程六维力传感器的灵敏度,设计了一种适用于机械臂末端的应变式传感器.该传感器采用十字梁式弹性体结构,通过优化应变梁结构和合理布置应变片等方式,使传感器在大量程条件下仍具有较高的刚度和灵敏度.使用有限元法分析验证了传感器应力分布的合理性,并根据最小二乘法标定原理对传感器进行解耦标定实验,实验结果表明:传感器静态性能良好,最小灵敏度为0.375 mV/N,满足使用要求.     

常压下工作的微机械陀螺的频率和阻尼特性

对微机械陀螺振动式陀螺的频率和阻尼特性进行了分析和模拟.以设计的一种微机械陀螺为模型,对其驱动和检测方向的阻尼力系数进行了计算,利用MATLAB模拟了阻尼对灵敏度以及频率特性的影响.得出了不仅频率匹配对微机械陀螺的性能有重要影响,而且阻尼匹配也会影响陀螺的灵敏度和频率特性.     

新型双级解耦合微机械陀螺设计与仿真

在分析了微机械振动式陀螺机械耦合误差的基础上,提出了一种新型的双级解耦合的陀螺结构,可将驱动模态和检测模态完全隔离,以避免驱动对检测的同频干扰。通过在敏感质量和检测质量间用弹性连接来抑制和减小机械耦合误差。文中还对新结构进行有限元模拟,最后分析了系统频响。     

磁浮列车间隙传感器动态特性研究

磁浮列车的控制和运行对间隙传感器动态特性有较高要求.首先,在研究磁浮间隙传感器动态性能与动态特性测试方法的基础上,根据磁浮列车用间隙传感器的原理,对传感器主要环节进行动态建模.接着,通过分析模型函数通解的结构形式,提取了影响传感器动态特性的影响因素,并对传感器动态特性进行了有效补偿.最后,设计了一种模拟开关方法,对传感器动态性能进行试验测试.分析与试验结果表明,传感器动态特性主要受检波电路影响,模拟开关方法可以有效地检测传感器动态特性.     

三维电场传感器仿真优化及性能测试

采用有限元方法对一种新型三维电场传感器的敏感结构进行仿真分析,优化结构设计参数,提高传感器的测量灵敏度;对采用优化参数制备的电场传感器进行了性能测试,结果表明,该传感器的输出与模拟仿真结果具有良好的一致性,并且与外部电场呈良好的线性关系,传感器的测量灵敏度可达到50V/m。     

一种新型MEMS双稳态微电磁驱动器的研究

介绍了一种新型MEMS双稳态微电磁驱动器,通过理论分析和有限元分析工具Ansys对器件的结构参数进行了优化设计,并证明了设计的可行性。利用金属基表面微加工技术与体硅微加工技术成功制作出这种驱动器,并对其弹性平台的弹性系数进行了标定,对驱动器的双稳态进行了调试。结果表明：此驱动器具有良好的双稳特性,响应时间短（约10ms）的特点。     

微型磁通门性能指标的综合测试与分析

对铁芯结构的改进有利于提高微型磁通门传感器的性能,采用MEMS工艺制备了多孔铁芯结构微型磁通门,并对所制备的微型磁通门进行主要的工作参数和性能指标的综合测试,分析了激励电流和激励频率对灵敏度、线性范围、噪声、剩磁误差等性能指标的影响规律.对实验结果的分析结论为传感器选择合适工作参数提供了数据支持.     

基于正弦力激励的预紧压电式力传感器的研究

为了校准预紧的压电式力传感器动态灵敏度并研究其频响特性和预紧结构的设计,首先介绍了正弦力激励的方法并建立校准数学模型。分别在传感器正立和倒立安装方式下进行测试,通过对比试验研究传感器端部等效质量引入的惯性力对传感器动态灵敏度的影响。然后根据传感器固有频率的落球测试方法,将传感器和附加质量块安装于振动系统。通过白噪声激励得到系统安装谐振频率,进而研究传感器有效频率范围和测量精度与安装谐振频率的关系。最后通过理论分析,说明传感器非对称设计的原因。试验结果表明,当附加质量块质量约为传感器质量的121倍时,可忽略端部等效质量对灵敏度标定的影响;压电式力传感器固有频率高达46kHz,但其有效使用频率范围受安装谐振频率限制,当试验频率与安装谐振频率比 时,压电式传感器精度等级为1%;传感器两端等效质量不同,预紧结构是非对称的,用于动态测试时要将端部等效质量轻的一端连接到被测物体。本研究结果可为开展传感器的现场标定和预紧结构的设计提供理论依据。     

微机械振动电场传感器闭环自激驱动建模及系统仿真

本文针对微机械振动电场传感器灵敏度受驱动控制电路参数和谐振频率漂移影响问题,利用平均周期法对不同闭环自激驱动下微机械电场传感器的灵敏度进行了建模分析,理论和仿真分析表明：加入满足约束条件的PI控制器,灵敏度变化与屏蔽层固有谐振频率漂移和品质因数变化无关;加入满足约束条件的PI控制器比没有PI控制器的灵敏度大;PI控制器的参数不满足约束关系,输出电压不稳定,输出失真。     

微型氢气传感器的结构设计与仿真分析

基于金属氧化物半导体气体传感器的工作机理,提出了一种微型氢气传感器结构设计。针对几个主要设计参数,利用有限元分析软件ANSYS对这种结构进行了热分析。通过分析和比较,完成了对微型氢气传感器结构的优化设计,并对优化后的传感器进行了瞬态分析。分析结果表明:所设计的传感器结构符合设计要求。     

Theoretical and experimental research on the in-plane comb-shaped capacitor for MEMS coriolis mass flow sensor

The Micro-Electro-Mechanical System Coriolis mass flow sensor uses a kind of in-plane comb-shaped capacitor to detect the vibration of tube containing the micro flow information. This paper takes the deflection of the micro tube caused by Coriolis force into account and models the in-plane comb-shaped capacitor of the sensor based on the electrostatic field method. Then the modulation and demodulation of the output capacitive signals are described in detail. The theoretical waveforms obtained by substituting the actual parameters into the models are consistent with the accepted conformal mapping method and match with the sampling signals, which attest the two models. According to the actual flow calibration experiment and the preliminary phase shift calculation, the measurement accuracy of the micro flow sensor reaches ±1.5 % with the repeatability of 0.75 % within 0–1.2 g/h flow range.     

基于电-声复合传感器测量含水合物液膜厚度仿真研究

针对天然气输送管道内含水合物液膜的厚度测量问题,基于电-声联合探测方法原理设计了集成同轴圆盘-双环电极和超声晶片的内嵌凹面式电-声复合传感器,建立了数值仿真模型对传感器的结构和工作参数进行了优化,并分别对含有离散分布水合物颗粒和水合物沉积层液膜的厚度进行了仿真测量,讨论了电阻法和超声渡越时间法的适用性;研究结果表明:同轴圆盘-双环电极中的圆盘电极的半径、圆盘电极/内环电极的间距是影响电学测试空间灵敏度的主要结构参数,超声波频率对声学测试空间灵敏度产生显著影响,因此需要对凹面式电-声复合传感器的参数进行优化设计;电阻法和超声渡越时间法分别适用于测量水合物以离散颗粒形态分布和以沉积层形态分布的液膜,两类方法优势互补显著,拓宽了电-声复合传感器的适用范围。     

基于微梁的面内高g值加速度计设计

提出了一种基于微梁的面内高g值加速度计的设计方案。根据材料力学中悬臂梁的相关理论,建立了微梁检测结构的等效模型,推导出了微梁应力和中间主梁应力的比值的表达式。通过改变结构的尺寸来调节比值,可以设计出更高量程和更高灵敏度的压阻式传感器。利用ANSYS软件对微梁和中间主梁的最大应力及电阻区应力进行了仿真分析,验证了设计方案的可行性。完成了一种量程可达15万gn的面内双轴高g值传感器的设计。     

一种基于多铁压电纳米纤维压力传感器设计

设计了一种基于静电纺丝技术制备的多铁压电纳米纤维微压力传感器结构,对其工作原理做出了理论分析。近似平行排列的纳米纤维沉积到叉指电极上,电极材料生长于硅基底方形弹性膜片上表面,用小挠度理论设计计算了方膜结构,并对固支结构的纤维进行了力学分析。由纤维压电效应计算出传感器输出电压,并对传感器的结构尺寸进行比较分析,以提高传感器输出电压。     

A low power micro fluxgate sensor with improved magnetic core

The influence of an improved magnetic core on the micro fluxgate sensor about sensitivity and power consumption is investigated and discussed in this paper. We have fabricated the micro solenoid fluxgate sensors based on the MEMS technologies, with the electroplating permalloy cores, which are easy to process and used in common; and the amorphous soft magnetic ribbon cores, which have better soft magnetic performances but be hard to be integrated, respectively. Four magnetic core structures are designed, including rectangular structure, unequal width rectangular structure, multi rectangular ring structure and spiral structure. Spiral structure can improve the performances of the fluxgate sensor significantly, both sensitivity and power consumption. The micro fluxgate sensors with the amorphous soft magnetic ribbon cores are promoted in all aspects than those with the electroplating permalloy cores, including ultra low power consumption of 2.4 mW with unequal width rectangular structure, and high sensitivity of 118 V/T with rectangular structure in wide linear range of 0–800 μT.     

基于WSN的声表面波微压力传感器的研究

无线传感器网络是一种新型综合智能信息系统,它在实现数据采集、信息感知、智能控制方面展现了较高的应用价值.无线传感器网络技术在灵敏性、容错性、可扩展性和连通性等方面的要求决定了它面临着许多制约因素和挑战性问题,亟待解决和完善.在无线传感器网络原理的基础上,对传感器节点中的微压力传感器进行研究.通过分析不同压电材料的性能,选取基片的材料,并使用有限元分析法对基片结构进行受力分析,确定边界条件,基于最小二乘法建立线性回归数学模型并进行曲线拟合,得出频率与压力的关系.该研究能够模拟无线传感网络节点中数据的采集,对无线传感网络的数据优化、算法优化有重要的意义.