一种硅微压阻式压力传感器的研究

研究了一种量程为20kPa的压阻式微压力传感器,同时采用ANSYS仿真得出影响传感器性能的一些规律。应用小挠度理论设计计算了压阻式硅传感器方形弹性膜片结构,并对圆形膜片与方形膜片进行了比较,同时设计了硅芯片以及压敏电阻的尺寸和阻值。通过模型分析和对方型硅膜片的模拟计算,确定了压敏电阻最佳放置位置,来提高灵敏度;并在各个不同的压力下仿真出应力分布图、得出输入—输出关系图及应力峰值。研究为压阻式微压力传感器的结构以及优化、稳健设计提供了一定参考。     

用于壁面切应力测量的微传感器设计

壁面切应力的测量是流体动力学领域中一项非常重要的测试任务,采用MEMS技术设计、加工的微型切应力传感器能够为壁面切应力的测量提供新的手段.微传感器设计过程中推导其浮动单元线性位移与弹性梁宽度的关系,通过限位装置提高了微传感器的抗过载能力.有限元仿真结果与试验模态分析的最大偏差为8.2%,表明仿真过程中对结构进行的简化以及单元的选取是合理的.加工过程中,采用等离子刻蚀工艺形成传感器的结构,湿法刻蚀工艺完成浮动单元的释放,所加工传感器的整体尺寸为3.4 mm×2.5 mm×0.6 mm.开发了一种封装结构实现传感器与壁面的平齐安装.风洞试验结果说明在0～30 m/s风速范围内传感器的灵敏度为51.2 mV/Pa,该传感器可以用于壁面切应力的测量.     

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.     

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%。     

MEMS面内电热微驱动器中U型梁的分析

介绍了一种单刀双掷面内电热微驱动器。基于U型梁受热膨胀的原理,在电压作用下梁受热变形,推动接触电极和信号电极接触,进而输出信号。分别采用金属镍和氮化硅作为驱动器主体结构和隔离部分的结构材料。利用Coventorware软件对驱动器中U型折叠梁进行有限元仿真,得出折叠梁在温度为300 K、电压为3 V、热臂宽度为2μm时,冷臂宽度和驱动位移、驱动力之间的曲线关系图,进而确定冷臂的宽度为20μm。此时梁的位移为22μm,固定端受力为180 N。最后进行应力校核,梁的最大应力为120 MPa,小于镍的许用应力,具有较高的可靠性。     

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。     

微压阻式传感器有限元模拟及线性度优化设计

薄膜结构微压阻式传感器在提高灵敏度过程中容易引入非线性误差,导致传感器输出性能变差。通过分析微压阻式传感器核心敏感元件结构,利用Ansys软件建立硅杯薄膜有限元分析模型,并通过弹性力学方法对有限元模拟的精确度进行验证。针对薄膜结构传感器非线性误差随灵敏度提升而急剧增加的问题,为了提高传感器的线性性能,通过在敏感薄膜下方集成双岛结构,并分析优化岛长和岛宽等结构参数,得到了一种输出线性度优良的双岛结构传感器模型。模型输出结果表明:双岛结构挠度线性度为0.8%,相比薄膜结构8.6%有了较大的改善,电压输出线性度为0.9%,能满足使用要求,且实现了高灵敏度下线性输出优良的传感器模型设计。     

基于UV-LIGA技术的电涡流传感器研制

提出一种用于检测微位移的新型电涡流传感器。该传感器中,两层微平面线圈叠加在坡莫合金铁芯上,分别作为驱动元件与敏感元件。详细给出了微平面线圈的SU-8胶UV-LIGA工艺与磁性铁芯的电铸成形工艺。当激励电流为50kHz的正弦交流信号,而且检测Ni-Fe片与铁芯间隙为10μm时,敏感线圈的输出电压达30mV,并且间隙值在50μm范围内与输出电压接近为线性关系。传感器尺寸为5mm×1.6mm,易于集成,能实现对微位移的检测。     

高量程压阻式加速度计在高温环境下的失效研究

针对高量程压阻式加速度传感器在高温环境下的失效问题,分析了高温对高量程加速度计的影响,得出的失效模式为:高温导致固支梁的翘曲或变形;温度变化引起压敏电阻的变化进而导致传感器输出漂移甚至输出失效;测量电路板在高温下变得扭曲或者导电层的分离。然后,利用ANSYS对固支梁和电路板进行仿真,得出各模块在200℃的温度冲击下结构的动态响应,并通过高温步进应力试验进行验证,得出传感器的工作极限为150℃,破坏极限为160℃。     

双悬臂梁结构的光纤光栅位移传感器设计

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的温度—位移交叉影响、悬臂梁易产生横向偏移等对测量精度的不利影响,提出了一种温度解耦的双悬臂梁式光纤光栅位移传感器。推导传感器的位移测量原理并进行有限元仿真分析,得出梁挠度与位移变化成线性关系。通过对比双悬臂梁不同位置处光纤光栅组合测位移的线性度、灵敏度和重复性误差,结果表明:采用双悬臂梁上表面双向拉伸光栅测量位移时,效果最佳;所设计的光纤光栅位移传感器最大量程可达55mm,灵敏度可达47. 3035pm/mm,最大重复性误差仅为0. 491%,在结构健康监测中具有良好的应用前景。     

上弦梁刚度对机车车体强度和刚度的影响分析

采用有限元方法分析上弦梁刚度对通用型窄轨内燃机车车体结构强度和刚度的影响,结果显示,上弦梁刚度对车体各部分的影响是不同的:上弦梁刚度的增加,会增加车体司机室结构的最大等效应力,而降低底架结构的最大等效应力和底架与边梁的挠度.     

激励电压对压电阻抗法检测灵敏度的影响

研究了锆钛酸铅压电陶瓷(lead zirconate titanate piezoelectric ceramic,简称PZT)传感器的激励电压与压电阻抗法(electro-mechanical impedance,简称EMI)结构健康监测技术灵敏度之间的关系.借助WK 6500B精密阻抗分析仪及自行搭建的高激励电压电阻抗测试系统(high excitation voltage electrical impedance measurement system,简称HEVEIMS),在0.01～20 V之间8种不同激励电压下,对尺寸为1250 mm×100 mm×3 mm铝梁结构上距离PZT传感器1 000 mm的直径为1.2,2.5和3.5 mm的通孔损伤进行了检测.研究结果表明,激励电压与检测灵敏度之间的关系是非单调的.在1～10 V范围内,提高激励电压能够显著增大EMI方法的检测灵敏度.高激励电压下PZT电阻抗信号中非线性成分增多是导致EMI方法检测灵敏度升高的主要原因.研究结果不但为EMI检测中激励电压的选取提供了参考,也为明确激励电压与检测灵敏度之间的相关关系提供了数据支持.     

基于铁基非晶态合金的非接触半套环式扭矩传感器的研究

对一种基于铁基非晶态合金压磁效应的非接触动态扭矩传感器进行研究。介绍传感器的结构和原理,推导出传感器的输出方程。通过动态扭矩测量试验,分析传感器探头与轴表面的间隙及转速对测试精度和灵敏度的影响,得出传感器输出电压随间隙的变化曲线U0-δ和最佳间隙范围以及三种转速时传感器的动态输出曲线。试验显示,当间隙为0.5 mm时,传感器最大重复性误差为1.71%,最大非线性误差为2.48%,灵敏度为1.385 2 mV/(N.m)。设计的传感器是可行的,尤其适合于一些需要固定非接触监测扭矩的重载低速传动轴。     

基于构型优化的高阶模态微质量传感器灵敏度提升方法

高灵敏度是微质量传感器准确探测细菌、病毒和气体等物质的关键指标。虽然借助微型化的高阶模态梁振动可以有效提升探测灵敏度,但微尺度效应也降低了传感器的抗环境干扰能力。因此,如何在特定尺度约束下提升高阶模态传感器的灵敏度已成为谐振式微传感器设计的前沿问题。本文在研究弹性梁几何构型、压电层尺寸与有效质量分布对振动模态影响关系的基础上,建立了压电驱动多阶梯梁式微质量传感器的灵敏度分析模型,以传感器灵敏度提升最大为目标,建立了高阶振动模态下悬臂梁几何构型优化设计模型,得到了在不同振动模态下具有最高灵敏度的悬臂梁构型,使同尺寸传感器的灵敏度提升了10.0~15.0倍。考虑驱动位置与制造成本约束,设计并研制了具有六阶梯梁结构的高阶模态微质量传感器。实验结果表明,总长度为17.6mm的六阶梯梁微质量传感器的灵敏度为18.8×10~4 Hz/g,考虑制造误差的影响,其二阶模态灵敏度为同尺寸等截面梁传感器的10.0倍,较一阶模态同尺寸传感器灵敏度提升了19.8倍,从而验证了所提出的高阶模态微质量传感器灵敏度提升方法的有效性和可行性。     

梯形变截面悬臂梁式质量传感器设计与分析EI北大核心CSCD

谐振式微质量传感器的灵敏度取决于弹性元件的几何尺寸和结构形式。单纯依靠结构尺寸微型化方法已难以满足传感器工程实用性的要求,因而需要探索新的改善传感器性能的方法。在保证传感器外形尺寸不变的基础上,提出通过改变弹性梁的表面形状(梯形)和截面构型(槽型)来进一步提升传感器灵敏度的新方法,建立了基于槽型变截面弹性梁的传感器灵敏度分析模型,分析了影响传感器灵敏度的关键设计因素,得到了结构设计参数、自振频率及灵敏度之间的关系表达式。仿真结果表明,在相同外形尺寸参数下,矩形截面悬臂梁传感器的自振频率和质量检测灵敏度为1 254.2 Hz和9.8×103Hz/g,槽型变截面悬臂梁传感器的自振频率和灵敏度为1 776.1 Hz和38.0×103Hz/g。相对于矩形截面梁传感器,灵敏度提高了287.8%,从而验证了提出的灵敏度提升方法的有效性和可行性。     

微压力传感器参数设计及灵敏度分析

对传感器的灵敏度理论进行了详细分析,得到了传感器的灵敏度与应力和应变的关系.通过有限元仿真软件对传感器的灵敏度和线性度进行了研究,分析了膜片的厚度、岛的高度和梁膜片的长度对传感器性能的影响,为传感器芯片的设计提供了重要的依据.     

MEMS铁磁磁场传感器的研究

提出了一种新型的基于Si压阻效应的铁磁体MEMS磁场传感器结构,其结构由制作在硅桥敏感膜表面的惠斯通电桥和在膜中间旋涂环氧胶沾上铁磁体制成。铁磁体在外磁场中磁化产生磁力,磁力耦合到硅桥敏感膜上会产生应力使膜上的惠斯通电桥产生电压输出以达到测量磁场的目的。文章先通过有限元软件对铁磁体在磁场中的受力大小和磁场传感器在磁力下的输出进行了仿真,然后对该结构进行了测试,仿真结果和实验结果较接近。实验测得该传感器最大灵敏度为70 mV/T,分辨率为330μT。该磁场传感器结构简单、工艺成熟、成本低,易于大批量生产。     

新型隧穿磁强计结构－多梳齿结构

水平式隧穿磁强计在应用中,直梁所受的最大应力超出其许用应力出现直梁断裂的现象,同时由于所需驱动电压较高,限制了磁强计的应用范围。文中优先考虑梁内部应力对隧穿磁强计直梁尺寸进行设计,并改变其结构,采用新型的隧穿磁强计结构多梳齿结构,然后采用Ansys验证了改进后结构的正确性,同时对驱动电压和理论灵敏度进行了计算。研究结果表明：在保证直梁正常工作的前提下该设计可将磁强计所需的驱动电压降低到16．5V、在文中设计宽度下灵敏度较原宽度提高了1．35倍。     

垂直力加载下微变形梁的结构设计与优化

为垂直加载力设计大跨度小变形的承载横梁。横梁设计跨度为3 422 mm,在工作平面终点处施加最大的垂直加载力10 k N,横向位移为1 100 mm,此时要求横梁变形量小于50μm。以16 mm钢板为主要材料,仿照工字钢的强抗压性,以及等强度梁的抗变形能力,借助Ansys Workbench软件,设计符合工况的非标的重量轻的小变形横梁,使其达到设计变形量和许用应力。以横梁的总变形和等效应力最小为目标函数,以仿工字钢和仿等强度梁的关键结构尺寸P_3,P_4,P_5,P_6为设计变量,对横梁进行结构优化,并分析横梁的最大变形为40μm。通过对非标横梁进行垂直加载力的实验分析可知,加载力10 k N时系统最大变形为38μm,两者相对误差为5%。结果表明,优化设计后的横梁能够满足工况设计要求。     

一种紧凑型压电叠层直线电机驱动足的优化设计

在使用压电叠层时一般会设计防剪切机构,未设计防剪切机构时需要对驱动足结构进行仿真设计,减小压电叠层所受剪切力。为此,提出在无防剪切机构时电机驱动足的结构优化方法,并对一种紧凑型压电叠层直线压电电机驱动足进行仿真优化。通过优化把横向压电叠层输出端的旋转变形由1.333μm减小至0.061μm,纵向平移变形由1.911μm减小至0.749μm,机构的最大等效应力由253.35MPa减小至189.68MPa,显著改善了压电叠层的工作环境。提出一种并联S形弹簧机构,给出该结构的优化设计方法并进行仿真设计。仿真结果表明:该机构有较大的刚度范围,可以有效降低压电叠层所受剪切力;在相同刚度的情况下,具有弹簧宽度越大最大等效应力越小的特点。