基于CMOS-MEMS工艺的小量程电容式压力传感器设计

小量程压力传感器研制的主要目的是解决低压环境下的压力测量问题。结合CMOS-MEMS技术,提出了一种小量程电容式压力传感器设计方案。利用ANSYS软件分析了传感器压敏结构的静力学性能和动力学性能,验证了理论设计的可行性。传感器可动上极板厚度仅为3μm,提高了小量程压力测量时的灵敏度,可以测量1~50 k Pa范围内的压力。研究了制备工程中的关键工艺,介绍了传感器芯片的加工流程。所设计的传感器制作简单,成本低廉,易于单片集成,拓展了MEMS压力传感器的小量程应用领域。     

高过载加速度敏感芯片的结构与特性

为满足极端应用情况对高过载加速度传感器的需求,设计了一种带有微梁的加速度敏感结构。通过对主梁和微梁应力分布及敏感结构固有频率的仿真分析,给出了该敏感结构的设计方法,以此确定了传感器的结构参数。基于单晶硅材料断裂强度的尺寸效应,分析了敏感结构的过载特性。仿真结果表明,微梁的引入极大改善了加速度传感器的过载能力,所设计量程为1g的加速度敏感芯片,其满量程输出约为40 mV,过载可达79倍量程。     

敏感结构尺寸对压力传感器过载能力的影响

微机电系统(MEMS)表面微加工技术与IC工艺相兼容,利用该技术可以实现对压力传感器敏感结构尺寸的精确控制,并可用于提高传感器的过载能力。基于有限元仿真,通过应力分布的线性静力分析和非线性接触分析,确定压力传感器感压膜尺寸与过载能力之间的关系,给出了一种提高压力传感器过载能力的方法。在不增加工艺步骤和生产成本的前提下,优化了敏感结构的尺寸,使压力传感器的过载能力得到显著提高。     

压阻式小量程SOI加速度敏感芯片设计与分析

为满足建筑物振动监测等应用对小加速度信号测量的需求,采用带有微梁和支撑梁的敏感结构设计了一种压阻式小量程加速度传感器芯片,为弥补压阻式传感器测量小信号精度低这一不足,基于SOI技术设计了单晶硅应变电阻.利用有限元法对敏感芯片结构进行了仿真分析,给出了兼顾灵敏度与固有频率这两个技术指标的设计方法,以此确定了敏感芯片的尺寸...     

高g值加速度敏感芯片性能优化的结构分析

随着微机电系统(MEMS)技术的发展,出现了高g值加速度敏感芯片,但因所受惯性力巨大,其综合性能难以提升,特别是过载和交叉耦合问题尤为突出。利用有限元法对带有微梁的高g值加速度敏感结构进行了仿真分析,给出了结构优化的设计方法,在保证灵敏度的同时,显著提高芯片固有频率和抗过载能力。在芯片的质量块与边框连接处设计了具有补偿作用的凹槽,有效减小了敏感芯片的交叉耦合。所设计量程为105g的敏感芯片满量程输出约为21.42 m V,固有频率约1.025 MHz,交叉耦合约4.24%,过载可达6.5倍量程以上。     

高固有频率压阻加速度敏感芯片的结构与特性分析北大核心CSCD

在悬臂梁-质量块MEMS加速度敏感结构的基础上,为提高其固有频率,拓展其应用领域,提出了一种带有直拉直压微梁的新型压阻式加速度敏感芯片,通过在结构中引入敏感微梁,达到均衡提高固有频率和灵敏度的目的。使用有限元法对结构的特性进行了仿真分析,结果表明该结构和普通MEMS加速度敏感结构相比,在保证较高灵敏度及良好线性输出的前提下,显著提高了固有频率,可达其87倍以上,同时改善了过载能力,可提高6倍以上。     

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%。     

基于光纤光栅的小量程称重传感器设计

设计了一种小量程光纤布拉格光栅称重传感器,采用双孔单槽式悬臂梁型弹性体结构,并利用有限元软件ANSYS对弹性体结构进行优化设计,以满足小量程设计要求。采用四片光纤光栅布片方式,提高了传感器的灵敏度,并利用正应变和负应变的光纤光栅信号进行叠加,以补偿温度的影响。对传感器进行加载卸载实验,并对所设计的传感器进行了整体性能分析,实验结果表明,传感器的称重范围为0-4kg,线性度误差小于0.9%,温度补偿达到了一定效果,性能稳定,证明了设计方法的可行性。     

小量程平柝式称重传感器

为使小量程称重传感器具有较高的灵敏度和刚度,其弹性元件多为各种平行梁结构,采用低弹性模量的硬铝合金制造,但外形尺寸较高。本文介绍一种以合金钢为弹性元件材料的新型小量程平板式称重传感器,既具有很低的外形又可以得到较高的灵敏度和刚度。文中重点介绍了平板式称重传感器的结构与特点,受力分析与理论计算,并给出了结构设计与计算实例。     

1kPa 微机械结构微压传感器的研究

本文报道一种量程为１ｋＰａ的扩散硅微机械结构微压传感器。实现了高灵敏度微压传感器的非线性内补偿和强过载保护以及高共振频率,分析研究了最佳条件。微压传感器的非线性为０．１％ＦＳ,其过载保护能力已超过５００倍满程压力,共振频率为９ｋＨｚ。     

动力装置压力开关的研制

为满足工业仪表使用需要，研制一种动力装置压力开关。该压力开关具有耐高温、抗振动、高过载的特性。整机采用金属膜片式结构，设计和研制使用多种金属和非金属材料，研制流程经过20多道工序，涉及多门学科相互交叉的综合技术。主要应用于液压、气压系统的压力／电信号转换。其性能指标高于常规使用的产品，满足高过载、抗振动、耐高温的要求。     

深空撞击器结构设计与侵彻数值模拟

设计了一种用于深空探测的撞击器结构,并借助有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对其侵彻性能进行了数值模拟。根据主要技术指标要求设计了撞击器结构,建立了撞击器撞击混凝土靶标的数值仿真模型,混凝土靶标模型材料采用HJC本构模型,对撞击器垂直侵彻靶标与斜侵彻靶标进行了仿真。仿真结果表明,当该撞击器在撞击初速度700 m/s下,倾角15°攻角5°范围内侵彻深度可达到1 m以上,最大过载为41 671～45 530 g。数值模拟所得过载数据为后续内部载荷强度设计提供了参考。     

过载下超声电机设计及预压力分析

由于超声电机的预压力易受外界干扰而发生变化,为其在受过载时预压力保持基本恒定,基于PMR40型超声电机,设计了一款开槽碟形弹簧(碟簧),作为缓冲件来改进电机结构,并建立了整机冲击动力学模型。在最高冲击加速度为1 000g～5 000g轴向过载下,碟簧对电机预压力的影响进行分析。结果表明:电机在受到最高加速度在1 000g以下时,碟簧对预压力维持作用非常明显,无碟簧和含碟簧结构电机预压力变化率分别为28.1%和10.0%;受冲击加速度在2 000g以上时,碟簧对电机预压力的维持能力有所下降,但其缓冲作用可降低预压力变化,从而使电机工作相对稳定。该研究对适用于过载下超声电机的设计具有指导意义。     

双动极板电容式压力敏感结构特性分析

在接触电容式MEMS压力敏感结构基础上,为扩展线性响应范围提高线性度,提出了双动极板电容式MEMS压力敏感结构.这种结构中电容的上极板和下极板均感压可动,其可动下极板对两极板的受压接触有缓冲调节作用,改善了响应性能.使用有限元法对结构的特性进行了仿真分析,讨论了结构参数对压力敏感结构性能的影响,结果表明双动极板电容式压...     

高过载MEMS环形陀螺制造与测试

提出了一种新型的抗高过载环形振动式陀螺,分析了其工作原理和振动特性。在ANSYS有限元分析软件中建立了该环形陀螺结构的模型,进行了振动特性分析,仿真分析结果显示该环形陀螺工作模态与干扰模态最小频差Δf_2=248 Hz,驱动和敏感模态频率Δf_1=5 Hz。并且根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应,谐振结构最大位移为14.142μm,结构所受的最大的应力为68.396 MPa,可以正常稳定工作。通过基于SOG(Silicon on Glass)的微加工工艺制造了陀螺样机并完成了初步的测试,模态测试与有限元仿真结果中的模态频率最大误差是4.9%。实验室过载测试结果显示陀螺在15 800 g过载下,陀螺工作频率和频差未发生大的变化。     

液压支架矿用液压缸动载过载特性的仿真及试验研究

基于AMESim和ANSYS workbench仿真分析,分别搭建了动载过载条件下液压支架矿用液压缸动载加载模型与结构件瞬态动力学仿真模型,得到了液压缸在动载过载条件下的内腔压力特性曲线以及缸体、活塞杆应力应变分布情况。进行动载过载测试试验,得到了动载过载加载条件下液压缸下腔压力-时间曲线以及缸体、活塞杆外表面测点应变测试数据。结果表明:仿真计算结果与试验测试数据在一定误差范围内基本吻合,验证了2种仿真模型以及边界条件设定的合理性以及准确性;液压缸在动载过载条件下,无杆腔压力在30 ms内由初撑压力15 MPa升高到1.0～1.5倍额定压力,对应缸筒预期破坏位置为液柱中上方约1/6处对应缸筒部分:外表面最大应力值为267 MPa,内表面应力值约为363 MPa,且在材料屈服极限内,不同压力倍率下液压缸结构件应力应变分布规律保持一致。     

多晶硅纳米膜压阻超薄微梁加速度敏感结构

随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展,硅基加速度传感器已经得到广泛应用。但在敏感结构设计中,普遍存在灵敏度与固有谐振频率相互制约的矛盾。为此,采用多晶硅纳米膜作应变电阻,设计了300 nm超薄微梁加速度敏感结构。这种结构的设计改善了灵敏度与谐振频率之间的矛盾,使两者乘积值提高了30余倍,从而使压阻加速度计的性能得到大幅提升。     

联动薄膜电容式压力传感器的特性分析与制备北大核心CSCD

工业领域中,目前研发的高精度MEMS压力传感器大多基于接触电容式结构,这种结构虽然一定程度上改善了普通电容式压力传感器的非线性问题,但其线性响应范围较小,限制了应用与开发,线性度也需要进一步提高。文中采用联动膜电容式压力敏感结构对其进行了研究与制作。基于有限元方法对压力敏感结构的响应特性进行了分析,仿真结果表明,该结构在增加线性响应范围和提高线性度方面表现出显著优势。试制了量程为100 kPa的样品芯片,测试结果表明,在25~100 kPa的压力范围内,样品芯片的灵敏度达到0.058 pF/kPa,其非线性度为4.83%FS。     

中心梁式测力传感器

<正> 新型的电阻应变式测力传感器——中心梁式测力传感器适用于小量程的测力和称重,在额定载荷5—50公斤范围之间,传感器弹性体的设计加工都较为容易。与目前国内小量程力传感器的几种定型产品相比,它的性能具有独特之处。一、工作原理与受力分析中心梁式测力传感器结构如图1所示。它被设计成三层结构式。上下二层结构和两端刚性块相连,形成了一副带有四个等刚度圆弧的     

小量程梁式称重传感器的受力分析与理论计算

为使小量程称重传感器具有较高的灵敏度和刚度，选择弹性元件的结构形式和金属材料至关重要，为满足体积小、高度低、重量轻等小型化要求，多选择梁式结构。本文介绍了双端固支梁、悬臂梁、薄壁梁式小量程称重传感器弹性元件的结构与特点，受力分析与理论计算，弹性模量效应及电阻应变计基底材料影响，并给出结构设计与计算实例。