特种微机电系统压力传感器

通过对微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)压力传感器设计方法与封装制作工艺问题的研究,针对不同应用环境下对压力传感器的性能、尺寸及封装要求,提出相应的传感器力学结构模型——微压结构、梁膜结构及倒杯结构,通过相应的FEM有限元建模方法对传感器结构进行仿真分析并优化结构尺寸,建立合理的力学结构;进行MEMS工艺设计及封装工艺满足传感器微小尺寸、耐高温冲击响应及高过载能力等要求。其中,针对微压传感器在测量过程中高灵敏度与非线性矛盾问题进行力学分析及仿真,分析不同结构的传感器的力学特性及结构尺寸对传感器输出特性的影响,提出新型梁膜结构微压传感器结构,对新型结构传感器进行MEMS工艺研究;根据空气动力学试验、航空测试及火药爆破试验等对高温压力传感器的动态特性要求,采用倒杯式高频响压力传感器及齐平膜封装方式,提高传感器的动态响应特性,满足10 kHz到1 MHz的频响要求;通过有限元分析耐高温冲击封装结构,采用梁膜封装结构提高了耐高温压力传感器的可靠性。通过压力传感器仿真验证、静态特性试验及动态冲击响应试验验证传感器力学结构建模方法、MEMS工艺设计及封装设计的正确性。     

基于洛伦兹力的MEMS磁传感器的研究进展

文中对制作MEMS磁传感器过程中涉及的主要设计参数、器件的制备工艺进行了介绍,综述了基于洛伦兹力的各种结构MEMS磁传感器的灵敏度、品质因子、噪声和探测极限等特性,并对其未来发展进行了展望。     

MEMS加速度传感器在微位移测量中的应用研究

MEMS加速度传感器在微位移测量中有着广泛的应用,文章介绍了目前世界上主要的MEMS加速度传感器研究和生产情况,并针对MEMS加速度传感器在微位移测量方面的应用进行了概述,对其应用领域、研究方法和得出的结论进行了分析与评述,提出了目前存在的问题,并给出了相关的建议,为MEMS加速度传感器的进一步研究和应用提供参考。     

CMOS集成电容湿度传感器

CMOS集成湿度传感器是利用MEMS技术基于CMOS工艺的新型传感器，将传感器结构与接口电路集成在同一块片子上，具有体积小，价廉、可靠性高等优点，利于批量生产和系统集成。主要介绍了湿度传感器的工作原理和一些常用感湿介质，如多孔硅、聚酰亚胺、空气的感湿特性，比较了几种流行的湿度传感器结构以及接口信号处理电路像开关电容电路、多谐振荡电路之间的优缺点。最后给出了微系统集成的概念，并对CMOS集成湿度传感器的应用前景进行了展望。     

微型光纤磁传感器的设计与制作

提出了一种基于微机电系统(MEMS)扭镜结构的光纤磁场传感器,并利用对角度变化非常敏感的双光纤准直器对扭镜的扭转角度进行了检测.该MEMS光纤磁传感器由MEMS扭镜结构、磁性敏感薄膜和双光纤准直器组成.文中分析了器件的磁敏感原理和光纤检测原理,介绍了器件综合设计方法,并给出了器件的结构参数.利用MEMS加工技术成功制作出了MEMS光纤磁传感器样品,最终得到的磁传感器的尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5mm.对磁传感器进行了实验测试,得到的输出实验值与理论值吻合.测试结果表明,该磁传感器的光纤检测灵敏度可达到0.65 dB/mT,最小可分辨磁场可达167 nT.将MEMS敏感结构与光纤检测相结合,该传感器兼备了两者的优点,结构紧凑、制作工艺简单、工作时无需电流激励.     

表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递分析

表面粘贴式MEMS应变传感器已被广泛运用于航空航天、汽车工业及土木工程等领域的应变测量和监测中。但由于粘接层的影响,结构的应变并不能全部准确、有效地传递到MEMS应变传感器上,造成传感器的测量值与结构的真实应变之间存在一定误差。为了分析表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递机理,基于剪滞理论建立了MEMS应变传感器的力学分析模型,推导出基体和MEMS应变传感器基底上的应变分布、粘接层中的剪力分布及表征MEMS应变传感器应变传递效果的应变传递率,并与有限元数值模拟结果进行了比较。特别地,具体分析了粘接层及MEMS应变传感器基底的几何参数和物理特性参数对应变传递率的影响。结果表明,金属类粘接材料的应变传递率明显高于有机胶的应变传递率,且粘接层厚度越薄,应变传递效果越好。此外,在制造MEMS应变传感器时,采用厚度较薄的Si或Si C基底能保证较高的应变传递率。     

微型电容式压力传感器的制作与测试

从应用开发MEMS产品的实用角度出发，介绍了利用硅一硅键合技术制作的微型电容式压力传感器，给出了详细的制作工艺及主要工艺步骤图。对微传感器所用的测试装置的组成、测试电路的工作过程进行了详细介绍和深入分析。最后对不同尺寸的微传感器器件进行了测试，并对测试结果进行具体分析。结果表明：该微传感器具有良好的线性工作范围、良好的稳定性和较高的灵敏度。     

面向微机电系统组装与封装的微操作装备关键技术

对微机电系统(Micro electro mechanical systems, MEMS)组装与封装工艺的特点进行了总结分析,给出了MEMS组装与封装设备的研究现状。针对MEMS产业发展的特点,分析了面向MEMS组装与封装的微操作设备中的工艺参数优化数据库、快速精密定位、模块化作业工具、快速显微视觉、柔性装夹和自动化物流等关键技术。在此基础上,详细介绍了研制的MEMS传感器阳极化键合设备和引线键合设备的组成结构、工作原理,并给出了组装和封装试验结果。最后,指出了MEMS组装与封装技术及设备研制的发展趋势。     

本刊传感器技术栏目介绍

该栏目主要报道传感器在研制开发中的新技术，包括各种新型传感器的结构、原理、设计、计算、工艺测试及应用技术；介绍传感器方面最新发展现状及方向，并对其应用前景和发展趋势进行展望或预测。     

基于MEMS工艺的光强调制型光纤氢传感器

现有的氢传感器都是根据钯膜吸氢而产生膨胀的这个特点设计而成，但这些传感器基本上都存在着结构复杂、价格高、市场化比较困难、配套设备昂贵等特点。介绍一种基于MEMS工艺的光强调制型光纤传感器，说明该传感器的工作原理，并且给出了相关的制作工艺流程，最后对其测试性能进行了必要的探讨。证明了此类传感器不仪具有低成本、结构简单、适宜于批量生产等优点，而且在一定的测氢范围内具有相当良好的灵敏度和稳定性。     

MEMS传感器性能提高相关技术研究

在分析MEMS（微电子机械系统）传感器当前的发展现状、特点特别是在器件实用化和产品化进程中所面临的挑战后，提出了MEMS传感器技术实用化的关键－提高器件性能满足应用要求。根据研究经历举例说明改进传感器材料、结构、制作工艺和器件工作原理等具体措施对提高器件性能的作用。     

石油勘探MEMS加速度传感器在煤田勘探的应用

介绍了一种石油勘探MEMS加速度传感器，该传感器是一种适应石油、煤田地震勘探设备向小型化、高分辨率、智能化方向发展的一种新产品。对石油勘探MEMS加速度传感器与传统检波器的特点进行了比较分析，介绍了该传感器已达到的技术指标和与国外同类产品的比较情况，同时介绍了数据采集及多传感器融合技术、地震勘探系统接口技术等应用方面的研究，最后介绍了该传感器在煤田勘探的实验情况。     

用于智能结构自诊断、自修复的新型光纤传感测试仪

介绍了空心光纤的传感性能及其在力学量测试中的应用，并对传感机理进行了简要地分析，主要侧重于空心光纤传感测试仪的研制，并通过实验验证了传感器测试仪用于智能结构损伤位置自诊断以及损伤处自修复的可行性。     

平面电极型MEMS电化学地震传感器

针对传统电化学地震传感器的加工工艺成本高、一致性差等问题,设计了一种新的平面电极型微机电系统(MEMS)电化学地震传感器结构。建立了平面电极型MEMS电化学地震传感器的计算模型,通过Comsol多场耦合数值模拟分析方法,对影响传感器的结构参数如:电极宽度、电极间距、流道高度等进行了计算和优化。采用MEMS表面工艺和准LIGA工艺,制备了平面电极型MEMS电化学地震传感器。最后,与采用传统方法精密加工的MET2003器件进行了频率响应和微震动的对比测试。实验结果表明:与MET2003器件相比,平面电极型MEMS电化学地震传感器的带宽从1Hz扩展到了30Hz,两种器件的采集结果具有很好的相关性和一致性,相关系数为0.887,在1Hz处的噪声低于120dB。     

引信MEMS静电探测器阵列设计

引信可以利用空中目标运动产生的静电场信息对目标进行探测,而MEMS的特殊性能非常适合于引信静电探测器的设计。在引信有限的体积内布设MEMS静电探测阵列,通过对目标静电场信息进行检测,可以获得目标的位置和速度信息。本文运用表面加工工艺设计了一种MEMS薄膜电极的垂直振动式电场传感器阵列。介绍了该电场传感器探测单元及阵列的结构、组成及工作原理,说明了该器件的加工工艺。通过MEMS静电探测单元的空间布阵,研究了引信MEMS静电探测阵列对目标定位的原理,推导了目标定位的公式,使用MEMS静电探测阵列探测了目标的静电场,实现了对目标位置的定位。     

机械故障信息监测MEMS高频加速度传感器

结合机械故障信息监测的需求,将微机电系统(micro electro-mechanical system,简称MEMS)传感器技术引入到机械装备的振动测量中,介绍了压阻式MEMS加速度传感器的检测原理、结构设计、微加工工艺及其关键技术。以"小变形-大应力"为敏感结构设计思路,研制了梁膜结构、孔缝双桥结构以及复合多梁结构3种高频加速度传感器,以满足高速制造装备的振动信号监测对传感器的需求。通过静态、动态性能测试实验可以看出,3种结构均在一定程度上提升了传感器的测量性能,实际测振实验也说明所研制的MEMS加速度传感器具备了装备振动信号检测所需的功能。具有微型化、低成本以及可大规模生产潜力的MEMS传感器的发展为高端机械制造装备的发展提供了新的器件支持,推动主轴部件等的智能化、一体化发展。     

部分国家/地区支持推动MEMS发展的举措

微机电系统(MEMS)是基于微机械或微电子技术的微型机电器件或系统,主要包括微传感器、微执行器和微系统等。MEMS由于尺度小,集成度高,功能灵活强大,使人类的操作、加工能力延伸到μm级空间,同时作为新兴的高技术产业,已成为世界各国政府竞相争夺的技术制高点之一。介绍了世界上部分国家和地区在推动MEMS发展方面的各种政策措施,并对我国MEMS的发展具有启示作用。     

中国微纳制造研究进展

介绍了中国微纳制造领域的总体概况。从微构件力学性能、微纳摩擦磨损及粘附行为研究、典型微流体器件输运特性研究、拓扑优化技术在微纳结构设计中的应用研究、微传热学的研究和微测试方法和装置的研究具体介绍了微纳制造基础理论方面取得的进展。从设计方法、硅基微机电系统(Micro electro mechanical system,MEMS)制造工艺、非硅MEMS制造工艺等方面介绍了微系统设计与加工工艺研究进展。从物理量微传感器、微执行器件与系统、微纳生化传感与分析和微能源等方面介绍了微纳器件与微纳系统的研究进展,最后对中国微纳制造发展进行了总结和展望。     

基于硅桥的新型甲醛气体传感器的研究

提出了一种基于高分子薄膜溶胀效应的新型MEMS压阻式甲醛气体传感器,其结构由嵌入惠斯通电桥的硅桥和一层改性丙烯酸酯气敏薄膜构成,敏感薄膜因吸收甲醛气体发生溶胀使硅桥上的惠斯通电桥产生输出电压,从而实现对甲醛气体的检测.基于弹性力学薄板原理构建了该气体传感器中硅桥与改性丙烯酸酯薄膜相互作用的模型,并推导出传感器的输出公式.实验结果验证了理论分析模型,实验结果表明该传感器有很好的线性,选择性.实验测得该传感器灵敏度为0.975×106ecr,分辨率为10×10-6,响应时间和恢复时间分别为50s和65s.该传感器结构简单、无须加热,工艺成熟、成本低,应用MEMS 工艺技术可实现与信号处理电路的集成.     

MEMS传感器研究现状与发展趋势

微型化、集成化及智能化是当今科学技术的主要发展方向。随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)和微加工技术的发展,微型传感器也随之迅速发展。介绍了MEMS传感器概念及种类,并对其研究现状、应用领域进行了分析总结和介绍。最后,对MEMS传感器的一些发展趋势进行了论述和展望。