电磁激励谐振式MEMS压力传感器闭环控制研究

在谐振器动力学分析的基础上,系统地比较了谐振式压力传感器检测速度谐振频率和检测位移谐振频率的优缺点.设计出一种零相移的电磁激励谐振式MEMS压力传感器闭环控制系统,该系统利用检测速度谐振频率提高传感器的信号检测稳定性,并且控制电路无需移相环节即可保证传感器在工作频率范围内实现稳定可靠的闭环自激.实验结果表明,采用该闭环控制系统的传感器具有较高的稳定性,传感器长时漂移低于0.025%F.S.,在10 hPa～1 050 hPa范围内非线性度为0.06%.     

静电激励硅微机械谐振压力传感器设计

设计了一种静电激励/电容检测的硅微机械谐振压力传感器,采用改进的侧向动平衡双端固支音叉谐振器,利用基于绝缘体上硅的加工工艺制作。为了抑制压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度变化,在谐振器固定端设计了全新的桁架结构。针对传感器检测信号微弱和同频干扰严重的特点,在芯体和接口电路设计中采取添加屏蔽电极、降低交流驱动电压幅值、差动电容检测和高频载波调制解调方案等多项措施。同时基于该接口电路设计了开环测试系统,并在常压封装条件下对传感器进行了初步性能测试。实验结果表明:其基础谐振频率为33.886 kHz,振动品质因数为1222;测量范围为表压0~280 kPa,非线性为0.018%FS,迟滞为0.176%FS,重复性为0.213%FS;在-20~60℃的温度范围内,谐振器的平均温度漂移为-0.037%/℃。     

光纤耦合谐振式压力传感器

研制了一种以谐振石英晶体为敏感元件的光纤耦合压机传感器。该传感器的电测探头采用低功耗电子集成电路,被测压力用频率信号调制并用光纤传输。这下仅使它适用于特殊环境下的信号位测,而且具有光纤传输的高抗干扰能力。本文介绍传感器的设计思想想、结构特点及工作原理,并给出压力测试结果。     

一种硅微谐振式压力传感器的敏感膜片设计

根据正方形膜片的变形和应力分布情况,提出了一种硅微谐振式压力传感器敏感膜片的设计方法,设计了两种正方形间接连接式压力敏感膜片.在相同的膜片面积下,新膜片与原有矩形间接连接式压力敏感膜片性能相近,为内部谐振器的多样化提供了基础.最后,就压力敏感膜片的工艺设计进行了探讨,认为采用正方形凸角补偿结构的〈110〉硅岛和采用边长补偿的〈100〉硅岛最适合间接连接式压力敏感膜片.     

基于SOI-MEMS工艺的谐振式压力传感器研究

提出了一种电磁激励、差分检测的谐振式MEMS压力传感器,该器件采用低电阻率的SOI器件层单晶硅制作“H”型谐振梁,并作为激励和检测电极。根据对传感器数学模型的分析,利用有限元分析方法优化了传感器结构设计。采用等离子深刻蚀制作传感器结构,并用湿法腐蚀SOI二氧化硅层的方法释放。利用硅-玻璃阳极键合技术,实现了传感器的圆片级真空封装。采用开环扫描检测和闭环自激振荡方式,测定压力传感器的特性。实验结果表明：传感器一致性良好,在500~1100hPa的检测范围内,差分检测灵敏度为14.96Hz/hPa,线性相关系数为0.999996。     

热激励谐振式硅微结构压力传感器闭环系统

讨论了一 执 式硅微结构压力传感器闭环系统。该谐振式硅微结构压力传感器以方形硅膜片作为一次敏感元件;硅梁作为二次敏感元件。在硅梁谐振子的中部设置一电阻,作为热激励单元;在梁的要部设置一压敏电阻,作为拾振单元。基于该夺式硅微结构压力传感器敏感机理,分析了信号的相互转换,给出传感器闭环系统实现的条件。     

硅谐振式压力微传感器模型与开环特性测试

基于谐振式硅微结构压力传感器幅、相频率特性的分析,利用北京航空航天大学微传感器实验室研制的谐振式硅微结构传感器开环测试系统的测试实验结果和Matlab实验数据处理与拟和分析计算,建立了微传感器的二阶模型.该模型排除了未知相位延迟的影响,从幅值和相位混合的测试数据中精确计算出谐振频率、品质因数以及相位特性,为闭环测试系统的研制提供了依据.     

微结构谐振梁式压力传感器研究

利用微电子机械加工技术成功地研制出电势激励、压阻拾振的高精度硅谐振梁式压力传感器,传感器的谐振器的品质因素Ｑ值大于１７０００。采用扫描检测方式和闭环自激振荡方式测定压力传感器的压力特性,其压力测试范围为０￣４００ｋＰａ,线性相关系数为０．９９９９５,测试精度小于０。０６％Ｆ．Ｓ。     

扩散硅谐振式压力传感器同频干扰的建模与消除

为简化谐振式微机械压力传感器的制备工艺,提出了一种采用扩散硅作为谐振梁的压力传感器,并采用电磁激励实现传感器的闭环控制.实验中发现:由于采用扩散硅材料,传感器受到较为严重的同频干扰影响,因此,消除传感器的同频干扰成为需要解决的一个主要问题.通过对采用扩散硅作为谐振梁的压力传感器微结构进行分析,建立了传感器主要噪声来源同频干扰的等效电路模型,据此提出一种新的不对称双端激励解决方法.实验结果表明,该方法可有效地降低传感器的同频干扰,传感器的信噪比由1.53提高至35,为传感器闭环激励和检测提供了有效的手段.     

MEMS氮化钛谐振式压力传感器研究

提出了一种基于TiN双谐振梁结构的MEMS谐振式压力传感器,利用TiN谐振梁的谐振频率与被测压力的关系进行压力测量。针对传感器的敏感结构建立了数学模型,通过理论分析和ANSYS有限元软件的模拟,得出了谐振梁长度的变化范围和谐振梁的结构参数,并确定了TiN谐振梁在矩形压力膜上方的最佳位置。这对传感器的结构设计具有重要的指导意义。     

Micromachined Acoustic Resonant Mass Sensor

This paper describes a highly sensitive, film bulk acoustic resonator (FBAR) mass sensor (built on a micromachined silicon-nitride diaphragm with a piezoelectric thin film and Al electrodes) that can operate in vapor and liquid. The sensitivity of the device to mass change on its surface has been investigated by having various thicknesses of silicon-nitride support layer and also of Al layer. The sensor is measured to have a mass sensitivity of 726 cm$^2$/g, which is about 50 times that of a typical quartz crystal microbalance (QCM). In vapor, the sensor (operating at around 1 GHz and having a relatively high quality (Q) factor of 200–300) shows a minimum detectable frequency shift of about 400 Hz, which corresponds to a mass change of$10^-9$g/cm$^2$on the sensor surface, comparable with that detectable by a QCM. In liquid, though the Q usually drops more than an order of magnitude, we obtain a Q of 40 at 2 GHz by using a second harmonic resonance of the resonator. And with the Q, a minimum 5 ppm resonant frequency shift can be detected, which corresponds to$10^- 8$g/cm$^2$change on the sensor surface.hfillhbox[1374]     

谐振式微传感器低功耗专用信号源研究

为满足皆振式微传感器对信号源低功耗、低失真的要求,本文提出了一种对现有DDS(直接数字合成)技术进行改进的方案,将现有的零阶保持逼近改进成为折线逼近来减小失真,并通过详细的公式推导给出了改进后波形失真度THD(总谐波失真)的计算公式.最后给出了MATLAB仿真结果和电路实现结果来验证方案可行性.结果表明在同等失真度下本...     

静电驱动MEMS谐振式压力传感器闭环拓扑研究

谐振式压力传感器闭环拓扑结构对保持机械谐振器振荡的稳定性和可靠性起着重要作用.针对一种典型结构的静电驱动电容检测MEMS谐振式压力传感器,在分析工作原理的基础上,构建了其混合信号模型.基于该模型搭建了自激振荡、自动增益控制、锁相环和带AGC的自激振荡四种闭环拓扑结构.在混合信号仿真平台下,对四种拓扑结构在起振状况、自动...     

一种电容式微机械加速度计的设计

介绍了一种新型基于滑膜阻尼的电容式微机械加速度计.该加速度计根据差分电容极板间正对面积的改变来检测加速度大小,保证了输出电压与加速度之间的线性度.对加速度计进行了结构设计和分析.给出了加速度计的制作工艺流程,研究了解决深反应离子刻蚀过程中的过刻蚀现象的方法.初步测试结果表明,该加速度计的灵敏度比较理想,谐振频率与理论计算相吻合.     

硅岛式微谐振压力传感器灵敏度分析与仿真

微谐振式压力传感器尺寸小、重量轻、精度高并具有效字输出,在航空航天等领域有着广阔的应用前景.然而由于微机械加工工艺的限制,复杂结构的制作存在很多困难,因而为实现高灵敏度压力测量,微谐振式压力传感器的结构设计就显得尤为重要,因此提出一种新型硅岛式谐振梁支撑结构,它利用硅薄膜作为典型的一次敏感元件,并在其上表面中央部位设计了两个硅岛凸起平台,用以固定硅谐振梁,并通过有限元软件ANSYS进行仿真.分析结果表明,在一定量程内,该结构能有效提高谐振梁内的应力放大倍数,进而提高微压力传感器的灵敏度.     

微型电容式压力传感器中的温度效应

主要介绍了利用硅-硅键合技术制作的微型电容式温度传感器的温度效应,给出了详细的制作工艺.文中对测试装置进行了详细介绍和深入分析.最后对制作的传感器器件进行了测试,并对测试结果进行分析.结果表明这种微传感器的温度影响需要校正,否则影响传感器的的线性工作范围.     

LC谐振式压力传感器的高温关键参数研究

无线无源高温压力传感器在高温、高压等恶劣环境中应用日益广泛,其耐高温性能已成为衡量传感器的一项最基本且重要的指标。利用低温共烧陶瓷LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)技术,分别设计和制作了陶瓷基片上电感及电容器件,并进行高温特性测试,通过讨论和分析确定了造成电感和电容随温度变化的原因。测试结果表明:在100℃~500℃温度范围内,电感L基本保持不变,等效串联电阻R增大了2.7倍,电容C增大了5.3%,从而LC谐振传感器的品质因数Q减小了72.8%。该测试及分析对高温环境下基于LC谐振式压力传感器的优化设计具有重要的指导意义。