微机械电容式加速度传感器的设计与加工工艺

对定齿偏置电容式加速度传感器进行了参数设计和优化。通过有限元仿真分析软件计算出其特征频率与典型振动模态,结果表明:传感器具有较大的频率响应范围,检测模态特征频率远小于其他模态,有效减小了交叉干扰。最后,给出了基于MEMS技术的电容式加速度传感器的加工工艺。     

多晶硅表面微机械光学角速率传感器

多晶硅表面微机械技术是微机电系统（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ,ＭＥＭＳ）中重要的加工技术。本文采用这种加工技术,提出了一种基于Ｓａｇｎａｃ效应的新型微机械学光角速率传感器（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ,（ＯＲＳ）。由于采用ＭＥＭＳ的最新技术,安将是一种低成本、微型化的ＯＲＳ,文中给出了ＯＲＳ中环形谐振腔的设计和基本理论分析,并提出了电路和控制系统的     

微机械加速度传感器性能的等效电学模拟

建立了微机械电容式加速度传感器的等效电学模型,通过振动特性的等效电路模型分析了加速度传感器对正弦加速度信号,阶跃加速度信号,及存在反馈时的直流加速度信号的振动位移响应情况;利用压控电容模型分析了加速度传感器检测正弦加速度信号时的小电容检测电路的性能。模拟结果表明采用反馈可以拓宽加速度传感器的测量范围,利用等效电学模型可以优化接口电路的整体性能。     

AD7745在微机械电容式传感器测量电路中的应用

AD7745是一种高性能的∑-△型电容/数字转换器,可直接连接电容传感器的电容进行测量,无需其它外围器件.该芯片还具有高分辨率、高线性以及高精度的突出优点,非常适合测量微机械电容式传感器的微小电容变化,使微机械电容式传感器的应用更加灵活.     

采用环形岛棱结构的电容式压力传感器

改变传感器可动极板的结构是解决MEMS电容式压力传感器信号输出与压力输入呈非线性关系问题的方法之一。设计了一种新型结构电容式压力传感器,其可动极板是LPCVD氮化硅构成的一个方形薄膜,薄膜中心到边缘之间由PECVD氧化硅构筑一个环形岛棱,使可动极板在压力负载下的变形趋于平整,减小了边缘杂散电容带来的非线性,从而改善了该传感器的输出特性。利用有限元方法分析了不同尺寸的动极板在不同外加压力作用下压力与形变的关系,以及相应的应力分布情况,并采用最小二乘拟合直线法计算了压力传感器的线性度。分析结果表明,与常规的双极板微型电容式压力传感器相比,新型结构压力传感器的线性度改善了48.38%,达到了1.6％。     

微机电系统磁流体压力微传感器

由于磁流体具有磁性,如果在磁场作用下力的平衡发生变化,会因磁流体的流动而产生压力。将这种现象用到微系统中,可以获得1～1000mbar数量级的压力值。在试验装置中,用压阻式压力传感器得到了40mbar的压力。试验结果表明,磁流体和微系统的结合具有很大的潜能,为其应用于新的场合提供了研究基础。     

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。     

微谐振式压力传感器的系统级建模与仿真

具有微型化、多域耦合等特点的MEMS传感器对设计具有高精度、高效率、迭代设计、结构与电路联合设计等要求。基于组件库或集总参数的MEMS系统级设计方法虽然满足了这些要求,但在面向特定器件的定制化设计方面却略显不足。以一MEMS谐振式压力传感器为例,提出了一种全参数化系统级建模与仿真方法。在建立的详细数学模型基础上,通过硬件描述语言对传感器谐振子按照详细拓扑结构进行了建模与仿真。仿真结果和实验结果的对比显示这是一种满足MEMS设计要求的建模与仿真方法。     

仿桥梁护舷式抗高过载加速度传感器设计

为了解决用于外弹道信息测量的MEMS加速度传感器无法承受弹丸发射过程中膛内的高过载,易产生器件损坏的问题,设计了一种具有抗高过载能力的低量程电容式加速度传感器.在传感器梁上应力较大、相对易受到撞击而产生断裂的端部位置设置了仿桥梁护舷式的防护台结构,该结构能以自身形变吸收部分撞击时的能量,从而减小传感器本身因撞击而产生的变形.有限元仿真结果表明:引入这种桥梁护舷式防护台的加速度传感器在30000g过载情况下受到的应力由引入前的994.88 MPa降低至70 MPa,因过载导致器件损伤断裂的可能性大幅降低,符合提高传感器抗过载能力的设计预期.     

电容式空隙率传感器有限元仿真及优化

通过有限元软件ANSYS仿真,建立了电容传感器的2D模型,计算了电容传感器的敏感场分布.以敏感场的均匀度为评价函数,基于正交试验法得到了较优的传感器结构.     

重力加速度计在硅微机械陀螺信号解调中的应用

硅微机械陀螺的一个重要应用是获取旋转载体的偏转方向,获取准确的旋转载体的自旋频率可以提高其解算精度.由于陀螺自身信号耦合了旋转载体做圆锥运动的频率,用其测得的自旋频率就包含了圆锥运动的频率.试验仿真了旋转载体在空间中做圆锥运动时不会对重力加速度计信号的频率产生调制作用,因此可以用重力加速度计测旋转载体的自旋频率,相对误差仅为1.25%;以地面作为参考坐标系,重力加速度计信号为参照信号,比较陀螺信号和重力加速度计信号的相位差,再减去相位差中含有的滞后值,进而可以计算旋转载体在空间中实际偏转方向.重力加速度计信号还可以确定旋转载体的舵相对地面坐标系的旋转角度.     

微加速度开关力电接触仿真分析

讨论了微加速度开关触点形貌,建立了触点吸附物理模型;根据微观连续介质理论和微观电接触理论,推导出触点间包含斥力项的吸附力和接触电阻数学模型;经仿真分析,得到质量块同基座间的吸附力可以满足质量块同基座间的稳定电接触要求的结论.     

微机械振动环陀螺

为了减小振动环驱动模态和检测模态的频率差从而提高陀螺性能,提出了一种采用电磁驱动、电磁检测的全对称振动环陀螺结构。采用MEMS体硅工艺完成该微机械振动环陀螺的加工,其结构在保持镜像对称的同时,还保持了中心对称,因此整个结构高度对称,有利于减小模态频率差。为有效跟踪陀螺驱动模态的谐振频率并稳定驱动模态的幅值,设计了闭环驱动控制电路。该电路由低噪声前置放大器、相位调整环节以及自动增益放大器(VGA)组成。测试结果表明,该陀螺两个模态频率差为0.27 Hz,实现了频率较好的匹配。在±200 °/s,测得陀螺灵敏度为8.9 mV/(°/s),分辨力为0.05 °/s,非线性度为0.23%。     

冲击传感器内装电路的减振分析

通过分析冲击传感器内装电路受到高g值的冲击振动时的失效机理,设计了冲击传感器内装电路的减振方案,建立了单层、双层减振系统的力学模型,推导出减振系统的动力学方程组,并搭建出Simulink求解模型,最后对比了某冲击传感器内装电路数值仿真结果和试验数据,可供冲击传感器减振设计参考.     

硅微微压传感器的设计

电容式硅微微压传感器具有灵敏度高、稳定性好、加工复杂程度适中等优点,适用于硅微微压传感器的信号转换.采用ANSYS软件对电容式硅微微压力传感器的核心部件进行有限元模拟,即对周边固支的各种结构类型的应变膜进行均布压力作用下的小挠度和大挠度静力学分析.对比各种结构类型的应变膜的挠度特性发现:圆形带岛波纹薄膜囚其岛部位移的一致性提高了感测电容的灵敏度,其良好的线性降低了后续检测电路的复杂程度,是电容式硅微微压传感器的较好选择.     

体硅加工微电极传感器研究

应用新的体硅加工技术和新的电极表面修饰方法,提出了一种新型电流型微电极传感器.以与IC兼容的硅作为基底材料,利用体硅加工工艺,采用各向异性硅腐蚀及SU-8微反应池方法制成了新型体硅加工电极.同时,铂化并聚合被首次用来作电极表面修饰.以葡萄糖检测为例,使用吡咯作为聚合材料,新传感器与传统的电流型传感器相比,有较小的敏感面积(1mm×1mm)、较大的敏感系数(39.640nA.mM-1.mm-2)、较低的检测下限(1×10-4M)、较宽的检测范围(1×10-4～1×10-2M)、较好的重现性(五次测量的RSD为3.2%)与稳定性(温室保存一个月后活性保留95%以上)、以及易于与处理电路集成等优点.     

一种以多晶硅为振动膜的MEMS传声器研制

给出了以磷掺杂的多晶硅为振动膜的电容式MEMS传声器的研制过程。从等效电路模型出发,研究了电容式MEMS传声器的振动特性和灵敏度,给出了传声器灵敏度随振动膜张力、膜与背板间的空气隙厚度、背板声孔大小及背板声孔所占面积而变化的解析表达式。结合硼掺杂硅/硅复合背板结构MEMS传声器,提供了参考制作工艺流程。样品测试在1kHz频率处的灵敏度达到-60dB(相对于1V/Pa)。     

IEPE加速度计电路噪声分析

研究压电集成电路加速度计的主要噪声源,利用En-In噪声模型将内部噪声源等效输入端,实现了输入噪声和输入信号的直接对比,能容易得到噪声对信号的影响。将Y-Δ变换原理引入T型网络噪声分析,降低噪声分析难度。通过对电路噪声的分析,在宽频范围内推导出可用于计算IEPE加速度计电路本底噪声的公式。将理论计算值与PSpice软件噪声分析所得值进行了对比,证明二者具有良好的相关性,同时得出了各噪声源在输入端对总噪声的贡献,提出了在不同频段内降低总噪声的方法,为IEPE加速度计电路的低噪声设计、参数选择和性能优化提供了理论依据。实验样机的实际值与理论值的对比结果表明,此法对于IEPE加速度计电路低噪声设计具有应用价值。     

高量程压阻加速度传感器横向响应的测试及分析

文中提出了一种高量程压阻加速度传感器的灵敏度和横向灵敏度参数在动态冲击环境下的简易测试方法.采用金属杆自由落体的比较法,即将待测试的加速度传感器和已标定过的加速度传感器以背靠背的形式固定在金属杆的尾端,金属杆从一定高度自由落下与放置在地面上的金属砧发生相互碰撞,利用双通道放大器和计算机数据采集系统同时记录两路信号.实验中分别对6 000 g和60 000 g的压阻加速度传感器进行了研究,该方法具有较好的重复性和可靠性,并分析了测试偏差来源对横向响应的影响.