一种新型CMOS电容式绝对压力传感器的设计

提出了一种新型的采用标准CMOS工艺结合MEMS后处理工艺加工的电容式绝对压力传感器.传感器结构部分是由导体/介质层/导体组成的可变电容器.电容的上下极板分别为CMOS工艺中的多晶硅栅和n阱硅,中间介质层为栅氧化层.在CMOS工艺加工完之后,利用选择性的体硅腐蚀、pn结自停止腐蚀以及阳极键合等MEMS后处理工艺来得到传感器结构.与传统的电容式压力传感器相比,这种结构具有更大的初始固有电容,这样可以抑制寄生电容的影响,从而简化检测电路的设计.文中,应用多层膜理论模型分析了传感器的结构,并利用ANSYS有限元分析对模型进行了验证,并利用电容变化模型分析了传感器的灵敏度.对于边长为800 μm的敏感方膜,初始电容值为1 104pF,传感器灵敏度为46 fF/hPa.同时,本文给出了传感器的电容检测电路的设计.     

基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容式超声传感器设计

针对目前电容超声传感器多采用表面工艺制备,存在振膜应力大、厚度均匀性控制差且表面需要沉积分立电极而造成传感器灵敏度低、归一化位移小、频率易偏差的缺点,提出基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容超声传感器。采用应力小、厚度均匀的SOI顶层硅作为敏感单元的一体化全振微传感薄膜,无需沉积分立电极,易于加工且频率偏差小。通过下电极的区域化定义及巧妙互联,避免了非活跃区的寄生电容。通过ANSYS及MATLAB对所设计的5种工作频率在124 kHz～484 kHz之间、满足水下成像需求的传感器结构进行性能分析,表明传感器的电容变化量为650.62 fF/Pa～10.827 fF/Pa,满足现有条件的信号检测,输出电压灵敏度可达1.700 mV/Pa。与同频率指标的传统基于牺牲工艺而制备的金属-氮化膜堆栈结构对比表明,本结构频率可预测性高,偏差仅为0.0535%;振膜变形更均匀,归一化位移提高0.0432%以上;灵敏度平均提高11.9249 dB。     

电容传感器的设计

在工业生产过程自动控制中,电容测量很重要,特别在高频情况下小电容(0.1～10pF)的测量更为重要。然而小电容的测量,往往不易测准,其测量误差主要是寄生电容造成的。为了提高测量精度,必须设计一种无寄生电容影响的电路,其实际电容传感器的结构和等效电路如图1所示。从图1可以看出,三电极电容传感器是由被测电容C_x、两电极和帘栅极之间的寄生电容C_sl和C_s2组成。三电极电容传感器的等效电路如图lb所示,图中C_p和C'_p是其它寄生电容。但是在实际测量过程中,一般寄生电容是大于被测电     

电容式传感器测量油品中水的体积分数之新方法

提出了一种采用电容式传感器测量油品中水的体积分数的新方法,运用油品中水的体积分数的不同引起油水混合物的介电常数的变化原理设计相应的电容式传感器,传感器调理电路中运用最新集成电容/电压转换芯片XE2004,有效的消除了电路中的引线电缆的分部电容的影响。实验结果表明:当电容式传感器结构一定时,该方法能够较好的克服寄生电容及环境对电容式传感器的干扰,以较高的精度实现油品中水的体积分数的在线测量。     

新型射频电容式物位测量仪

为了测量具有不同导电性物料的高度、提高物位测量仪的抗干扰能力和测量精度,设计了一种单电极、两线制射频电容式物位测量仪.该测量仪基于电容充放电原理,以射频信号为激励,通过电容式传感器测量物位高度;采用差分补偿电容技术,有效地消除了寄生电容的影响;采用光耦隔离测量回路和控制回路,提高了电路的抗干扰能力.实测数据表明,所设计的电容式物位测量仪具有抗干扰能力强、稳定性好的特点.应用前景广泛.     

基于MEMS技术的微电容式加速度传感器的设计

给出了一种基于MEMS技术制作的微电容式加速度传感器的结构及工艺。为了准确地把握这种微电容式加速度传感器的力学和电学特性,仔细地建立了它的力学模型。在此基础上,详细分析了它的动态特性———模态。并用有限元的方法分析和计算了微电容式加速度传感器的加速度与电容信号的非线性输入输出关系,并结合实测参数验证了模型的有效性。最后提出了一种详细的有效的基于MEMS技术的微电容式加速度传感器的结构以及加工工艺流程。基于MEMS技术制作的微电容式加速度传感器具有结构简单、工作可靠和工作范围大的特点。根据这套方法,可以比较方便地设计并加工不同测量要求的加速度计。     

一种新型数字式加速度传感器原理与设计

建立了一种新型纯数字式加速度传感器的理论模型,通过检测吸合时间差检测加速度.该传感器不存在吸合电压的限制,避免了寄生电容的影响,其芯片面积远小于传统电容式加速度传感器;由于输出时间信号,可采用简单的纯数字接口电路检测.理论分析表明,质量块在两个检测电极之间的吸合时间差ΔT与加速度成正比关系,通过检测ΔT的变化即可检测加速度,其灵敏度、非线性与传统电容式加速度传感器相当.设计了一个悬臂梁-质量块结构的加速度传感器,芯片有效面积仅为0.03 mm2,模拟结果显示,工作电压为8 V,加速度为1 gn时,吸合时间的变化ΔT为1.055 4 μs.采用TTL电路进行检测,其分辨率可以达到0.01 gn,满量程±10 gn工作时,非线性度为1.23%.     

基于Verilog-A的电容式MEMS加速度计模型

本文分析了传统MEMS电容式加速度计模型的不足,根据三明治结构电容式加速度计的特点,考虑了寄生电容和热机械噪声的影响,建立了用Verilog-A硬件描述语言实现的模型。该模型与主流集成电路设计环境相兼容,具有很强的可移植性。模拟验证结果表明,该模型如实反映了MEMS电容式加速度计的工作状态,能够为设计单片集成的微弱电容检测电路提供有效的帮助。     

中国微米纳米-微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究

设计制备出三明治结构的电容式柔性压力传感器,并对其性能进行研究.该传感器以银纳米线为电极材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性衬底,同时采用毛面玻璃和光面玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出微纳结构和平面结构的PDMS薄膜.然后采用喷涂法制备AgNWs/PDMS复合电极,以另外一层PDMS为介电层,将两电极面对面封装,得到电容式柔性压力传感器,最后系统研究了传感器的电极微纳结构对器件性能的影响.本文研究表明,具有微纳结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为1.0 kPa-1,而平面结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为0.6 kPa-1,由此可知具有微纳结构的柔性衬底能够显著提高器件的灵敏度.     

基于环状电极的电容式润滑油磨粒检测系统设计

摩擦副非正常磨损时将产生直径为几十微米的大金属磨粒。采用阻抗类方法检测磨粒时,要求传感器具有较高的灵敏度。为此,设计了差分结构的环状极板电容式传感器。应用电容/数字转换芯片AD7746将传感器的输出直接转换为数字信号,省去了前端复杂的信号调理电路,简化了设计,并且有效地降低了寄生电容和杂散电容的影响。实验表明:系统分辨率可以达到0.125 fF,极大提高了系统灵敏度。     

Electromechanical modeling and simulation by the Euler–Lagrange method of a MEMS inertial sensor using a FGMOS as a transducer

In this paper, the electromechanical modeling of a differential capacitive sensor interconnected with a floating-gate MOS (FGMOS) transistor is shown; the model was obtained using the Euler–Lagrange theory to analyze this particular physical system used as an inertial sensor. A design methodology is also shown relating all the physical parameters involved, such as: stiffness, damping associated with the capacitive structure, parasitic capacitances present in the transistor, and the maximum operating voltages to avoid pull-in effect. Cases for symmetric and non symmetric differential capacitance comb arrays are analyzed. A model comparison between conventional mass–spring–damper mechanical systems to a specific electromechanical system for capacitive sensor with its associated readout electronics is shown.     

基于电容传感器的飞机滑油磨粒检测系统设计

飞机发动机的异常摩擦、磨损会在滑油中产生大量的磨粒,对滑油磨粒的有效检测可以为发动机的故障诊断提供可靠信息。设计了一个弧状极板式电容传感器,但传感器中电容变化量非常小,传统方法难以检测,采用交流电桥式电容检测方法。系统以AD9833为DDS信号发生器给交流电桥施加激励信号,经C/V转换、差分放大、相敏解调以及低通滤波等处理后得到实时电压变化。可实现弱信号的精确检测,且能有效克服杂散电容和寄生电容的影响。多次实验结果均表明：该检测系统具有灵敏度高,稳定性好等特点。     

适用于印染流水线上各色布的探边传感器设计

根据对红外光的反射与接收原理,设计了检测印染行业中布置在流水线上所传送方向的探边传感器.采用了6只红外发光二极管交错相对地分布成两排,中间插入两只红外光接收传感器NJL61H400A的结构.各发射管自右至左分时依次发射调制频率为40 kHz的红外光信号;接收传感器检测布对红外光信号的反射情况,由此确认布面边在探边传感器下部中心位置是否发生偏离及其偏离的程度.由于发射管分布成两排,缩短了横向间的间隔,以此提高探边过程的灵敏度.     

基于AD598的LVDT电路稳定性分析

介绍了LVDT传感器和AD598芯片的工作原理,指出了LVDT传感器电路在使用AD598芯片时常见的稳定性问题,通过波特图和公式计算的方法分析了工程应用中出现稳定性问题的原因。运用网络分析仪测试了使用AD598的LVDT传感器电路在带有不同容性负载时的幅频响应特性,实际测量了航空发动机控制系统中LVDT信号传输线缆的寄生电容分布情况,量化分析了寄生电容对传感器工作稳定性的影响。同时针对该类稳定性问题提出了一种易于实施的解决措施,通过试验验证了措施的有效性。LVDT传感器在航空发动机控制系统中应用广泛且十分重要,其信号稳定性的提升对于航空发动机的整体性能有着非常重要的意义。     

Design and analysis of a z-axis tuning fork gyroscope with guided-mechanical coupling

This paper presents design and analysis of a z-axis tuning fork gyroscope. The sensor is designed to reduce noises and improve the sensitivity by using a drive coupling spring in the lozenge shape. The in-phase sensing mode is suppressed by using a self-rotation ring. The designed sensor prioritizes anti-phase driving and sensing modes. The frequencies of anti-phase driving and sensing modes are far from those of parasitic ones. The design also enables the sensing mode to decouple from the driving one, which is considered to decrease vibration-induced error. The proposed sensor structure is analyzed by finite element method. The simulated frequencies of the driving and sensing modes are 9.9 and 10.0 kHz, respectively, which show the bandwidth of sensor of 100 Hz. The frequency difference between the driving and sensing modes and the parasitic ones is obtained to be 50 %. The optimized gap between electrodes leads to the determination of the number of the sensing capacitor fingers and consequently the suitable dimension parameters of the whole device. The sensor performance in the time domain and the frequency domain having the transient response to a given rotation rate is also simulated showing the linear dependence of capacitance change on angular velocity. As a result, the sensitivity of the sensor is evaluated to be 11 fF/°/s.     

Highly sensitive micromachined capacitive pressure sensor with reduced hysteresis and low parasitic capacitance

This paper describes the design and fabrication of a capacitive pressure sensor that has a large capacitance signal and a high sensitivity of 76 pF/bar in touch mode operation. Due to the large signal, problems with parasitic capacitances are avoided and hence it is possible to integrate the sensor with a discrete components electronics circuit for signal conditioning. Using an AC bridge electronics circuit a resolution of 8 mV/mbar is achieved. The large signal is obtained due to a novel membrane structure utilizing closely packed hexagonal elements. The sensor is fabricated in a process based on fusion bonding to create vacuum cavities. The exposed part of the sensor is perfectly flat such that it can be coated with corrosion resistant thin films. Hysteresis is an inherent problem in touch mode capacitive pressure sensors and a technique to significantly reduce it is presented.     

内置式电容层析成像系统传感器优化设计

电容层析成像系统重建图像的质量主要依赖于系统的观测矩阵,即灵敏度矩阵,灵敏度矩阵的特性又由传感器的结构参数所决定的。本文提出了采用反映灵敏度矩阵特性的条件数作为主要的电容传感器优化设计指标,结合表示传感器电极总体灵敏程度的电容变化量指标,兼顾最大、最小电容测量值满足测量范围的要求,进行综合优化设计。通过有限元方法,分析了内置式传感器电极结构参数对电容测量值和灵敏度矩阵的影响,并利用综合指标进行了优化,获得了一组内置式传感器的优化结构参数。     

微小力测量系统的实验研究

介绍了一种微小力值测量系统的设计方法。系统采用了自主设计的传感器结构,充分利用了圆柱形电容传感器量程大、线性好、边缘效应小等特点,通过高精度直线轴承保证了运动的同轴度,又利用增加屏蔽结构等方法用来消除寄生电容的干扰。检测电路基于新型高精度、集成式电容数字转换器AD7747与单片机,实现了对电容变化量dC的精确测量。实验结果表明：该方法为10^-5以下的微小力值测量提供了一种有效的解决方案。     

利于集成且对杂散电容抑制性极佳的开关电容型滤波器

采用单位缓冲器设计对杂散电容不灵敏的开关电容(SC)频率相关负电阻(FDNR)元件,利用该元件对椭圆函数式LC低通滤波器进行SC模拟。为了获得电容最佳值,提出了一种简单的最优化方法;并采用寄生电阻预畸变与SC负电阻相结合的办法,设计的SC滤波器对杂散电容不灵敏,且电路简单。采用分立元件制作了一个五阶椭圆低通SC-FDNR滤波器,实验结果表明该方法实用可行,效果明显。