MEMS传感器在医疗领域的研究

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）是一种基于半导体技术,以硅作为主要材料,集成了微机电元件和微电子信息处理系统的微型器件。这种器件通常是在硅晶片上制造的,采用半导体加工技术,通过光刻和刻蚀等工艺在半导体材料上制造微型机械结构,如微桥和悬臂梁,并将它们与电路相融合,形成一个可以采集信号的装置。硅的机械性能良好,可以作为微型机械的结构材料,而且与传统的集成电路制造工艺兼容。文章主要探讨了MEMS传感器的发展及其在医疗领域中的应用。首先,介绍了MEMS传感器的定义和发展历程,举例说明其工作原理、主要类型以及发展趋势;然后,重点讨论了MEMS压力传感器在医疗诊断、临床治疗和健康监测中的应用;最后,对MEMS传感器面临的主要挑战和发展机遇进行总结,并对其在医疗领域的应用前景进行展望。     

压阻式高温压力传感器温度补偿与信号调理设计与测试

设计制作了一种集成信号调理电路的高温压阻式压力传感器,包含倒装式的压敏敏片、无源电阻温度补偿电路和信号调理电路组成;压敏芯片的制作采用SOI材料和MEMS标准工艺,温度补偿和信号调理电路采用高温电子元件;试验表明,无源电阻温度补偿具有显著的效果;此外,采用了高温信号调理电路来提高传感器的输出灵敏度,通过温度补偿来降低输出灵敏度;与传统的经验算法相比,所提出的无源电阻温度补偿技术具有更小的温度漂移,在220℃条件下传感器输出灵敏度为4.93 mV/100 kPa,传感器灵敏度为总体测量精度为±2%FS;此外,由于柔性传感器的输出电压可调,因此不需要使用一般的电压转换器随动压力变送器,这大大降低了测试系统的成本,有望在恶劣环境下的压力测量中得到高度应用。     

基于微流量热导传感器的氢气浓度检测系统研究

对氢气分析仪器中的核心传感器进行研究,采用基于MEMS工艺的微型热导传感器,代替现有分析仪器常用热导池检测器,设计了氢气浓度检测系统机械结构;设计信号调理电路,并在传感器外部设计环境温度控制电路,以实现传感器的恒温检测.传感器输出的微弱信号经测量电桥调理输出,通过集成运算放大器加法、放大运算,最后把标准电压信号送入单片...     

MEMS压力传感器批量组装设备的研制

针对当前MEMS产业化推进过程中的小批量的发展现状,研究面向批量组装的MEMS微操作实用化系统具有重要实际价值.针对MEMS高温压力传感器产业化发展过程中的批量化键合工艺需求,从分析压力传感器键合工艺入手,研究批量组装关键技术,最后进行系统集成研制MEMS压力传感器批量组装设备.批量组装实验表明该系统可实现典型MEMS传感器批量组装,对MEMS产业化发展具有重要意义.     

业界动态

重庆大学"MEMS微型发电机系统"原理样机研制成功近日,由重庆大学承担的863计划MEMS专项课题“MEMS微型发电系统”原理样机通过了由自动化技术领域办公室组织的验收。该MEMS微型发电机的成功研制,将为微型能源与微传感器、微执行器、电路和微系统的一体化集成打下坚实的理论和技术基础。该样机具有微型化、高效能、长寿命、无需电池充电或燃料的更换、无废物输出、使用方便灵活、可批量生产等优点,在植入式装置、分布式传感器系统、无线通信、交通、玩具、航空航天、环境监测等领域具有广泛的应用前景与市场需求。读者服务卡编号021□…     

微型高温压力传感器芯片设计分析与优化

基于弹性力学和板壳力学理论,分析了微型高温压力传感器圆形膜片的受力分布,为力敏电阻在应变膜上的布置提供依据;利用有限元分析方法,借助ANSYS仿真软件,对微型高温压力传感器应变膜进行了一系列的分析和计算机模拟,探讨了传感器圆形应变膜简化应力模型的合理性以及温度对应力差分布的影响,得到了直观可靠的结果,为微型高温压力传感器芯片设计和研发新颖的微型高温压力传感器芯片提供有力的依据.     

电容式传感器在义齿检测系统中的应用

详细给出了一种用微型电容式压力传感器镶入义齿基托的义齿受力检测系统。根据电容式压力传感器的工作原理,采用微机电系统(MEMS)工艺,研制出微型电容式压力传感器。通过传感器的埋入封装工艺,在与义齿基托相同材料的作底基的树脂上挖一个边长为2 mm平整的方形小坑,将传感器分布式埋植入底基,并用自制施加压力的装置对义齿对口腔下方组织的作用力进行测试。测量结果表明:本系统能够准确地测量出当牙齿咬合时,义齿基托所承受的力和力的分布。该传感器性能良好,具有比较稳定的输入与输出关系,适用于口腔恶劣环境下测量义齿对口腔下方的组织作用力。     

基于MEMS三相栅式位移传感器信号调理电路设计

根据基于微机电系统(MEMS)的三相栅式位移传感器测量原理和输出信号特点,设计了一种信号调理电路。该电路主要由差分前置放大电路、带通有源滤波器和波形变换电路组成。波形变换电路设计采用了非线性放大方法来提高信噪比和检测灵敏度。以此信号调理电路搭建的位移测量系统读数稳定性达到1″,表明该电路稳定性达到测量要求。     

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MEMS工艺的SOI高温压力传感器设计

利用MEMS(微机电系统)工艺中的扩散,刻蚀,氧化,金属溅射等工艺制备出SOI高温压力敏感芯片,并通过静电键合工艺在SOI芯片背面和玻璃间形成真空参考腔,最后通过引线键合工艺完成敏感芯片与外部设备的电气连接.对封装的敏感芯片进行高温下的加压测试,高温压力测试结果表明,在21℃(常温)至300℃的温度范围内,传感器敏感芯片可在压力量程内正常工作,传感器敏感芯片的线性度从0.9 985下降为0.9 865,控制在较小的范围内.高温压力下的性能测试结果表明,该压力传感器可用于300℃恶劣环境下的压力测量,其高温下的稳定性能为压阻式高温压力芯片的研制提供了参考.     

CMOS integrated elliptic diaphragm capacitive pressure sensor in SiGe MEMS

A novel CMOS integrated Micro-Electro-Mechanical capacitive pressure sensor in SiGe MEMS (Silicon Germanium Micro-Electro-Mechanical System) process is designed and analyzed. Excellent mechanical stress–strain behavior of Polycrystalline Silicon Germanium (Poly-SiGe) is utilized effectively in this MEMS design to characterize the structure of the pressure sensor diaphragm element. The edge clamped elliptic structured diaphragm uses semi-major axis clamp springs to yield high sensitivity, wide dynamic range and good linearity. Integrated on-chip signal conditioning circuit in 0.18 μm TSMC CMOS process (forming the host substrate base for the SiGe MEMS) is also implemented to achieve a high overall gain of 102 dB for the MEMS sensor. A high sensitivity of 0.17 mV/hPa (@1.4 V supply), with a non linearity of around 1 % is achieved for the full scale range of applied pressure load. The diaphragm with a wide dynamic range of 100–1,000 hPa stacked on top of the CMOS circuitry, effectively reduces the combined sensor and conditioning implementation area of the intelligent sensor chip.     

A flexible encapsulated MEMS pressure sensor system for biomechanical applications

 The use of pressure sensors made of conductive polymers is common in biomechanical applications. Unfortunately, hysteresis, nonlinearity, non-repeatability and creep have a significant effect on the pressure readings when such conductive polymers are used. The objective of this paper is to explore the potential of a new flexible encapsulated micro electromechanical system (MEMS) pressure sensor system as an alternative for human interface pressure measurement. A prototype has been designed, fabricated, and characterized. Testing has shown that the proposed packaging approach shows very little degradation in the performance characteristics of the original MEMS pressure sensor. The much-needed characteristics of repeatability, linearity, low hysteresis, temperature independency are preserved. Thus the flexible encapsulated MEMS pressure sensor system is very promising and shows superiority over the commercially available conductive polymer film sensors for pressure measurement in biomechanical applications. Received: 1 December 1999/Accepted: 17 August 2000     

基于MSP430AFE231系统数据采集模块的硬件设计

以16位的微控制器MSP430AFE221为控制核心;设计单电源供电的信号放大电路和低通滤波电路,对压力传感器输出信号进行处理;通过MSP430AFE221内部24位ADC模块(SD_24A)进行模数转换;设计电源电路,应用于低功耗情况.设计与CC1101无线数据传输模块连接的接口电路.     

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.     

压力传感器在石化行业的应用与国产化探讨

分析了石化行业对压力变送器的需求,得出石化行业对压力传感器的要求:测量精度、快速响应、温度特性和静压特性、长期稳定性。微压力传感器具有许多传统压力传感器不具备的优点,能够满足石化行业对压力传感器的要求。介绍了当前石化领域正在使用的MEMS压力传感器及其结构特点;对比国内外厂商生产的压力传感器性能,明确了压力传感器国产化问题的关键是如何提高传感器长期稳定性问题。     

Analysis and design of a wide micro beam as a pressure gauge for high sensitivity MEMS fingerprint sensors

Sensitivity improvement is a challenging issue in miniature pressure sensors. To improve sensitivity and linearity of the device, a wide micro beam structure has been proposed to gauge capacitance changes caused by the applied pressure in a capacitive MEMS fingerprint sensor. Bending behavior of the device and the effect of the protrusion geometry on partial loading of the micro beam has been analytically investigated. Based on the idea of efficient loading of the wide micro beam, an improved design for the capacitive fingerprint sensor is developed to increase sensitivity. It is shown with FEM simulations that the micro wide beam design is superior to the common membrane based MEMS fingerprint sensors in terms of sensitivity and linearity.     

高于室温环境的热式气体微流量传感器性能分析

为了探索平板微热管的传热特性,了解微热管内不同温度区间的蒸汽传输特性,开展了热式气体微流量传感器及其检测系统的设计。设计了一种便于探索最佳温度测量点的热式微流量传感器结构,利用MEMS工艺进行加工制作,在不同环境温度下对其性能进行了测试,得到了环境温度与热式微流量传感器性能的关系。基于MSP430单片机和C＃语言自主开发了流量传感器检测系统,可对一定范围内的流量进行实时检测,并实时绘制流速随时间的变化曲线。研究表明,采用本文设计的热式微流量传感器结构,可以检测高于室温环境下的微流量气体,并可通过提高加热器温度或改变测温电阻对的测量位置来提高测量灵敏度。     

Design and simulation of a thermo transfer type MEMS based micro flow sensor for arterial blood flow measurement

Thermo transfer type MEMS (Micro Electro Mechanical System) based micro flow sensing device have promising potential to solve the limitation of implantable arterial blood flow rate monitoring. The present paper emphasizes on modeling and simulation of MEMS based micro flow sensing device, which will be capable of implantable arterial blood flow rate measurement. It describes the basic design and model architecture of thermal type micro flow sensor. A pair of thin film micro heaters is designed through MEMS micro machining process and simulated using CoventorWare; a finite element based numerical code. A rectangular cross section micro channel has been modeled where in micro heater and thermal sensors are embedded using the same CoventorWare tools. Some promising and interesting results of thermal dissipation depending upon very small amount of flow rate through the micro channel are investigated. It is observed that measuring the variation of temperature difference between downstream and upstream, the variation of fluid flow rate in the micro channel can be measured. The numerical simulation results also shows that the temperature distribution profile of the heated surface depends upon microfluidic flow rate i.e. convective heat transfer is directly proportional to the microfluidic flow rate on the surface of the insulating membrane. The simplified analytical model of the thermo transfer type flow sensor is presented and verified by simulation results, which are very promising for application in arterial blood flow rate measuring in implantable micro devices for continuous monitoring of cardiac output.