多驱动电极垂直限幅振动式微型电场传感器

设计了一种具有四个驱动电极和独特支撑结构并基于MEMS技术制作的微型电场传感器。该传感器的四个驱动电极具有完全相同的形状，在使用时可以将其中的两个用作驱动，另外两个作为振动检测电极．监控振动情况。传感器的支撑结构可以限制振动幅度，使传感器在脉冲信号驱动下也能稳定工作。因此该电场传感器除了具备其它微型电场传感器的优点以外．还可以根据应用场合的需要选择不同的驱动模式。从而可以根据具体应用的要求，使用较简单的测试系统减轻重量，或使用较复杂的测试系统提高测试的精度和稳定性。本文介绍了此种传感器的结构，工作原理以及三种不同的驱动模式的实现方法．并讨论了不同模式的应用场合。     

SOI微型电场传感器的设计与测试

该文研制了一种新型的基于SOI (Silicon-On-Insulator)微机械加工技术的高性能电场传感器敏感结构。为提高传感器的灵敏度和信噪比,该器件采用侧面屏蔽感应电极的独特设计方案,降低了传感器屏蔽电极的边缘效应;并基于有限元仿真,进一步优化了传感器敏感结构参数。在室温和室内大气压条件下,测试表明,测试量程0～50 kV/m,传感器总不确定度优于2%,分辨率为50 V/m。     

一种基于MEMS芯片的新型地面大气电场传感器

该文基于MEMS电场敏感芯片,研制出了一种新型的地面大气电场传感器,解决了现有场磨式电场仪易磨损、功耗大、故障率高等问题。敏感芯片采用SOIMUMPS加工工艺制备,其芯片面积仅为5.5 mm5.5 mm。该文提出了传感器敏感芯片的弱信号检测方法,设计出了满足环境适应性的传感器整体结构方案,并建立了传感器的灵敏度分析模型。对电场传感器进行测试,测量范围为-50 kV/m~50 kV/m,总不确定度为0.67%,分辨力达到10 V/m,功耗仅为0.62 W。外场试验结果表明,MEMS地面大气电场传感器在晴天和雷暴天的电场探测结果,与Campbell公司场磨式电场仪探测结果都有较好的一致性,说明该传感器能满足预测雷暴要求,实现雷电监测和预警功能。     

一种电极型MEMS电场传感器封装结构

为了提高MEMS电场传感器敏感芯片封装的环境适应性,该文提出一种新型的电极型MEMS电场传感器封装结构。区别于将传感器敏感芯片及探头放置于被测环境中,该文通过在MEMS电场传感器封装管壳外部增加封装电极,仅将封装电极暴露在被测环境中,有效避免了传感器敏感芯片封装管壳受到多种恶劣环境的干扰。研制出基于新型封装结构的MEMS地面电场传感器及探空电场传感器,仿真及试验结果表明,该结构传感器能够实现对电场高精度准确测量,在高湿、低温等恶劣环境下输出稳定可靠。     

一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器

针对温度和应力变化带来的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题,该文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的微机电系统(MEMS)谐振式电场传感器。传感器结构中,感应电极用于测量外部电场,参考电极用于监测可动结构振动信息;基于振动相位和锁相环技术实现传感器谐振频率自动跟踪,利用参考电极输出信号对感应电极输出信号进行实时补偿,提高传感器灵敏度的稳定性。该文开展了敏感结构设计和理论分析,研制出传感器样机,并进行了样机标定测试。测试结果表明,在±18 kV/m电场范围内,传感器线性度达到0.21%,3个往返行程总不确定度达到1.34%;在–40°C～70°C温度范围内,灵敏度相对漂移量小于3.0%,具有良好的灵敏度漂移自补偿效果。     

使陆军战斗力倍增的微型传感器技术

下一代陆军将比今天的部队装备更轻,速度更快,杀伤力更强,部队的幸存率在很大程度上将取决于能否获得关于敌方部队及其活动的精确而又及时的情报,美国陆军CECOM夜视与电子传感器管理局（NVESD）正在开展一些研究工作,直接利用低成本,低功耗,面网的多功能微型传感器的观察能力来增强部队的杀伤力和幸存能力,这里调查的三个主要技术领域是,微型传感器,信号处理和通讯。     

硅微机械谐振式压力传感器组合敏感原理

为解决硅微机械谐振式压力传感器的微弱信号检测问题，并改善其可靠性和动态响应，提出在传感器原有结构上增加辅助传感器，构成组合敏感原理。利用根据辅助传感器测量结果推算出的谐振频率近似值，可控制带通滤波器的中心频率以改善噪声抑制；可及时判断闭环系统失效；可在闭环系统失效状态下继续部分维持传感器的测量功能。辅助传感器的制造工艺与主传感器兼容，附加成本低。     

MEMS封装技术的发展及应用

封装技术在微电子机械系统(MEMS)器件中的地位和作用越来越重要。本文归纳与总结了MEMS封装的特点和发展趋势,重点对MEMS封装技术的应用进行了分析,最后给出一些有益的想法和看法。     

聚酰亚胺振动膜微型电场传感器

设计并分析了一种新型的以硅为基底、聚酰亚胺为振动膜的微型电场传感器。此种传感器利用了聚酰亚胺耐热、耐腐蚀并具有良好机械性能的特点,采用MEMS技术制造,使其具备体积小、重量轻、功耗低、便于与其他器件集成等特点,而且制作工艺简单,成本较低。本文阐述了此传感器的工作原理,并通过计算机模拟确定了增强信号的方法,同时描述了新型传感器的结构设计和加工工艺过程。     

基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0～50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。     

微机电系统的微波应用

介绍微机系统（ＭＥＭＳ）这一新兴技术及其在微波和毫米波领域的应用。给出几种典型部件示例。     

低轴间耦合的MEMS三维电场传感器

轴间耦合干扰是影响3维电场传感器测量准确性的重要因素。该文提出了一种低耦合干扰的MEMS 1维电场敏感芯片,并将3个上述的芯片正交组合研制出一款低轴间耦合的MEMS 3维电场传感器。不同于已见报道的测量垂直方向电场分量的MEMS 1维电场敏感芯片,该文提出的芯片采用轴对称设计,在差分电路的配合下能够测量垂直于对称轴方向的面内电场分量,并能够消除正交于测量轴方向的电场分量的耦合干扰。该MEMS 3维电场传感器具尺寸小和集成度高等优点。实验结果表明在0～120 kV/m电场强度范围内,该MEMS 3维电场传感器的轴间耦合灵敏度小于3.48%,3维电场测量误差小于7.13%。     

基于MEMS的距离自适应型非接触静电仪

静电场测量是检测物体是否携带过量静电最直接的手段,对于静电防护具有重要意义。传统的静电仪主要依赖固定距离测量,在被测物难以维持静止或不容易靠近时,距离改变引起灵敏度变化,造成测量误差。该文基于微机电系统电场传感器,提出一种可根据测试距离自适应调整灵敏度的静电测量思路：通过超声波模块测量被测物的距离,然后通过单片机查找对应的灵敏度系数,结合电场测试结果计算被测电压。针对研制的静电仪,该文提出基于实验室标定及现场标定相结合的校准方法,搭建了动态灵敏度标定系统,计算出不同测试距离、不同被测物尺寸的传感器灵敏度系数对应关系。与定距测量的传统静电仪相比,该文通过灵敏度动态标定,实现了更精确的非接触表面静电压测量;采用微机电系统电场敏感元件,具有体积小、功耗低、易集成、可批量化制备等优点,封装后无裸露可动部件,可靠性高。经第三方计量检测,在不同测试距离下的平均误差为–2.98%。     

Electric field sensors based on MEMS technology

The design and optimizatlon of two types of novel miniature vibrating Electric Field Sensors (EFSs) based on MicroElectroMechanical Systems (MEMS) technology are presented.They have different structures and vibrating modes. The volume is much smaller than other types of charge-induced EFSs such as field-mills. As miniaturizing, the induced signal is reduced enormously and a high sensitive circuit is needed to detect it. Elaborately designed electrodes can increase the amplitude of the output current, making the detecting circuit simplified and improving the signal-to-nolse ratio. Computer simulations for different structural parameters of the EFSs and vibrating methods have been carried out by Finite Element Method (FEM). It is proved that the new structures are realizable and the output signals are detectable.     

MEMS传感器的封装

首先通过对MEMS封装所面临的挑战进行分析,提出了MEMS封装所需要考虑的一些问题。然后从芯片级、晶片级和系统级三个方面详细介绍了倒装焊、BGA、WLP、MCM和3D封装等先进的封装技术,并给出了一些应用这些封装方式对MEMS系统封装的实例。最后对MEMS和MEMS封装的走向进行了展望,并对全集成MEMS系统的封装进行了一些探讨。