基于非晶锗热电阻的柔性MEMS流速传感器的设计与仿真

针对铂等常用金属热敏材料电阻温度系数(TCR)不高,导致热式MEMS流速传感器宽量程测量时功耗高的问题,设计了 一种基于非晶锗(a-Ge)薄膜热电阻的低功耗、宽量程柔性MEMS流速传感器.非晶锗热电阻材料具有较高的TCR系数(约为-0.02/K)和室温电阻率(5Ω·m),传感器在较低的工作温差和功耗下可获得宽量程的流速测量.阐述了该柔性MEMS流速传感器的设计结构、工作原理、3D有限元建模和热-流场仿真结果.利用聚酰亚胺衬底空腔膜上的四个非晶锗热电阻同时作为自加热热源和测温元件.四个非晶锗热电阻组成一个惠斯通电桥,同时结合热损失和热温差原理来实现宽量程流速测量和测向.仿真结果表明,惠斯通电桥采用恒电流供电只需120μA,使得非晶锗热阻的工作温度与环境温度之间的温差不高于6 K,就可对0～50 m/s范围内的流速进行测量,且功耗在1.368 mW以内.该柔性流速传感器易于采用MEMS技术批量制造,可贴于曲面应用,非常适于物联网等低功耗流速传感领域.     

用于迫弹速度测量的柔性MEMS流速传感器仿真

大部分迫弹采用引信涡轮发电机兼作为弹道辨识用的速度传感器,但是涡轮发电机存在着低速停转和高速限速等测速问题.设计了一种贴装在引信上测量迫弹飞行速度的宽量程柔性MEMS流速传感器.利用有限元仿真软件对迫弹引信进行了流场仿真,确定了流速传感器在引信进气道内的贴装位置,并对传感器进行了热-流场耦合仿真.引信流场仿真表明,拉法尔管进气道后端壁面处流速与迫弹飞行速度为近似线性关系:迫弹飞行速度0～350 m/s对应壁面流速为0～75 m/s.进气道内安装的柔性流速传感器的热-流场耦合仿真表明,由传感器加热电阻的加热功率和三个测温电阻对的温度差可测量0.01～75 m/s的流速,这为传感器用于迫弹的弹道辨识奠定了理论基础.     

一种基于MEMS工艺的二维风速传感器的设计

给出了一种基于MEMS工艺的二维热风速传感器的设计、制造以及测试结果.该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差的方法测量风速和风向.本传感器采用MEMS剥离工艺在玻璃衬底上同时加工出加热电阻和测温电阻,利用简单可靠的加工工艺实现了热隔离和高灵敏度.经过风洞风速风向测试,得知传感器的风速量程超过10m/s,360°范围内风向测量误差不超过8°.传感器的响应时间不超过1s,功耗为10mW.     

一种基于MEMS工艺的二维风速传感器的设计

给出了一种基于MEMS工艺的二维热风速传感器的设计、制造以及测试结果.该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差的方法测量风速和风向.本传感器采用MEMS剥离工艺在玻璃衬底上同时加工出加热电阻和测温电阻,利用简单可靠的加工工艺实现了热隔离和高灵敏度.经过风洞风速风向测试,得知传感器的风速量程超过10m/s,360°范围内风向测量误差不超过8°.传感器的响应时间不超过1s,功耗为10mW.     

自加热非晶锗热电阻MEMS流速传感器的制造与测试

为扩大流速传感器的测量范围并降低功耗,制造并测试了一种基于自加热非晶锗薄膜热电阻的MEMS流速传感器,它是由嵌入氮化硅薄膜的四个非晶锗热敏电阻和一对环境测温补偿电阻组成。四个非晶锗热电阻同时作为自加热热源和测温元件,相互连接以形成惠斯通电桥。给出了MEMS工艺流程,微加工制造了尺寸为8.9 mm×5.6 mm×0.4 mm的流速传感器芯片。搭建了低流速和高流速气流通道实验装置,对传感器的惠斯通电桥施加50μA的恒定电流(CCA),实现了0～50 m/s范围内的流速测量。结果表明,传感器在低流速(0～2 m/s)时的灵敏度约为81.6 mV/(m/s),在高流速(2～50 m/s)时的灵敏度约为51.9 mV/(m/s),最大功耗仅约为1.03 mW。     

具有温度补偿的微细圆柱基MEMS流速传感器研究

目前常见的流速传感器由于尺寸原因,只能介入管径较大的管道进行液体流速测量。设计并制造了一种可介入小管径管道的、具有温度补偿功能的圆柱基流速传感器,器件采用旋转投影曝光和微机电系统(MEMS)技术制作而成,包含一个薄膜型加热电阻和一个稳定补偿电阻,基于热阻原理可实现对不同温度流体流速的精确测量。测试结果表明：该流速传感器的温度系数为0.2236%/℃,灵敏度为4.25 mV/(cm·s^-1)。研制的圆柱基MEMS流速传感器可在内径为2 mm的管道中对具有一定温度变化的流体进行流速测量,有望应用于工业、生物医学等领域。     

用于流速测量的微型力传感器的研制

设计并仿真了一种压阻式六自由度力传感器及其测量电桥,采用微电子机械系统(MEMS)加工技术制备了以单晶硅为结构材料的六自由度力传感器,完成了传感器芯片的封帽式封装。压阻式六自由度力传感器的尺寸为5 mm×5 mm×3 mm,由传感器芯片、探测柱和封装外壳组成。基于流体的绕流阻力效应,完成了压阻式六自由度力传感器水流流速检测实验。实验证明,该传感器的量程为0～0.55 m/s,可以灵敏检测到低速水流的波动性变化,并且传感器在水流速度为0.45～0.55 m/s的测量范围内灵敏度较高。利用单晶硅材料易于小型化、滞后极小的特点,该六自由度力传感器响应快、环境适应性强、可批量制造。     

电阻悬浮的MEMS热膜式气体流量传感器设计

设计了一种新型电阻悬浮结构的热膜式气体流量传感器,具有测量精度高、灵敏度好、抗压能力强、微加工工艺简单等特点。采用ANSYS软件对传感器芯片在不同流速下的温度场进行了有限元仿真,得出了上下游温差与流速的关系曲线。通过比较热膜电阻非悬浮与悬浮时的导热损失和压力分布,得到了将热膜电阻悬浮的流量传感器的性能要优于一般传感器的结论,其灵敏度为一般传感器的3.6倍。分析表明,传感器的响应时间仅为0.17 ms,比一般传感器快了好几倍;流速在0～0.5 m/s和0.5～2.5 m/s时,传感器输出信号都有较好的线性度,使其能够应用于小流量和大流量的测量当中;流道高度为150μm时,流量为0～2.7 L/h。根据工艺条件和仿真结果,确定了传感器芯片的结构尺寸和微加工工艺流程。     

MEMS热膜式微型流量传感器的研制

针对微型流量传感器的应用问题,提出了一种可以准确测量各种气体微型流量、基于MEMS工艺的新型MEMS热膜式传感器。基于热量传递原理的热膜式流量传感器由一个加热器和一对微型温度传感器组成,只要测得两个温度传感器的温度差值,就能得到气体的流量。分析了该器件的原理并进行了ANSYS仿真,设计了器件的结构,进行MEMS工艺开发,制作出可实用化的产品。测试表明,该器件的测量量程达到0.5～200m3/h,精度1.5级,响应时间20ms,量程比1:400,显示该器件测量流量的功能达到了实用化水平。     

一种基于CMOS工艺的二维风速传感器的设计和测试

给出了一种完全基于CM O S工艺的、能同时测量风速和风向的二维测风传感器的结构、工作原理及其测试结果。该传感器采用恒温差工作模式,热堆输出电压平均值反映芯片温度和环境温度的差,省去了测温二极管。风速测量采用热损失型原理,因此不存在速度量程问题;同时通过四周对称分布热堆的相对差分输出得到风向,风向的测试和风速无关。测试电路是由普通运放电路组成的控制和测试系统。经过风洞测试,风速的测量可以达到23m/s,风速分辨率达到0.5 m/s,风速的最大误差为0.5 m/s。传感器的反应时间为3~5秒,整个功率损耗约为500 mW。     

基于探针形式的三维硅微力传感器

为满足三维微力测量的需求,以MEMS体硅压阻工艺技术为基础,研制了一种基于微探针形式,具有μN级三维微力测量和传感能力的半导体压阻式三维微力硅微集成传感器。传感器采用相互迟滞的4个单端固支硅悬臂梁,支撑中间的与微力学探针结合在一起的质量悬块的结构形式,在4mm×4mm的硅基半导体芯片上用MEMS体硅工艺集成而成。通过ANSYS数值仿真的方法分析了三维硅微力传感器结构的应力特点,解决了三维微力之间的相互干扰问题,并对传感器性能进行了测试。结果表明,其X、Z方向的线性灵敏度分别为0.1682、0.0106mV/μN,最大非线性度分别为0.19%FS和1.1%FS。该传感器具有高灵敏度、高可靠性、小体积、低成本等特点。     

Low-voltage temperature sensor for micro-power harvesters in silicon-on-sapphire CMOS

A low-voltage temperature sensor designed for MEMS power harvesting systems is fabricated. The core of the sensor is a bandgap voltage reference circuit operating with a supply voltage in the range 1-1.5 V. The prototype was fabricated on a conventional 0.5 /spl mu/m silicon-on-sapphire (SOS) process. The sensor design consumes 15 /spl mu/A of current at 1 V. The internal reference voltage is 550 mV. The temperature sensor has a digital square wave output the frequency of which is proportional to temperature. A linear model of the dependency of output frequency with temperature has a conversion factor of 1.6 kHz//spl deg/C. The output is also independent of supply voltage in the range 1-1.5 V. Measured results and targeted applications for the proposed circuit are reported.     

用于壁面剪应力测量的柔性热敏传感器阵列

阐述了壁面剪应力测量原理及其需求。以Ni为热敏材料、聚酰亚胺为衬底,采用MEMS微加工工艺制作了一种用于近壁传热及流动参数分布测量的全柔性热敏传感器阵列。该传感器阵列的尺寸微小、集成度高、柔性可弯,可用于弯曲壁面剪应力大小与分布测量。针对柔性热敏传感器阵列电阻温度系数太小的问题,本文采用了合适的Ar压强和在溅射过程中衬底加温以及真空退火等办法提高了电阻温度系数,同时考虑并解决了热敏电阻与衬底间的粘附性问题。实验结果表明,在5～80℃,柔性热敏传感器阵列的电阻温度系数可高达4.64×10-3/℃,并且具有良好的线性。     

CMOS magnetic-field sensor system

A magnetic-field sensor system integrated in CMOS technology with additional processing steps necessary for sensor fabrication is presented. The system contains a magnetoresistive permalloy microbridge acting as a sensor, temperature compensation circuitry, programmable readout electronics, reference voltage bias, and clock generation. It features maximum magnetic flux sensitivity of 70 mV/μT (corresponds to the magnetic-field sensitivity of 88.2 mV/(A/m) at μ_r=1) and its temperature gain is below 260 ppm/°C in the range between -50°C and +100°C     

耐高温SOI结构压力敏感芯片的研制

如何制作与生产适宜高温环境下应用的压力传感器,一直备受关注。在SIMOX技术SOI晶圆的基础上,设计了压力敏感芯片结构,并基于MEMS工艺制作了芯片。电桥采用1mA恒流源供电,在300℃下,满量程输出≥180mV,灵敏度为30~40mV/(mA.MPa),非线性≤1‰FS,重复性≤1‰FS。与常温测试结果相比,300℃高温下,敏感芯片的静态性能没有明显差异。     

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%。     

A Fully Differential Rail-to-Rail CMOS Capacitance Sensor With Floating-Gate Trimming for Mismatch Compensation

This paper presents a fully differential capacitance sensor employing the CBCM technique to map differential input capacitances into rail-to-rail differential output voltages. The circuit has been designed for measuring capacitances in the $pm hbox{25-fF}$ range, appropriate for sensing live cells using on-chip microelectrodes. An array architecture based on a shielded current routing bus has been developed for incorporating the capacitance measurement circuit into sensor arrays, with each pixel comprising four minimum-size digital transistors, enabling high-density integration. In addition to improving spatial resolution, the shielded current bus also eliminates the need for individual pixel calibration, conserves sensor evaluation speed, and provides protection from junction leakage. The sensor employs a 3-phase clocking scheme that enables on-chip gain tuning. The paper also presents a modified version of the sensor circuit incorporating floating-gate transistors for mismatch compensation and output offset cancellation, performed using a combination of impact-ionized channel hot electron injection and Fowler–Nordheim tunneling mechanisms. Chips comprising both versions of the sensor circuits in test arrays employing the shielded current routing bus were fabricated in a commercially available 2-poly, 3-metal, 0.5-$mu{hbox {m}}$ CMOS process. The sensor operation was demonstrated by measuring on-chip test capacitances comprising single and interdigitated metal electrodes, configured using different capacitance compensation schemes. The differential sensor in combination with the shielded current bus exhibits a maximum sensitivity of 200 mV/fF, a resolution of 15 aF, and an output dynamic range of 65 dB.      

热电式MEMS微波功率传感器的封装研究

为了研究热电式MEMS微波功率传感器封装后的性能,提出了一种COB技术的封装方案。首先,采用有限元仿真软件HFSS仿真封装前后的微波特性;然后,基于GaAs MMIC技术对热电式MEMS微波功率传感器进行制备,并对制备好的芯片进行封装。最后,对封装前后传感器的微波特性及输出特性进行测试。实验结果表明,在8~12 GHz频率范围内,封装后回波损耗小于-10.50 dB,封装前的灵敏度为0.16 mV/mW@10 GHz,封装后的灵敏度为0.18 mV/mW@10 GHz。封装后的热电式微波功率传感器输出电压与输入功率仍有良好的线性度。该项研究对热电式MEMS微波功率传感器封装的研究具有一定的参考价值和指导意义。