介观压阻型硅锗加速度计研究

提出以介观压阻效应为工作原理制作高灵敏度压阻式硅锗加速度计,采用Si1-xGex/Si结构薄膜作为敏感元件,设计了一个双悬臂梁式的压阻武硅锗加速度计,通过理论分析与仿真计算,得出通过调整对该结构的外加应力可以实现对传感器灵敏度的调节,而且利用介观压阻效应原理可以将压阻式硅微加速度计的灵敏度提高一个数量级的结论,为设计新型压阻式硅微加速度计提供了一种思路.     

单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试

设计、制造并测试了一种单片集成的压阻式高性能三轴高g加速度计,量程可达105g.x和y轴单元均采用一种带微梁的三梁-质量块结构,z轴单元采用三梁-双岛结构.与传统的单悬臂梁结构或者悬臂梁-质量块结构相比,这两种结构均同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点.采用ANSYS软件进行了结构分析和优化设计.中间结构层主要制作工艺包括压阻集成工艺和双面Deep ICP刻蚀,并与玻璃衬底阳极键合和上层盖板BCB键合形成可以塑封的三层结构,从而提高加速度计的可靠性.封装以后的加速度计采用落杆方法进行测试,三轴灵敏度分别为2.28,2.36和2.52 μV/g,谐振频率分别为309,302和156 kHz.利用东菱冲击试验台,采用比较校准法测得y轴和z轴加速度计的非线性度分别为1.4%和1.8%.     

单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试

设计、制造并测试了一种单片集成的压阻式高性能三轴高g加速度计,量程可达105g.x和y轴单元均采用一种带微梁的三梁-质量块结构,z轴单元采用三梁-双岛结构.与传统的单悬臂梁结构或者悬臂梁-质量块结构相比,这两种结构均同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点.采用ANSYS软件进行了结构分析和优化设计.中间结构层主要制作工艺包括压阻集成工艺和双面Deep ICP刻蚀,并与玻璃衬底阳极键合和上层盖板BCB键合形成可以塑封的三层结构,从而提高加速度计的可靠性.封装以后的加速度计采用落杆方法进行测试,三轴灵敏度分别为2.28,2.36和2.52 μV/g,谐振频率分别为309,302和156 kHz.利用东菱冲击试验台,采用比较校准法测得y轴和z轴加速度计的非线性度分别为1.4%和1.8%.     

高g值压阻式加速度计设计与仿真

研究了一种具有高灵敏度、小尺寸的四端梁结构的压阻式加速度计。利用有限元软件对不同悬臂梁、质量块尺寸的结构建立模型,并对该结构进行了灵敏度与应力分析、模态分析,以及动态响应分析。仿真研究结果表明,在50kg量程内,传感器轴向灵敏度达到7.40μV/g,横向灵敏度为0.33%,线性度为0.06%,响应时间为20.3μs,固有频率为111.2kHz。抗冲击性能能达到334000g,可以满足高g值环境下的测试需求,同时该研究为研制高性能传感器提供了一种准确且高效的仿真方法。     

500pa微压传感器的研制

硅压力传感器发展的一个重要趋势,是向高灵敏度的微压传感器发展。1993年我们率先采用微机械的梁膜结构制得PT-24量程lkpa微压传感器。但在进一步提高灵敏度的研究过程中,遇到如下几个问题:(1)非线性随着灵敏度提高变差;(2)灵敏度提高,稳定性变差;(3)过载能力不够;(4)静电封接时背岛与玻璃基片相接。本文针对上述问题进行了研究,在PT-24量程1kpa微压传感器的版图和工艺基础上进行改进和提高,成功地设计并制作出PT-28量程500pa压阻式扩散硅微压传感器。     

微加速计固有频率的推导及验证

为了解决压阻式加速度计的动态特性欠佳的共性,避免微加速度计在工作过程中因为共振导致结构损坏,在结构设计过程中选择合理固有频率是至关重要的.文中针对一种四边八梁结构的高g值压阻式加速度计,通过力学知识,简化结构并推导出其固有频率的理论计算公式,利用有限元仿真软件和测试高g值加速度计频率特性的方法,对该理论公式进行了仿真和实验验证,证明该理论公式的正确性和可用性.同时,文中介绍的简化结构的模型,能够用于复杂结构的应力、应变等的求解,验证的实验方法可以用于高g值加速度计固有频率的测试.而且,在加速度计结构的设计过程中,直接利用固有频率公式计算出结构的固有频率,从而简化加速度计的结构设计和优化过程,设计出最合理的固有频率结构.     

微加速计固有频率的推导及验证

为了解决压阻式加速度计的动态特性欠佳的共性,避免微加速度计在工作过程中因为共振导致结构损坏,在结构设计过程中选择合理固有频率是至关重要的. 文中针对一种四边八梁结构的高g值压阻式加速度计,通过力学知识,简化结构并推导出其固有频率的理论计算公式,利用有限元仿真软件和测试高g值加速度计频率特性的方法,对该理论公式进行了仿真和实验验证,证明该理论公式的正确性和可用性. 同时,文中介绍的简化结构的模型,能够用于复杂结构的应力、应变等的求解,验证的实验方法可以用于高g值加速度计固有频率的测试.而且,在加速度计结构的设计过程中,直接利用固有频率公式计算出结构的固有频率,从而简化加速度计的结构设计和优化过程,设计出最合理的固有频率结构.     

高灵敏度双轴加速度计结构设计与仿真

该文设计了一种具有高灵敏度、低交叉耦合的双轴谐振式微加速度计,使用工型梁作为解耦梁,通过微杠杆机构实现力的放大,结构呈中心对称形式,采用差分检测工作方式。通过仿真分析对结构进行优化并完成加速度计整体结构设计,进而提高加速度计灵敏度,降低交叉耦合。对加速度计结构进行模态分析、灵敏度分析、交叉耦合分析和谐响应分析,结果表明,在±20g量程范围内,x向标度因数为423.6 Hz/g,y向标度因数为421.8 Hz/g,x向交叉灵敏度为0.000 047%,y向交叉灵敏度为0.000 78%。仿真结果验证了所设计结构的可行性。     

一种微机械压阻式加速度传感器及其设计优化

给出了一种新型的微梁直拉直压的微机械压阻式加速度传感器的工作原理。该设计能同时提高传感器的灵敏度和自由振动频率。基于分析模型,本文还给出了传感器的结构优化和各种量程的设计规则。采用SOI硅片和深反应离子刻蚀(DRIE)工艺给出了传感器的制造和测试结果。     

一种低横向效应的压阻式加速度传感器设计北大核心

为了提高传感器的测试精度、抑制传统传感器的横向效应问题,通过改变压阻排布方式设计了一种低横向效应的压阻式加速度传感器。该传感器采用8电阻十字梁结构,电阻全部对称排布在应力变化的线性区,使传感器在满足高灵敏度的同时消除了横向效应。通过有限元仿真分析得出该传感器的灵敏度为0.297 4μV/g,横向灵敏度为零,对封装后的传感器进行了Hopkinson杆冲击测试,横向灵敏度只占工作轴向灵敏度的1.1%,远小于相同结构尺寸下传统四电阻传感器的20.7%,而工作轴向灵敏度基本相同。实验表明,该传感器具有较高的工作轴向灵敏度和极低的横向灵敏度。     

叠加电桥检测的加速度传感器的设计

This paper describes the design,simulation,processing and test result of a high sensitivity accelerometer based on the piezoresistive effect which uses an overlay bridge detection method.The structure of this accelerometer is supersymmetric "mass-beams".This accelerometer has 8 beams,where two varistors are put in the two ends.Four varistors compose a Wheatstone bridge and the output voltages of the 4 Wheatstone bridges have been superimposed as the final output voltage.The sensitivity of the accelerometer can be improved effectively by these clever methods. A simplified mathematical model has been created to analyze the mechanical properties of the sensor,then the finite element modeling and simulation have been used to verify the feasibility of the accelerometer.The results show that the sensitivity of the accelerometer is 1.1381 m V/g,which is about four times larger than that of the single bridge accelerometers and series bridge sensor.The bandwidth is 0-1000 Hz which is equal to that of the single bridge accelerometers and the series bridge sensor.The comparison reveals that the new overlay detection bridge method can improve the sensitivity of the sensor in the same bandwidth.Meanwhile,this method provides an effective method to improve the sensitivity of piezoresistive sensors.     

一种高灵敏度在线式MEMS微波功率传感器

为了改善在线式MEMS微波功率传感器的灵敏度特性，设计了一种新型双悬臂梁结构的MEMS微波功率传感器。该结构将测试电极和锚区设计在中心信号线的两侧。建立了双悬臂梁集总电路等效模型，研究了双悬臂梁结构的微波功率传感器的微波特性。构建了枢纽式双悬臂梁静力学模型，研究并分析了新型悬臂梁结构的过载功率与灵敏度。结果表明，相比于测试电极和锚区位于信号线同侧的传统单悬臂梁结构，新型双悬臂梁结构的灵敏度提升了6～8倍。这在一定程度上解决了电容式微波功率传感器检测灵敏度较低的问题。     

P型硅纳米板压阻特性的理论研究

考虑量子尺寸效应与自旋轨道耦合作用,从含有应变的6×6 Luttinger-Kohn哈密顿量出发,采用有限差分方法建立了p型硅纳米板的能带结构模型.基于硅纳米板压阻特性与其能带结构的相关性,采用改进的压阻理论定量分析了厚度、杂质浓度与温度对其压阻系数的影响.研究结果表明:量子尺寸效应强烈改变了硅纳米板的能带结构,是其压阻系数增大的主要因素,而自旋轨道耦合作用仅对含较高应变的硅纳米板的能带结构有较大影响;硅纳米板的压阻系数具有尺寸效应,随厚度减小而增大,随杂质浓度增加或温度升高而减小.在高简并条件下,硅纳米板的压阻系数与温度无关,完全由杂质浓度的大小控制;在非简并条件下,情况刚好相反.最后,利用施加应力前后空穴等能面形状的变化定性分析了硅纳米板压阻特性的起源.     

新型MOS晶体管式压力传感器

在应力作用下,MOS晶体管的源漏电流的大小会随着沟道区所受应力大小而变化。基于MOS晶体管的这种力敏效应,采用晶体管和电阻构成压敏电桥,提出了一种新型的MOS晶体管式压力传感器。该器件在与目前最常用的压阻式压力传感器相比,继承了其制作工艺简单、稳定性和线性度好等优点,大幅提高了传感器灵敏度并降低了功耗,使得器件性能得到整体提高。     

高性能激光诱导石墨烯压力传感器的研究

为了保证在低成本、易制备的前提下提高激光诱导石墨烯压力传感器的性能,设计了一种石墨烯压力传感器的放大结构。表征了激光诱导石墨烯压力传感器的表面结构,分析了表面多孔泡沫结构对压阻效应的影响,采用COMSOL软件对传感器放大结构的受力情况进行仿真分析,得到在外界压力下石墨烯层的受力情况。选用3D打印方法制备树脂材料放大结构基底,在低成本的同时兼顾了轻质、高精度、高机械强度等性能。测试结果表明,压强在5～20 kPa范围内时,该放大结构的灵敏度较无放大结构提高了约43%。     

基于共振隧穿二极管的应力检测方法

共振隧穿二极管(RTD)具有微分负阻效应,且其共振隧穿的I-V特性随着廊力的变化而变化,这就是RTD的压阻效应.与半导体材料压阻效应的应用类似,RTD也可用于应力检测.文中研究了两种基于RTD的应力检测方法.在讨论频率-应力检测法的基础上提出了一种新颖的应力检测方法--惠斯通RTD电桥检测法.测试结果表明,基于惠斯通RTD电桥检测法得到的压阻灵敏度随偏置电压可调,町调范围达到三个数量级.     

表面应力测量SOI压阻悬臂梁传感器设计与优化

研究了基于SOI(silicon on insulator)工艺的压阻悬臂梁传感器的静态和动态特性,推导了其用于表面应力测量时灵敏度和分辨率的表达式.分析了各种参数对性能的影响,提出了参数设计与优化的流程.得到了一套灵敏度为-1.8×10-3m/N,分辨率为8.5×10-5N/m,弹性系数为0.023N/m,谐振频率为1.3×104Hz的设计参数.     

Full 3D Printing of Stretchable Piezoresistive Sensor with Hierarchical Porosity and Multimodulus Architecture

A soft piezoresistive sensor with its unique characteristics, such as human skin, light weight, and multiple functions, yields a variety of possible practical applications to skin‐attachable electronics, human–machine interfaces, and electronic skins. However, conventional filler‐matrix piezoresistive sensors often suffer from unsatisfactory sensitivity or insufficient measurement range, as well as significant cross‐correlation between out‐of‐plane pressure and in‐plane extension. Here, a stretchable piezoresistive sensor (SPS) is realized by combining a hierarchically porous sensing element with a multimodulus device architecture via a full 3D printing process. As a result, the sensor exhibits high sensitivity (5.54 kPa^?1), large measurement range (from 10 Pa to 800 kPa), limited cross‐correlation, and excellent durability. Meanwhile, benefiting from the porous structure and mechanical mismatch design, which efficiently distributes the stress away from the sensing element, the device experiences only 7% resistance change at 50% stretching. This approach is employed to rapidly program and readily manufacture stylish, all‐in‐one, functional devices for various applications, demonstrating that the technique is promising for customized stretchable electronics.     

一种宽动态范围的在线式微波功率检测系统

设计了一种具有宽动态范围的在线式MEMS微波功率检测系统,建立了MEMS悬臂梁的等效模型,对MEMS悬臂梁结构进行了过载功率的理论研究,得到过载功率与梁尺寸的关系。并基于此关系设计了不同尺寸的MEMS梁,以提高系统的功率检测上限,从而提高在线式微波功率检测系统的动态范围。根据系统的结构参数,得到系统理论动态范围为0～8.41 W。建立了微波功率检测系统的仿真模型,s参数仿真结果表明,在8～12 GHz下,系统的回波损耗为-37.61 dB至-46.15 dB,插入损耗为-0.28 dB至-0.16 dB。系统在具有较宽动态范围的同时兼具良好的微波特性。该研究对基于MEMS梁的微波功率检测系统设计具有一定的参考价值。     

左右分布式高灵敏硅微谐振加速度计结构设计

提出了一种基于微杠杆原理的左右分布式低交叉耦合、高灵敏度的硅微谐振加速度计结构.该结构采用了一级微杠杆放大机构,左右双音叉谐振器和单质量块布局,实现了力放大和差动频率输出,具有结构简单、易于加工的特点,且两音叉谐振器间相互干扰小.首先,优化了设计参数,并进行了模态分析与谐响应分析.结果表明,左右谐振工作谐振频率分别为149.49 kHz和150.8 kHz,在该工作频率下X方向的最大位移远大于y和Z方向(两个数量级以上),表明工作模态具有优良的抗干扰能力.其次,在1 000g加速度载荷作用下进行了极限过载仿真.仿真结果表明,其最大应力为612.69 MPa,表明具有一定的抗冲击能力.最后,在±50g的设计量程内对结构的灵敏度进行了仿真分析.仿真结果表明,其灵敏度为160.51 Hz/g,验证了该设计的正确性.