基于MEMS技术的柔性Ni基热敏传感器阵列研制

利用Ni材料的高电阻温度系数特性,结合MEMS微加工技术,研究开发了全柔性的Ni基热敏传感器及其阵列.对传感器阵列的材料选择、Ni薄膜电阻的特点以及制备工艺进行了研究.通过油浴升温和电流阶跃响应方法实现了对传感器重要静态、动态参数的测量.实验结果表明,该热敏电阻传感器在5～80 ℃范围内具有电阻温度系数高、热响应速度快的特点.该柔性传感器阵列可方便贴附于曲型表面,为温度、速度、剪应力等快速分布式低侵入测量提供了新型支持手段.     

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。     

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。     

基于WS_2纳米片的柔性湿度传感器制备与测试

提出了一种基于WS_2纳米片的聚酰亚胺柔性湿度传感器,传感器柔性薄膜和叉指电容电极分别采用加热亚胺化工艺和丝网印刷制备得到,其制备工艺简单,成本低廉。实验表明该柔性湿度传感器能够测量25%RH～85%RH的湿度,且在高湿度范围内(60%RH～85%RH),该柔性湿度传感器的灵敏度高达50.42 pF/%RH。传感器的响应和恢复时间分别为11和26 s,具有较好的稳定性和重复性。此外,该柔性传感器的呼吸性能测试结果表明,其能够用于监测时间间隔为2～10 s的呼吸状态,暗示该传感器可用于某些和呼吸频率有关的疾病诊断。     

柔性MEMS流速传感器的制造及其电路设计

针对流速传感器大多存在测量量程小、柔性小而无法适应较大量程和复杂曲面的测量问题,提出了一种宽量程柔性MEMS流速传感器,结合热损失和热温差的工作原理实现对流速的测量.选取聚酰亚胺(PI)作为柔性衬底材料和铂(Pt)薄膜为热敏材料,采用金属牺牲层MEMS工艺制造了带空腔的柔性流速传感器芯片,尺寸为9 mm×7 mm×30μm.设计了采用双惠斯通电桥的恒温差测控电路.测量结果表明:制造的柔性MEMS流速传感器的TCR为0.2418％/℃,实验实现了0～36 m/s的输入风速测量,在低速、高速段内的灵敏度分别为2和0.295 mV/(m/s).同时,测量电路还展现出良好的温度补偿效应.所提出的柔性MEMS流速传感器具有宽量程、测试精度高、灵敏度高和易于实施温度补偿的优点,有望用于航空航天、国防等领域.     

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.     

柔性高温NiCr薄膜应变计研究

耐高温的NiCr薄膜应变计在航空、航天领域有广泛的需求。采用射频磁控溅射方法制备了NiCr薄膜,研究了溅射气压和衬底温度对NiCr薄膜电阻温度系数的影响规律,结果表明:当溅射气压为0.2 Pa,基片温度为400℃时,电阻温度系数最小为130.7×10^-6/℃。利用优化的工艺条件,在Hastelloy柔性合金衬底上制备了NiCr薄膜应变计,测试结果表明,所制备的NiCr薄膜应变计在各个温度下其电阻随着应变呈线性变化,其应变灵敏度(GF)因子随温度增加而增大,当温度超过200℃后,GF因子缓慢变化。温度为400℃时,GF因子达到3。实验得到的基于Hastelloy合金衬底的柔性薄膜应变计为高温应变测量提供了一种新的手段。     

基于聚酰亚胺/石墨复合衬底的快速响应MEMS柔性温度传感器

针对现有柔性温度传感器衬底导热慢的问题,为快速监测轴承等曲面的温度,向聚酰亚胺(PI)中掺入3wt%石墨(GR),制备高导热复合材料,得到的GR/PI复合薄膜导热率达到0.777 W·m^-1·K^-1,且具有良好的绝缘性。基于微加工技术,在GR/PI复合薄膜上制备了铂薄膜柔性温度传感器,改善了其动态响应特性,响应时间达到71 ms,优于纯PI衬底上的铂薄膜温度传感器。除此之外,所制备的柔性温度传感器的线性度、灵敏度和测量重复性等电学性能均较好。将制备的柔性温度传感器用于金属轴表面的温度测量,与商用红外摄像仪对比,两者测量值差别较小(±2℃以内)。     

PRAHT系列：环绕片式电阻阵列

VishayIntertechnology推出新系列适用于高温钻井和航空应用的高精度薄膜SMD环绕片式电阻阵列PRAHT。新的PRAHT四电阻网络的工作温度为．550c～＋215℃,最高存储温度为＋230℃,是采用薄膜技术制造的电阻阵列。新系列VishaySfernice器件是油位和压力传感器、     

基于ZnAl-LDH/MWCNT@MXene的柔性压力/温度双功能传感器

锌铝层状双氢氧化物/多壁碳纳米管(ZnAl-LDH/MWCNT)包覆金属碳化物MXene作为复合导电材料制备上下电极,以微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)为介电层,构建了一种柔性双功能传感器。通过器件输出电容信号监测压力,利用单电极的温阻变化监测温度。该柔性电容式传感器的导电层材料为ZnAl-LDH/MWCNT@MXene,搭配微结构为80目的介电层,其性能达到最优。在0～50 kPa时传感器的灵敏度高达1.57%/kPa。温度传感的灵敏度为2.3%/℃,工作温度范围为20～40℃。该器件实现了压力/温度两种物理量的传感,同时可以运用于人体运动和健康状态的实时检测。解决了柔性传感器功能单一的问题,为柔性传感器实现多功能应用提供基础。     

用于石化反应器的光纤F-P温/压复合传感器

为了实时监测石化反应器内部高温、高压环境下压力和温度变化, 严格控制原料的反应过程, 采用法布里-珀罗(F-P)多腔干涉理论, 设计并制备了一种光纤F-P温度、压力复合传感器。该传感器由石英玻璃和蓝宝石玻璃构成, 石英与蓝宝石之间的空气腔为压力腔, 温度腔则为蓝宝石本身。通过理论计算和仿真验证, 分析了压力腔和温度腔不同参数对传感器性能的影响, 从而取得了最佳的传感器结构参数数据。结果表明, 该传感器制作工艺简单且性能可靠, 能够实现0MPa~5MPa和-20℃~300℃范围内压力和温度的同时测量; 该传感器在压力0.1MPa~5MPa和温度20℃~180℃环境下有良好压力温度线性响应关系, 压力灵敏度为796nm/MPa, 温度灵敏度为3.864nm/℃。该传感器适用于石化反应器内部高温高压环境下压力和温度的同时监测。     

柔性低压驱动电加热薄膜升温特性的研究

柔性电加热膜是电加热器领域的研究热点之一,选用银基浆料在柔性透明的PET衬底上制备图形化薄膜电阻,经低温烧结获得柔性电加热膜。在5V直流电压驱动下,分别测试了室温26℃与低温0℃条件下薄膜的表面温度变化及温度分布,研究了丝印浆料种类、图形分布等对柔性电加热膜温升特性的影响。结果表明,基于碳银浆的柔性电加热膜在低功耗下,实现了20摄氏度以上的温升,为其在解决液晶/OLED等器件低温环境使用的瓶颈问题奠定了基础。     

基于MEMS的力传感器薄膜应变计加工工艺

提出了在铝合金基体上磁控溅射80Ni20Cr薄膜电阻应变计的加工工艺,说明了其工艺的实现步骤。采用低弹性模量的铝合金制作力传感器的弹性体可以提高力/力矩传感器的灵敏度。提出了一种适合MEMS加工的全平面的力/力矩传感器弹性体结构。并介绍了薄膜电阻应变计构成的微型六维力传感器和薄膜厚度的测量手段。通过实验证实,此种薄膜工艺的应用提高了力传感器的测量精度。     

多品硅压力传感器灵敏温度系数自补偿技术研究

介绍了硅压力传感器的灵敏温度系数补偿原理 ,给出了一种在宽温度范围内采用二次补偿灵敏度温度系数的方法 ,实现了宽范围较高的补偿精度。具体方案是把压阻式惠斯登电桥与温度传感器、可微调多晶硅电阻集成在一个芯片上 ,通过优化多晶硅电阻的掺杂浓度和改变激励源的温度特性 ,从而实现对多晶硅压力传感器灵敏温度系数的二次补偿作用。经补偿 ,传感器的灵敏温度系数小于 - 1.5× 10 - 4/℃ ,该方法的补偿温度范围为 2 0℃～ +15 0℃ ,通用性强。     

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。     

多晶硅压力传感器灵敏温度系数自补偿技术研究

介绍了硅压力传感器的灵敏温度系数补偿原理,给出了一种在宽温度范围内采用二次补偿灵敏度温度系数的方法,实现了宽范围较高的补偿精度.具体方案是把压阻式惠斯登电桥与温度传感器、可微调多晶硅电阻集成在一个芯片上,通过优化多晶硅电阻的掺杂浓度和改变激励源的温度特性,从而实现对多晶硅压力传感器灵敏温度系数的二次补偿作用.经补偿,传感器的灵敏温度系数小于-1.5×10-4/℃,该方法的补偿温度范围为20℃～ 150℃,通用性强.     

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.     

用电子表格设计RTD接口

对于有精度要求的设计,RTD（电阻温度探测器）传感器是优先选择。虽然RTD在0℃～100℃的有限温度范围内近似为线性,但当测量范围加宽时,这些传感器会表现出少量但却越来越大的非线性。因此,如果系统要在扩展温度范围内达到高精度,则需要曲线拟合。消除一只RTD传感器非线性特性的一种方法是在任何附加的信号处理段以前设计一个模拟硬件电路,     

基于聚乙烯醇-铝薄膜的光纤温湿度传感器研究

提出一种基于聚乙烯醇(PVA)-Al薄膜的光纤倏逝波耦合温湿度传感器研究,主要包括湿度测量传感器和温度补偿传感器。湿度测量传感器是在单模光纤(SMF)熔融拉锥后的锥区涂覆一层PVA湿敏材料制成,温度补偿传感器是在湿度测量传感器的表面镀覆一层金属Al薄膜制成。实验结果表明:当锥区长为14.04mm、PVA涂覆层的厚为2.2μm时,湿度测量传感器的湿度灵敏度为0.154 1dBm/%,温度对它的影响为0.019 7dBm/℃,可实现湿度50~98%的测量;当Al薄膜厚为168.63nm时,温度补偿传感器的温度灵敏度为0.019 1dBm/℃,通过实验装置能够实现对湿度测量传感器的温度补偿。     

硅正电阻温度系数热敏电阻器

为获得一种在常温下具有正温特性的热敏电阻,采用硅单晶材料,利用其迁移率随温度变化的规律设计并制成了硅正电阻温度系数热敏电阻器。测量表明,其电阻值随温度升高而增大。温度系数为(0.6％～0.8％)℃~(-1),在-50～+100℃温度范围内具有准线性。硅正电阻温度系数热敏电阻器特别适合于各种半导体器件和传感器的温度补偿。