MEMS谐振式应变传感器研究

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应变传感器作为结构健康监测技术中最核心的传感器,一直广泛应用于各个工业领域中。随着物联网技术的发展,无线传感节点的应用对传感器技术的需求朝着性能高,体积小,成本低的方向发展。MEMS谐振式应变传感器的优点就在于其体积小,成本低,易于量产与集成,而且它作为谐振式传感器,还具有准数字化输出、高稳定性、高灵敏度、高分辨率、高抗干扰能力、低温漂的优点。因此本文对MEMS谐振式应变传感器进行了深入的研究。长期稳定性对于工作在长期无人值守区域的应变传感器来说是非常重要的技术指标,考虑到目前真空封装技术中存在的技术困难,本文将主要基于常压下工作的MEMS谐振式应变传感器进行研究与讨论。  本文首先提出了通过增大极板间隙来实现器件在常压下工作的方法。发现常压环境中,在压膜阻尼的作用下,谐振点的驱动振幅随着极板间隙的增加而增加。基于这一原理我们进一步考虑了孤立物体阻尼的作用,并通过理论计算与ANSYS/FLOTRAN仿真共同验证了当压膜阻尼与孤立物体阻尼作用相当时,极板的谐振点驱动振幅达到最大值,所对应的极板间隙即为最优值。这一最优值在实验结果中也得到了验证。  其次本文提出了利用对称式电极排布的方式来抑制馈通信号的影响。首先对静电驱动压阻检测的谐振式器件建立可仿真的等效电路模型,并利用其在PSPICE中的仿真结果来预测馈通信号对谐振器输出的影响。文中对同样谐振结构的对称式与非对称式电极排布设计进行了仿真与实验,结果均证明对称式电极排布方式可以抑制馈通信号的影响。  再次本文提出并实现了一种基于金硅原电池保护的SOI-MEMS释放工艺,它具有简单、高精度与高可靠性的优点。此方法由于无需侧壁保护,所有的光刻均基于平面进行,因此光刻的精度得到了保证。工艺在最后一步光刻后将结构与腐蚀沟槽一并刻出并实现结构的释放因而简化了工艺。并利用巧妙的版图设计实现Au/Si面积阈值比,从而实现了圆片级的结构释放。  然后根据上述设计与工艺制造出了工作于常压下,谐振频率872552Hz,Q值为1600,灵敏度39Hz/με,分辨率72nε的DETF结构MEMS谐振式应变传感器。并实现了对利用单锚点DETF结构对双锚点DETF谐振式应变传感器进行温度补偿的算法的验证,在0℃到80℃的范围内,补偿后的应变与实际应变的偏差值均在4με以内。  最后本文提出了一种基于真空环境下工作的强耦合的新型谐振式应变传感器,它结合了体模态与弯曲模态的优点实现了同时具有高Q值与高灵敏度的优点。
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