上海交通大学 微纳电子学系 微米纳米加工技术国家级重点实验室, 上海 200240
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8.9mm×5.6mm×0.4mm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0~50m/s范围内的流速测量。结果表明, 传感器在低流速(0~2m/s)时的灵敏度约为81.6mV/(m/s), 在高流速(2~50m/s)时的灵敏度约为51.9mV/(m/s), 最大功耗仅约为1.03mW。
流速传感器 非晶锗薄膜热电阻 自加热 恒电流工作 MEMS MEMS flow velocity sensor amorphous germanium thin film thermistors self-heating constant current operation
1 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室
2 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系, 上海 200240
3 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室
微谐振陀螺仪是一种固体波动陀螺, 常采用微纳制造工艺进行加工, 具有小体积、高性能、低功耗、批量化等特点。自1975年世界上第一个半球谐振陀螺诞生以来, 微谐振陀螺的谐振子拓扑结构经历了三维结构到二维结构的演变。文章以拓扑结构的发展脉络为主线, 对微谐振陀螺的发展过程进行了梳理和总结, 最后对目前存在的问题进行了分析, 对未来的发展进行了展望。
上海交通大学 微纳电子学系 微米纳米加工技术国家级重点实验室, 上海 200240
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6K, 就可对0~50m/s范围内的流速进行测量, 且功耗在1.368mW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MEMS 流速传感器 热电阻 非晶锗 仿真 flexible MEMS flow velocity sensor thermistor amorphous germanium simulation
上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系， 微米/纳米加工技术国家级重点实验室薄膜与微细技术教育部重点实验室， 上海市北斗导航与位置服务重点实验室， 上海 200240
为了控制并提高压电半球谐振陀螺仪的检测精度，采用力反馈模式下的驱动检测方法实现了基于现场可编程门阵列（FPGA）的半球谐振陀螺数字式闭环测控系统，并完成了硬件实现。最后，通过对数字测控系统的仿真和转台测试实验，得到陀螺标度因数为1.428mV/(°/s)，验证了此方法的有效性。
半球谐振陀螺 力反馈 驱动检测 闭环 hemisphere resonant gyroscope force feedback driving and detection closed-loop FPGA FPGA
上海交通大学 微纳电子学系, 微米/纳米加工国家级重点实验室, 上海市北斗导航与位置服务重点实验室, 上海 200240
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×30 μm。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、**等领域。
流速传感器 柔性 双电桥电路 恒温差模式 MEMS MEMS flow sensor flexible double bridge circuit constant temperature difference mode
1 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微米/纳米加工技术国家级重点实验室, 薄膜与微细技术教育部重点实验室, 上海市北斗导航与位置服务重点实验室， 上海 200240
2 上海航天控制技术研究所 惯性工程技术研究中心，上海 201109
提出了一种新型的基于阳极键合的硅微圆盘多环谐振陀螺的结构设计及其制作方法。该种陀螺采用MEMS工艺制作而成，基底材料为肖特BF33玻璃，电极和谐振器均由单晶硅片加工而成，肖特BF33玻璃与单晶硅片通过阳极键合工艺键合在一起。介绍了该种陀螺的基本结构、工作原理，并进行了仿真分析，得出该种陀螺具有较小的频率分裂，表现出陀螺效应。最后，通过MEMS工艺进行了实际加工，得到了该种陀螺的实验样品。
阳极键合 圆盘多环谐振陀螺 MEMS工艺 anodic bonding disc resonator gyroscope MEMS technology
上海交通大学 微纳电子学系 微米纳米加工国家级重点实验室, 上海市北斗导航与位置服务重点实验室, 上海 200240
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0~350m/s对应壁面流速为0~75m/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0.01~75m/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。
迫弹 引信 柔性MEMS 流速传感器 仿真 mortar bomb fuze flexible MEMS flow velocity sensor simulation
上海交通大学 微纳电子系 微米纳米加工国家重点实验室,上海 200240
基于MEMS加工技术,提出了一种加热、传感电极和反应腔室可分离的PCR芯片结构,加热、传感电极采用Pt薄膜材料并可重复使用,反应腔室采用PDMS材料,芯片的制造成本大为降低。利用COMSOL软件对设计的PCR芯片进行了温度场仿真分析,并用红外热像测温仪(NEC R300)对微制造的芯片温度场分布进行了测量。测量结果表明芯片结构能得到较好的温度均匀性,为后续PCR芯片扩增实验提供了可靠的依据。
PCR芯片 温度仿真 MEMS MEMS PCR microchip PDMS PDMS COMSOL COMSOL temperature simulation
1 上海交通大学,微纳米科学技术研究院薄膜与微细技术教育部重点实验室,微米/纳米加工技术国家级重点实验室,上海,200030
2 上海交通大学,微纳米科学技术研究院薄膜与微?讣际踅逃恐氐闶笛槭?微米/纳米加工技术国家级重点实验室,上海,200030
磁悬浮转子微陀螺利用电磁涡流实现微转子的悬浮支撑和高速旋转,是一种精度可达惯性级的新颖MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺.讨论和研究了这种新颖微陀螺的悬浮支撑、高速转动、位置检测及加矩稳定的原理,并给出了相应的微转子、定子悬浮线圈、旋转线圈、稳定线圈、传感电极的设计原则和方法.设计了一个转子直径2 200μm、厚度25 μm,定子线圈线宽10μm、厚度5μm,悬浮励磁频率10 MHz、旋转励磁频率2 MHz的微陀螺,解决了三维非硅准LiGA技术加工微陀螺中的引线、绝缘、摩擦柱成型问题,并进行了相关的陀螺悬浮旋转试验,该陀螺在空气环境下能够以1000 r/min旋转,悬浮高度200μm,说明这种陀螺的原理和设计方法是可行的.
磁悬浮转子微陀螺 ?杓?准LiGA技术 试验 MEMS
