双岛结构多晶硅压力传感器削角补偿技术的研究

详细讨论了双岛结构多晶硅压力传感器制作过程中的一种微机械加工技术,传感器采用的材料是双面抛学的（１００）晶面硅片,制作中还利用了半导体集成电路平面工艺。研制这种传感器遇到的主要问题是硅各向异性腐蚀的凸角削角问题,为削角补偿设计了两种特殊形状的掩膜结构,在实验中获得了满意的效果,并且制出了性能优良的双岛结构多晶硅压力传感器。     

TMAH硅湿法刻蚀剂中异丙醇与氧化剂的协同作用

四甲基氢氧化铵(TMAH)是一种在微机电系统加工中常用的硅湿法刻蚀剂。在对含有铝结构表面的硅器件进行湿法刻蚀时,需要在TMAH溶液中添加一定量的硅酸和氧化剂,以保护器件表面的金属铝,但这会降低硅表面的光洁度。本文在含硅酸的TMAH溶液中同时添加过硫酸铵和异丙醇2种物质,研究其对TMAH刻蚀作用的影响。研究结果表明,2种物质的协同作用能够显著提高硅刻蚀表面的光洁度。     

基于ITO玻璃-PDMS复合式低电压电泳芯片的快速制备

提出了一种基于ITO玻璃-PDMS复合式低电压电泳芯片的快速制备新方法.该方法采用Protel软件绘制低电压电泳芯片沟道的形状,利用电路板加工技术加工沟道模具,并采用PDMS整体浇注方法制备芯片微沟道;采用光刻、湿法刻蚀等微加工技术方法对ITO导电玻璃进行加工,并制备出ITO阵列电极.最后经修饰、封装等工序得到基于ITO玻璃-PDMS复合式低电压电泳芯片.实验表明:采用该方法制备的ITO阵列电极线条清晰,沟道侧壁陡直、表面光滑.同时,采用该方法制备芯片周期短,不需要昂贵的制作设备.     

一种高精度电导率水质检测传感器的设计

基于目前电导率水质传感器存在在线检测精度低、稳定性差、不适合集成的问题,设计出一款采用ADuCM360芯片的高精度电导率水质传感器。传感器采用脉冲激励电极的方法,减弱了电导率电极极化现象。通过脉冲宽度调制(PWM)改变脉冲宽度和占空比,避免了通过硬件改变PWM波形的不便,使传感器调试更加智能化。采用Pt1000作温度补偿,提高传感器检测精度,数据传输采用抗干扰能力强的ADM2587作为RS-485收发器,实现与上位机通信。实验结果表明:设计的电导率水质传感器零点漂移0.22%,重复性误差0.50%,温度补偿精度0.8%,各项实验指标满足行业标准的要求。     

变面积结构微机机械电容式加速度传感器

文章首次报道了一种基于面积可变电容结构的微机械加速度传感器。质量块呈栅状结构,由悬臂梁支撑。两组交叉放置的定电极位于质量块的正下方。在惯性力的作用下,质量块呈平行于衬底水平移动,引起由质量块的栅与定电极的叉指构成的差分电容变化。通过测量差分电容的变化,可以得到加速信号的大小。理论分析表明加速度响应信号随面积呈线性变化,而与质量块及定电极的间距无关。加速度传感器的制作采用了基于金属电镀的准LIGA技术,设计量程为20m/s2。测量结果表明,加速度传感器量程为20m/s2,灵敏度为58.1mV/(m·s-2),非线性为4%FS。讨论了器件线性度不够理想的原因。     

微细电火花加工装置及其控制技术

设计开发出了具有四轴三联动的微细电火花加工装置.针对该装置,对微细电极的制作控制技术、成型加工的伺服控制和微三维结构加工过程中电极损耗的补偿控制等进行了深入研究.在充分分析伺服机构性能的基础上,提出针对不同加工目的采用不同的伺服控制策略,不仅解决了伺服机构在微位移进给过程中存在的爬行问题,同时也较好地解决了电极制作过程中存在的伺服振荡问题;对电极损耗的补偿控制技术进行了深入的研究,进而提出了电极损耗的在线补偿策略,该补偿策略作为微细电火花加工控制系统的一个组成部分,使电极损耗的补偿与微细铣削加工的CAD/CAM系统分开,大大提高了微细电火花进行三维微结构加工的实用性.实验加工出最小直径为6 μm的微细轴以及最小直径为10 μm微细孔,并实现了外径为4 mm、具有24个叶片的微型涡轮盘以及直径为150 μm微小半球的加工.     

体硅湿法腐蚀中(110)衬底上的凸角补偿方法

从硅晶胞的空间原子结构出发,对(110)衬底进行研究,提出了针对(110)衬底上规则目标凸角结构的通用补偿方法.以(100)衬底上已提出的图形分析和共性补偿方法为依据,确定了(110)衬底表面特征晶向的平面关系,将所选70℃ 30%(质量分数)的KOH腐蚀液条件下的特征晶面(111)、(311)以及与衬底同簇的(110)晶面与衬底相交,得到平面特征晶向,从而构建补偿图形的拓扑框架,最终选择拓扑框架中的部分晶向构成具体的补偿图形.利用各向异性三维仿真软件对由该方法设计得到的补偿结果进行验证,模拟结果与设计预期相一致,充分证实了该设计方法的正确可行.     

压电微悬臂梁探针的制作工艺研究

为实现压电探针在纳米器件表征和加工领域的应用,设计并制作了一种压电微悬臂梁探针.采用各向异性湿法腐蚀的方法得到纳米级硅针尖,用局部压电层方法解决了压电微悬臂梁探针制作过程中探针、压电薄膜和微悬臂梁之间的工艺兼容性问题.使用微力传感器测试平台对尺寸为450μm×70μm的压电悬臂梁探针进行测试,结果表明,这种尺寸的压电悬臂梁探针的弹性常数为21.17N/m,与理论计算值相符.通过对压电探针的设计制作,总结了湿法腐蚀-干法刻蚀等工艺的结合方案,为压电探针的广泛应用奠定了基础.     

基于碳纳米管的呼吸传感器及便携式系统设计

提出了一种新颖的基于碳纳米管的呼吸传感器.传感器芯片通过微加工工艺制造,采用简单的叉指状金属侧壁电极结构.电极上覆盖了一层碳纳米管薄膜层,极大地增强了传感器对呼吸气体的敏感性.以该传感器作为核心,设计了呼吸监测系统电路,包括信号发生器、I/V转换放大器、A/D转换器、以及基于FPGA的数字解调器、LCD显示模块、SD卡数据存储模块、呼吸异常报警模块7个部分,实现了该呼吸传感器系统的便携化.测试结果表明,呼吸传感器便携式系统具有响应快、回复快、灵敏度高、抗干扰强等优点.     

各向异性磁阻传感器灵敏度在线辨识技术

提出了一种基于灵敏度在线辨识技术的灵敏度变化补偿方法,使用北京科技大学研制的各向异性磁阻传感器BKMC-21进行了实验研究.结果表明:未采用灵敏度变化补偿技术的磁场测量输出结果在磁力计通电后发生剧烈变化;磁力计输出需30min才能趋于稳定,在此期间灵敏度变化超过20%.采用灵敏度变化补偿技术的磁场测量输出结果在磁力计通电后保持平稳,磁力计输出在整个过程中灵敏度变化不超过2%.由以上实验结果可以看出,本文所提出的基于各向异性磁阻传感器灵敏度在线辨识技术的磁力计灵敏度补偿方法能有效地解决磁力计灵敏度变化问题.     

图形自动编程在火焰切割机系统开发中的实现

为提高切割机效率,应用C＋＋语言,开发出一套基于图形自动编程的火焰切割机数控系统。系统实现了图形文件的处理与加工程序的读取,自动切割加工,原迹返回加工等功能;提出单环和套环图形的处理,气体半径补偿,添加切入引线,加工过程的仿真跟踪等关键问题的解决方法。该数控系统已成功应用于企业的火焰切割机中。     

一种基于叉指电极的大肠杆菌生物传感器

提出了一种可用于水环境中检测大肠杆菌的生物传感器,该传感器是通过在叉指电极阵列上修饰生物分子制备得到.首先利用微制造技术通过蒸发镀膜、光刻、湿法腐蚀等工艺在基底上制备叉指微电极阵列,然后利用生物修饰技术在叉指电极阵列的微间隙中捕获大肠杆菌,进而在叉指电极表面产生银沉淀,使叉指电极导通.通过测量叉指电极的电导值,可实现对大肠杆菌的定量检测分析.这种叉指电极生物传感器不但可用于大肠杆菌的检测,还可应用于其它微生物的检测.     

特种压阻式加速度传感器的研制

通过动力学分析和有限元模拟,设计出了具有高过载保护功能的加速度传感器结构.采用微型机械电子系统技术和集成电路工艺制作出了高精度、高灵敏度的硅微固态压阻平膜芯片,通过玻璃粉烧结工艺将其键合在弹性梁的应力集中处,利用激光焊接工艺,制造了量程为±20 km/s2、过载能力为30倍满量程的特种压阻式加速度传感器.实验表明,在对传感器施加集中载荷和动态冲击的条件下,传感器可达到静态精度为0.86%满量程、动态响应频率为3.43 kHz的技术指标,从而满足了非常规武器在触发控制等特殊领域的应用要求.     

多梁结构压阻式测振加速度传感器

为满足制造装备智能化发展对测振传感器的需求,针对常见加速度传感器在性能、成本和微型化上的不足,研制了一种基于微机电系统技术的多梁结构压阻式加速度传感器.通过将2根短小敏感梁引入传统双桥结构的方式,在提升固有频率的同时,保证了传感器仍具有较高的测量灵敏度.利用敏感梁上的最大应力和结构固有频率相乘的结果作为性能评价标准,结合梁变形理论和实际工艺条件确定了传感器的结构尺寸.采用硅材料刻蚀、硼离子注入、溅射金属铝及阳极键合等工艺,制作了传感器芯片.实验结果表明,所研制的加速度传感器能够准确测量不同频率下的加速度信号,在每g下的灵敏度达到了0.544 mV,满量程精度达到了1.76％,固有频率达到了13.61 kHz,相对于双桥结构传感器,其综合性能提升了近85％.     

以环形振荡器作为敏感单元的加速度传感器

为了解决传感器的数字化,提出了一种新的数字加速度传感器。它是由两个环形振荡器和一个混频器组成的频率输出型加速度传感器,其敏感元件是做在硅梁上的MOS环形振荡器。该传感器具有准数字输出、灵敏度高、温度系数低以及制作工艺简单等特点,其灵敏度可达到6.91kHz/g。分析了环形振荡器的频率特性,以及环形振荡器谐振频率和加速度的关系,设计并分析了加速度传感器的电路及物理结构,最后给出了试验结果。这种加速度传感器在军事和民用领域有广阔的应用前景。     

数字式微量溶解氧传感器的研究

本文设计了由工作电极、辅助电极和参比电极组成的数字式微量溶解氧传感器及其工作系统的硬件电路,包括极化电压电路、信号采集电路和温度补偿电路。通过在零氧条件下对残余电流的测定及与瑞士Orbisphere公司的两电极型溶解氧检测仪对比检测的结果,表明该传感器达到了μg/L级的测量精度,不确定度仅为±3%。     

应用于引信固态安全系统的硅微加速度传感器研究

微机电系统将对引信的发展提供其它技术不可比拟的技术支撑。该文论述了基于ＭＥＭＳ引信固态安全系统的概念及作用原理;针对可应用引于信安全系统的硅微压阻式加速度传感器,用有限元法计算了不同厚度悬壁梁结构在１００００ｇ加速度作用下的应力分布、固有频率,设计了力敏电阻电桥结构,并计算了传感器的灵敏度。最后介绍了压阻式悬壁梁结构的加传感器制作工艺。     

基于GMR磁传感器芯片的弱磁探伤电路

巨磁电阻（GMR）传感器芯片是国际刚刚开始实际应用的一种磁场传感器。本文介绍了NVE公司的AA系列GMR芯片的工作原理，并设计制作了实物，可以成功探测周围磁场的变化，对金属管道进行检测和探伤。做出的成品具有体积小巧，成本低廉，灵敏度高的优点。     

基于GMR磁传感器芯片的弱磁探伤电路

巨磁电阻（GMR）传感器芯片是国际刚刚开始实际应用的一种磁场传感器。本文介绍了NVE公司的AA系列GMR芯片的工作原理，并设计制作了实物，可以成功探测周围磁场的变化，对金属管道进行检测和探伤。做出的成品具有体积小巧，成本低廉，灵敏度高的优点。     

基于微悬壁梁结构及抗体-微磁球技术的生化免疫传感器的设计与优化

针对能从大量待检测的生物分子群中,高分辨性及量化检测出某种特异性生物分子的新型免疫传感器的研制,采用有限元分析方法及完整的理论数学模型,设计仿真出这种基于悬壁梁结构及抗体微磁球技术的新型生化免疫传感器,同时实现传感器的可复用性.特别是,此种免疫传感器很容易通过微细加工技术进行批量生产.执行控制电路、读出电路及传感器利用CMOS技术集成在同一芯片上,实现片上集成微系统.针对U型悬壁梁的结构进行了优化设计,结合经典力学的悬壁梁静态应力分布及考虑1/f噪声、白噪声,推导出了U型悬壁梁结构所需的传感器灵敏度、最小感应力,建立了仿真数学模型.应用ANSYS、matlab、femlab等有限元分析软件,设计仿真出悬臂梁表面的微电磁场分布规律.从而得到实现抗体-微磁球技术所需的微电感线圈结构.