高分辨率MEMS纤毛式湍流传感器
发布时间：2021-08-24 23:47
国外的剪切流传感器已经趋于成熟,但仍存在测试信息量单薄、空间分辨率不高和价格昂贵的缺点。提出了一种新型高分辨率微电子机械系统（MEMS）湍流传感器,通过MEMS工艺的微结构实现湍流传感器的高分辨率探测,同时凭借Parylene真空气相沉积技术来实现传感器在海中的绝缘性和抗腐蚀性。经过5～45℃的高低温循环实验,验证了MEMS湍流传感器在复杂环境中的可靠性,并通过实验测量得到电压形式的湍流数据。
【文章来源】：微纳电子技术. 2019,56(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１湍流纤毛结构三维设计图
耍疲?４）式中Ｅｒｍｓ为输出电压的均方根，定义传感器的灵敏度为Ｓ＝ＫＡ／２，将式（４）代入可得Ｓ＝ＡＥｒｍｓ２Ｆ（５）将式（３）带入式（５）可得Ｓ＝Ｅｒｍｓ２ρｖｕ（６）（a）纤毛探头受力示意图（b）纤毛实物图v琢Uu图２ＭＥＭＳ湍流传感器纤毛探头受力示意图及纤毛实物图Ｆｉｇ．２ＦｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｉｌｉａｐｒｏｂｅａｎｄｃｉｌｉａｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅＭＥＭＳｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｓｅｎｓｏｒ图３为横梁上电路结构图。图３（ａ）中的电阻是借助离子注入工艺制作的压敏电阻［１３］。由于工艺原因，实测对应电阻不会完全相同，会有５％的误差。湍流信号由纤毛头部传入，引起十字梁结构发生形变，最终压敏电阻阻值的变化引起电压的变化［１４－１５］。梁上电路为惠斯通电桥，如图３（ｂ）所示，传感器梁的供电电压ＶＣＣ为定值输入电压，四个电阻阻值（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３和Ｒ４）相同，在梁发生形变时阻值变化量相同，图中Ｖｏ为电桥输出电压。梁上的压敏电阻中心质量块梁上的电路GNDR3R2Vo+Vo-R4R1VCC（a）十字梁结构显微镜下实物图（b）一路电桥连接示意图图３硅梁上的电路结构图Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｎｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎｂｅａｍ任意方向的信号都可分解为ｘ方向和ｙ方向，因此将两路惠斯通电桥输出电压进行对比可实现湍流信号的测量。在无湍流信号时一路电桥输出电压Ｖｏ可表示为Ｖｏ＝ＶＣＣ（Ｒ１Ｒ３）－（Ｒ２Ｒ４）（Ｒ１＋Ｒ
微纳电子技术完全相同，因此会在放大电路输入端产生直流偏置。为解决压敏电阻在工艺上的缺点，会在后续的放大电路前加上电容来隔直通交。２ＭＥＭＳ湍流传感器的仿真分析十字梁结构的梁长、梁宽和厚度参数的变化都会显著改变整体的共振频率［１６］，其中梁长对传感器敏感结构的影响如图４所示。1400120010008006004006008001000120014001600梁长/滋m微结构的共振频率/Hz图４梁长对十字梁共振频率的影响Ｆｉｇ．４Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｂｅａｍｌｅｎｇｔｈｏｎｉｔｓｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ梁长在５００～９００μｍ内变化会显著影响整体的共振频率；其他的变量如梁宽和厚度等参数也有相似的影响。高分辨率ＭＥＭＳ湍流传感器参考成熟矢量水听器的参数，设置梁的长、宽和厚度分别为１０００、１２０和４０μｍ。所以本文更多地考虑的是此传感器在海洋中的灵敏度、抗腐蚀性和可靠性。在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中对纤毛十字梁结构进行建模，并对所建立模型进行模态仿真，如图５（ａ）所示。设置十字梁为硅材料，纤毛为聚氨酯丙烯酸酯材料，仿真结果如图５（ｂ）所示。考虑到本次所关注的微尺度湍流信号大多集中在１～１７０Ｈｚ，所以传感器敏感结构的一阶共振频率达到要求。由图５可知，一阶共振频率在３５６．３４Ｈｚ达到要求。考虑到传感器需要尽可能地保持在水中的流体曲线，因而纤毛越长越好，但是十字梁敏感结构一阶共振频率会随着纤毛长度的增加而减小，纤毛高度的降低会影响传感器壳体流线的体型。在一阶模态和壳体流线型要求下寻找平衡点，最终确定纤毛杆长９ｍｍ，顶部圆球直径１ｍｍ。（a）十字梁纤毛结构模?
本文编号：3360954
【文章来源】：微纳电子技术. 2019,56(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１湍流纤毛结构三维设计图
耍疲?４）式中Ｅｒｍｓ为输出电压的均方根，定义传感器的灵敏度为Ｓ＝ＫＡ／２，将式（４）代入可得Ｓ＝ＡＥｒｍｓ２Ｆ（５）将式（３）带入式（５）可得Ｓ＝Ｅｒｍｓ２ρｖｕ（６）（a）纤毛探头受力示意图（b）纤毛实物图v琢Uu图２ＭＥＭＳ湍流传感器纤毛探头受力示意图及纤毛实物图Ｆｉｇ．２ＦｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｉｌｉａｐｒｏｂｅａｎｄｃｉｌｉａｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅＭＥＭＳｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｓｅｎｓｏｒ图３为横梁上电路结构图。图３（ａ）中的电阻是借助离子注入工艺制作的压敏电阻［１３］。由于工艺原因，实测对应电阻不会完全相同，会有５％的误差。湍流信号由纤毛头部传入，引起十字梁结构发生形变，最终压敏电阻阻值的变化引起电压的变化［１４－１５］。梁上电路为惠斯通电桥，如图３（ｂ）所示，传感器梁的供电电压ＶＣＣ为定值输入电压，四个电阻阻值（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３和Ｒ４）相同，在梁发生形变时阻值变化量相同，图中Ｖｏ为电桥输出电压。梁上的压敏电阻中心质量块梁上的电路GNDR3R2Vo+Vo-R4R1VCC（a）十字梁结构显微镜下实物图（b）一路电桥连接示意图图３硅梁上的电路结构图Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｎｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎｂｅａｍ任意方向的信号都可分解为ｘ方向和ｙ方向，因此将两路惠斯通电桥输出电压进行对比可实现湍流信号的测量。在无湍流信号时一路电桥输出电压Ｖｏ可表示为Ｖｏ＝ＶＣＣ（Ｒ１Ｒ３）－（Ｒ２Ｒ４）（Ｒ１＋Ｒ
微纳电子技术完全相同，因此会在放大电路输入端产生直流偏置。为解决压敏电阻在工艺上的缺点，会在后续的放大电路前加上电容来隔直通交。２ＭＥＭＳ湍流传感器的仿真分析十字梁结构的梁长、梁宽和厚度参数的变化都会显著改变整体的共振频率［１６］，其中梁长对传感器敏感结构的影响如图４所示。1400120010008006004006008001000120014001600梁长/滋m微结构的共振频率/Hz图４梁长对十字梁共振频率的影响Ｆｉｇ．４Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｂｅａｍｌｅｎｇｔｈｏｎｉｔｓｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ梁长在５００～９００μｍ内变化会显著影响整体的共振频率；其他的变量如梁宽和厚度等参数也有相似的影响。高分辨率ＭＥＭＳ湍流传感器参考成熟矢量水听器的参数，设置梁的长、宽和厚度分别为１０００、１２０和４０μｍ。所以本文更多地考虑的是此传感器在海洋中的灵敏度、抗腐蚀性和可靠性。在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中对纤毛十字梁结构进行建模，并对所建立模型进行模态仿真，如图５（ａ）所示。设置十字梁为硅材料，纤毛为聚氨酯丙烯酸酯材料，仿真结果如图５（ｂ）所示。考虑到本次所关注的微尺度湍流信号大多集中在１～１７０Ｈｚ，所以传感器敏感结构的一阶共振频率达到要求。由图５可知，一阶共振频率在３５６．３４Ｈｚ达到要求。考虑到传感器需要尽可能地保持在水中的流体曲线，因而纤毛越长越好，但是十字梁敏感结构一阶共振频率会随着纤毛长度的增加而减小，纤毛高度的降低会影响传感器壳体流线的体型。在一阶模态和壳体流线型要求下寻找平衡点，最终确定纤毛杆长９ｍｍ，顶部圆球直径１ｍｍ。（a）十字梁纤毛结构模?
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