基于MEMS技术的质点振速传感器的研制

发布时间：2017-05-02 16:15

  本文关键词：基于MEMS技术的质点振速传感器的研制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：声压测量与质点振速测量是声学测量的两种重要手段,相对于声压测量技术研究,质点振速测量一直是该领域研究的重点与难点。本文设计并制作一种基于MEMS纳米线结构的质点振速传感器,具有“8”字形指向性,可以广泛应用于噪声振动检测、材料检测、声源定位、水声测量。在MEMS质点振速传感器的设计上,提出了一种“体硅声腔---双纳米线”的传感器微结构,其中硅基声腔的尺寸为200微米深、1毫米宽,两根敏感纳米线的尺寸为长度1毫米、厚度450纳米、宽度5微米。该传感器设计的优点在于:(1)工艺简单、容易加工;(2)灵敏度好,尤其在低频区域具有较高灵敏度;(3)可靠性较高,应力小。建立了质点振速传感器的热传递物理模型,(1)讨论了纳米线的几何尺寸特别是两根热丝间距对灵敏度的影响,确定了纳米线尺寸;(2)通过数值计算分析了质点振速传感器频率特性。(3)通过测试纳米线的电学参数确定了工作条件。基于MEMS体硅微加工工艺制作了MEMS质点振速传感器。采用腐蚀工艺形成体硅声腔,通过腐蚀与剥离(lift-off)工艺制成纳米线结构。对关键工艺---腐蚀与剥离的工艺参数进行了优化,并分析了剥离工艺的影响因素。总结得到了一套适合该传感器加工的工艺参数。设计了MEMS质点振速传感器的信号处理电路,包括R-V转换、频率补偿、前置放大三个部分。电路噪声是实现信号处理部分需要考虑的关键。在R-V转换部分,本文对三种电路方案---镜像电流电桥、差分电桥、共发射极电桥的噪声特性进行了比较分析。由于具有可控性强、信噪比高的优点,优选镜像电流电桥作为R-V转换的最终方案。对质点振速传感器的一阶频率特性通过RC进行补偿,使频率大于1k Hz时,增益提高6dB/oct。在前置放大部分,通过设计降低偏置电路的噪声,实现了低噪声前置放大电路。测试表明,等效输入噪声达到5nV/√Hz以下,能够满足传感器的要求。本文对设计的MEMS质点振速传感器进行了输出测试。(1)将驻波管方法应用到质点振速传感器的灵敏度测量,给出了测量原理并搭建了测试平台,实现了声波频率100Hz~3kHz范围内传感器灵敏度的测量。(2)测量结果表明,MEMS质点振速传感器的灵敏度可达到4.9m V/m·s~(-1)@250Hz。
【关键词】：质点振速 MEMS技术 惠斯通电桥 灵敏度
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-17
• 1.1 概述13-14
• 1.2 研究背景及意义14-16
• 1.3 课题研究的主要内容16-17
• 2 质点振速传感器的设计17-28
• 2.1 质点振速传感器的原理17-21
• 2.1.1 微流量测量原理17-20
• 2.1.2 质点振速的测量原理20-21
• 2.2 质点振速传感器的几何结构设计21-23
• 2.3 质点振速传感器的工作参数设计23-27
• 2.3.1 热丝特性分析23-25
• 2.3.2 热丝工作参数25-26
• 2.3.3 质点振速传感器的频率特性26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 MEMS芯片的加工工艺28-36
• 3.1 MEMS技术28-29
• 3.1.1 表面微机械加工技术28
• 3.1.2 体硅微制造技术28-29
• 3.1.3 LIGA技术29
• 3.2 MEMS制作工艺流程29-30
• 3.3 关键工艺研究30-35
• 3.3.1 光刻工艺30-33
• 3.3.2 剥离33
• 3.3.3 湿法腐蚀33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 质点振速传感器信号处理电路36-53
• 4.1 电路噪声分析36-38
• 4.1.1 噪声源36-37
• 4.1.2 基本噪声模型37-38
• 4.2 信号转换电路38-48
• 4.2.1 温差测量方法38-39
• 4.2.2 信号转换电路方案39-43
• 4.2.3 电桥结构的噪声计算与仿真43-48
• 4.3 前置放大电路设计48-50
• 4.3.1 前置放大电路的设计原则48
• 4.3.2 前置放大电路设计48-50
• 4.4 电路的实现50-51
• 4.4.1 电路元器件的选择50
• 4.4.2 电路的结构50-51
• 4.5 本章小结51-53
• 5 质点振速传感器测试方法与测量结果53-60
• 5.1 灵敏度测量方法53-58
• 5.1.1 驻波管法测量原理53-56
• 5.1.2 驻波管法测量装置56-58
• 5.1.3 驻波管法验证58
• 5.2 测量结果58-59
• 5.3 本章小结59-60
• 6 总结与展望60-62
• 6.1 总结60-61
• 6.2 展望61-62
• 参考文献62-65
• 作者简历65

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