基于MEMS技术悬臂梁阵列式脉搏传感器研究

发布时间：2017-08-09 03:10

  本文关键词：基于MEMS技术悬臂梁阵列式脉搏传感器研究

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【摘要】：本文基于MEMS技术在100晶向双面抛光高阻单晶硅片上设计、制作悬臂梁阵列式脉搏传感器。该结构由三个悬臂梁(B1、B2、B3)、悬臂梁顶端质量块(m1、m2、m3)和悬臂梁阵列根部十二个扩散(R1~R12)电阻构成,每四个扩散电阻构成一个惠斯通电桥,共三个惠斯通电桥。基于压阻效应和弹性元件分析,当外加力F≠0 N时,悬臂梁发生弹性形变并引起扩散电阻阻值发生改变,从而导致惠斯通电桥输出电压发生变化,实现对外加力的检测。通过采用ANSYS软件构建传感器结构仿真模型,研究悬臂梁结构尺寸对特性的影响。在此基础上,利用L-Edit集成电路版图设计软件设计传感器芯片版图,基于MEMS技术实现悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片制作,并采用内引线压焊技术在印刷电路板上完成芯片封装。本文采用扫描信号发生器(SINO CERA YE1311)、振动台(Molal Shaker JZK-2)、Agilent示波器、台阶仪(NanoMap 500LS)、数字万用表(Agilent 34410A)、恒压源(RIGOL DP832)、步进电机升降台(RKD507-A)、推力计等仪器研究脉搏传感器动态特性和力敏特性。在室温条件下,实验结果给出,当工作电压VDD=1.0V,扩散电阻长宽比为80μm/20μm时悬臂梁阵列式脉搏传感器三个悬臂梁的共振频率分别为3.019 kHz、3.121 kHz、2.900 kHz;当VDD=5.0 V,施加外力F=100 mg,悬臂梁阵列式脉搏传感器满量程输出电压分别为111.08 mV、116.2 mV、115.95mV,灵敏度约为0.54 mV/mg,线性度分别为4.28%F.S.、4.43%F.S.和4.80%F.S.,重复性分别为2.18%F.S.、1.52%F.S.和0.59%F.S.,迟滞性分别为2.39%F.S.、1.58%F.S.和0.97%F.S.,准确度为5.90%F.S.、5.23%F.S.和4.98%F.S.。实验结果表明本文设计、制作的悬臂梁阵列式脉搏传感器能够实现对脉搏力的检测,该结构具有较高灵敏度,通过悬臂梁结构阵列化提高脉搏信号测量准确度,为脉搏传感器性能改善奠定重要基础。
【关键词】：脉搏传感器 悬臂梁阵列 MEMS技术 扩散电阻
【学位授予单位】：黑龙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-23
• 1.1 脉搏传感器研究现状8-21
• 1.1.1 脉搏传感器国内研究现状8-13
• 1.1.2 脉搏传感器国外研究13-21
• 1.2 悬臂梁阵列式脉搏传感器研究目的和意义21-22
• 1.2.1 研究目的21
• 1.2.2 研究意义21-22
• 1.3 论文主要研究内容22-23
• 第2章 悬臂梁阵列式脉搏传感器基本结构与工作原理23-31
• 2.1 悬臂梁阵列式脉搏传感器基本结构23-24
• 2.2 悬臂梁阵列式脉搏传感器工作原理24-30
• 2.2.1 弹性元件力学分析24-25
• 2.2.2 压阻效应25-27
• 2.2.3 悬臂梁阵列式脉搏传感器工作原理27-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第3章 悬臂梁阵列式脉搏传感器仿真研究31-41
• 3.1 悬臂梁阵列式脉搏传感器特性分析31-39
• 3.1.1 仿真模型构建31-34
• 3.1.2 静力特性分析34-37
• 3.1.3 模态分析37-39
• 3.1.4 谐响应特性分析39
• 3.2 本章小结39-41
• 第4章 悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片设计、制作与封装41-48
• 4.1 悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片设计41-42
• 4.2 悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片工艺制作42-44
• 4.3 悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片封装44-47
• 4.3.1 硼硅玻璃片制作44-45
• 4.3.2 静电键合45-46
• 4.3.3 芯片PCB封装46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 实验结果与讨论48-67
• 5.1 悬臂梁力传感器力敏特性分析48-51
• 5.2 悬臂梁阵列式脉搏传感器的动态特性51-53
• 5.3 悬臂梁阵列式脉搏传感器力敏特性53-56
• 5.4 悬臂梁阵列式脉搏传感器静态特性56-62
• 5.4.1 线性度56-58
• 5.4.2 重复性58-59
• 5.4.3 迟滞性59-61
• 5.4.4 准确度61
• 5.4.5 灵敏度61-62
• 5.5 悬臂梁阵列式脉搏传感器信号放大电路62-66
• 5.5.1 放大电路概述62-64
• 5.5.2 放大电路测试64-66
• 5.6 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-75
• 攻读学位期间发表论文75
• 攻读学位期间科研项目75

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7 张s，

本文编号：643227