微型谐振传感器反馈测量系统研究
发布时间：2019-10-03 18:18
【摘要】：谐振式传感器是以内部谐振子频率信号作为输出的传感器,待测参数使谐振子等效质量、刚度系数或阻尼系数产生变化,通过谐振子的谐振频率特性变化表现出来。频率信号采集过程相对简单,抗噪声能力强,易被调理为标准数字信号,方便智能芯片处理与远距离传送。高分辨力谐振式质量传感器要求谐振器具有极高的共振频率,即极小的物理尺寸和高品质因数测试系统,对传感器加工工艺和检测技术提出了大的挑战。本文提出了双闭环反馈质量测试系统,同时调整系统等效质量与阻尼系数,在微米级谐振子上获得原子/分子级别分辨力与极高的品质因数。研制出纳米间隙谐振传感器。利用微细电铸加工技术在金属基板上沉积镍材,完成具有7μm间隙的悬臂梁式谐振气敏传感器加工。设计了单晶硅湿法腐蚀工艺,完成了微米尺寸悬臂梁与底座的加工,通过精密控制的台阶差,实现了具有200nm间隙的微型谐振式传感器的制作。提出调整系统等效质量以改变系统谐振频率的闭环反馈原理。在质量检测系统中设置一个180°反馈增益,以减小系统等效质量,提高系统谐振频率。以逆锁定放大器代替高频带通滤波器,将有用频率进行频谱迁移,较好的滤除了噪声干扰。分别研制出能够精密控制原子/分子沉积量的闭环运动控制系统,保证原子/分子逐个沉积。质量传感器系统具有极高的谐振频率,在真空环境中完成了单个原子/分子质量测定。提出具有原子/分子分辨力的双闭环反馈质量检测系统。在180°反馈系统的基础上,增加一路90°相位反馈,以减小系统等效阻尼,获得高品质因数与分辨力。测得双闭环反馈增益参数对系统频率、品质因数、分辨力和噪声的影响规律。求得特定状态下双闭环反馈系统最佳特性点,利用双闭环反馈系统在真空状态进行的金属原子测试噪声明显小于单反馈系统,并在常压状态下测得单个氢气分子质量。在气体传感器检测系统上应用双闭环反馈原理,提高气体传感器分辨力。研制出低频与中频闭环测试系统,利用电铸与湿法腐蚀的气敏传感器,完成了常温常压状态下氢气、乙醇和氨气的浓度测试。在气敏传感器闭环测试系统上设置180°和90°双闭环反馈,大幅度提高了系统品质因数与分辨力,并明显减小系统噪声,证明了双闭环反馈系统的通用性。
【图文】：
有多晶硅、金属和玻璃等，甚至光刻胶 SU-8 也可作为纳米悬臂梁的材料,见图 1-1a[10]，新工艺包括激光、离子束、精密电铸、电解加工和注塑等。利用这些新材料和新工艺可以做出具有高深宽比的性能优异微小结构，其缺点是工艺复杂且不成熟，投资较大，处于研究阶段，图 1-1b 为一常规谐振式加速度传感器[11-12]。进入 21 世纪，MEMS 智能传感器产品作为 MEMS 器件的一个重要分支开始出现，并且在汽车、智能设备、生化和安全等领域被广泛应用，图 1-1c 为谐振式角度传感器的原理图[8,13-16]。MEMS 传感器一般是将微型敏感结构与晶体管检测部分集成在一个晶元上，检测量有气压、压力、位移、加速度、角度、流量、温度、光线、化学浓度、生物特性和视觉图像等[6]，性能优异的传感器包含完善的信号处理模块，大大减轻了应用工程师的工作难度[4]。MEMS 传感器的优点是微型化、高集成度、高精度、微功耗[4]，应用优势是自动校正补偿、自动采集数据、数据存储与网络通信，具有判断思考能力[2]。得益于微电子工艺手段的提高，MEMS 传感器成本也在迅速下降，为其应用普及铺平了道路[17-18]。汽车行业和消费电子产品是目前 MEMS 智能传感器的主要市场，且 MEMS 传感器所占产品成本比例逐年提高。
消费电子产品也在向智能化方向发展，智能传感器正在让生活更便利，更有趣味，更人性化[2,21-22]。手机作为消费电子产品的代表，从本世纪初开始，各种 MEMS 传感器逐渐应用于手机上。手机所用传感器主要有图像、加速度、陀螺仪、指纹、压力、光线、声音、紫外线、霍尔、磁场和红外等，可以说智能传感器是手机的敏感器官与神经系统[23-25]。手机所用 MEMS 智能传感器基本都是以芯片或者模块的形式出现，甚至几个传感器被高度集成在单个芯片中，所需外围器件极少，芯片中的信号处理模块也更加强大快捷，即智能化程度很高，，传感器芯片以标准电子元器件的形式出现，可以直接输出电信号，使手机功能设计可以搭积木的形式实现，使设计者将更多精力用在产品系统设计上，所以从 2010 年开始智能手机的升级速度越来越快，图 1-2 为智能手机常用的三种传感器，且多为谐振原理。基于各种智能传感器的多种手机应用也相继被开发出来，使智能手机表现的更易用、更强大，不仅仅是通讯工具。消费电子市场的可穿戴设备与智能家居的发展与 MEMS 传感器的关系更加密切，可以认为是 MEMS 智能传感器的发展促进了可穿戴设备与智能家居的诞生[22,26-27]。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
本文编号：2545540
【图文】：
有多晶硅、金属和玻璃等，甚至光刻胶 SU-8 也可作为纳米悬臂梁的材料,见图 1-1a[10]，新工艺包括激光、离子束、精密电铸、电解加工和注塑等。利用这些新材料和新工艺可以做出具有高深宽比的性能优异微小结构，其缺点是工艺复杂且不成熟，投资较大，处于研究阶段，图 1-1b 为一常规谐振式加速度传感器[11-12]。进入 21 世纪，MEMS 智能传感器产品作为 MEMS 器件的一个重要分支开始出现，并且在汽车、智能设备、生化和安全等领域被广泛应用，图 1-1c 为谐振式角度传感器的原理图[8,13-16]。MEMS 传感器一般是将微型敏感结构与晶体管检测部分集成在一个晶元上，检测量有气压、压力、位移、加速度、角度、流量、温度、光线、化学浓度、生物特性和视觉图像等[6]，性能优异的传感器包含完善的信号处理模块，大大减轻了应用工程师的工作难度[4]。MEMS 传感器的优点是微型化、高集成度、高精度、微功耗[4]，应用优势是自动校正补偿、自动采集数据、数据存储与网络通信，具有判断思考能力[2]。得益于微电子工艺手段的提高，MEMS 传感器成本也在迅速下降，为其应用普及铺平了道路[17-18]。汽车行业和消费电子产品是目前 MEMS 智能传感器的主要市场，且 MEMS 传感器所占产品成本比例逐年提高。
消费电子产品也在向智能化方向发展，智能传感器正在让生活更便利，更有趣味，更人性化[2,21-22]。手机作为消费电子产品的代表，从本世纪初开始，各种 MEMS 传感器逐渐应用于手机上。手机所用传感器主要有图像、加速度、陀螺仪、指纹、压力、光线、声音、紫外线、霍尔、磁场和红外等，可以说智能传感器是手机的敏感器官与神经系统[23-25]。手机所用 MEMS 智能传感器基本都是以芯片或者模块的形式出现，甚至几个传感器被高度集成在单个芯片中，所需外围器件极少，芯片中的信号处理模块也更加强大快捷，即智能化程度很高，，传感器芯片以标准电子元器件的形式出现，可以直接输出电信号，使手机功能设计可以搭积木的形式实现，使设计者将更多精力用在产品系统设计上，所以从 2010 年开始智能手机的升级速度越来越快，图 1-2 为智能手机常用的三种传感器，且多为谐振原理。基于各种智能传感器的多种手机应用也相继被开发出来，使智能手机表现的更易用、更强大，不仅仅是通讯工具。消费电子市场的可穿戴设备与智能家居的发展与 MEMS 传感器的关系更加密切，可以认为是 MEMS 智能传感器的发展促进了可穿戴设备与智能家居的诞生[22,26-27]。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
本文编号：2545540
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