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微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试

张五金  
【摘要】: 随着微机械加工技术和MEMS技术的快速发展,微型化成为传感器发展的重要方向。采用与标准IC工艺相兼容技术制作而成的微热板式微气压传感器由于具有体积小、功耗低、量程宽、热响应快等优点,已成为国内外MEMS领域的重要研究方向。本文主要从理论分析、结构优化、以及性能测试等方面对微热板式微气压传感器进行了研究。主要包括以下内容: 用经典传热理论和稀薄气体动力学对微热板式微气压传感器进行了电热理论分析并建立了传感器电热理论分析模型;采用有限元分析软件CoventorWare对三种薄膜厚度分布不同的微热板进行了热力分析,仿真结果表明,微热板结构层薄膜厚度分布的不同会影响微热板的变形方向;之后,结合微热板传热理论分析与热力有限元模拟建立了微热板式微气压传感器电热力耦合分析理论模型;采用MATLAB软件对理论模型计算求解,研究分析了微气压传感器在恒流、恒温工作模式下微热板的热变形对传感器耦合信号输出的影响。 介绍了微热板式微气压传感器设计中的关键问题,采用ANSYS软件对悬浮微热板的三种不同支撑方式作了分析比较。仿真结果表明,环形支撑结构微热板不仅固体热损耗小,而且能够有效缓解薄膜材料膨胀引起的热变形。 针对传感器动态性能测试的要求,完善了测控系统气压自动控制算法,设计了一种参数在线自调整模糊控制器,并实现气压自动控制。实验结果表明,该控制器具有动态响应快,稳态误差小的特点,在整个气压范围内能够获得较好的控制效果。另外,开展了微热板式微气压传感器的测试研究,测试了传感器在恒电流、恒电压和恒温三种工作模式下的响应特性。测试结果表明,恒电流与恒电压工作模式下,在10~5×10~4Pa气压范围内传感器较灵敏,但气压更高时由于工作温度太低,传感器灵敏度很低,在10~10~5Pa气压范围内传感器输出电压摆幅仅为几百毫伏;恒温工作模式下传感器输出电压随气压增加而增加,输出摆幅达到几伏,在10~10~5Pa范围内都有较高灵敏度。此外,从多次测试过程响应曲线的变化情况可以看出,传感器的重复性比较好,稳定性比较高。


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