基于MEMS技术悬臂梁阵列式脉搏传感器研究

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 ShakerJZK-2)、Agilent示波器、台阶仪(NanoMap500LS)、数字万用表(Agilent34410A)、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=5.0V，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。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 脉搏传感器研究现状

1．1．1 脉搏传感器国内研究现状

1．1．2 脉搏传感器国外研究

1．2 悬臂梁阵列式脉搏传感器研究目的和意义

1．2．1 研究目的

1．2．2 研究意义

1．3 论文主要研究内容

第2章 悬臂梁阵列式脉搏传感器基本结构与工作原理

2．1 悬臂梁阵列式脉搏传感器基本结构

2．2 悬臂梁阵列式脉搏传感器工作原理

2．2．1 弹性元件力学分析

2．2．2 压阻效应

2．2．3 悬臂梁阵列式脉搏传感器工作原理

2．3 本章小结

第3章 悬臂梁阵列式脉搏传感器仿真研究

3．1 悬臂梁阵列式脉搏传感器特性分析

3．1．1 仿真模型构建

3．1．2 静力特性分析

3．1．3 模态分析

3．1．4 谐响应特性分析

3．2 本章小结

第4章 悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片设计、制作与封装

4．1 悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片设计

4．2 悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片工艺制作

4．3 悬臂梁阵列式脉搏传感器芯片封装

4．3．1 硼硅玻璃片制作

4．3．2 静电键合

4．3．3 芯片PCB封装

4．4 本章小结

第5章 实验结果与讨论

5．1 悬臂梁力传感器力敏特性分析

5．2 悬臂梁阵列式脉搏传感器的动态特性

5．3 悬臂梁阵列式脉搏传感器力敏特性

5．4 悬臂梁阵列式脉搏传感器静态特性

5．4．1 线性度

5．4．2 重复性

5．4．3 迟滞性

5．4．4 准确度

5．4．5 灵敏度

5．5 悬臂梁阵列式脉搏传感器信号放大电路

5．5．1 放大电路概述

5．5．2 放大电路测试

5．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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