采用MEMS技术研制压电式结冰传感器

摘要

结冰是广泛存在于人们日常生产生活中的自然现象,同时这一现象也是很特殊的,因为它的出现总是与我们的安全息息相关。本文基于MEMS技术制作压电式结冰传感器,它有两部分组成,分别是聚偏氟乙烯应变片(PVDF)和硅杯式压力传感器。根据逆压电原理,当有外加电压作用时,聚偏氟乙烯应变片将发生应变。硅杯式压力传感器是在硅片上先刻蚀出硅杯,然后在硅杯薄膜上制作四个MOSFET组成惠斯通桥路,当受到压力作用时,桥路失衡产生输出电压。在一定的外加电压下,当PVDF压电薄膜表面没有冰层时,硅杯式压力传感器受到压电薄膜压力的输出值只和温度有关；当PVDF薄膜表面存在冰层时,压电薄膜的应变发生变化,相应地,硅杯式压力传感器的输出电压也发生改变。通过压力传感器输出电压的变化,实现对冰层厚度的测量。
　　 本文首先介绍了压电式结冰传感器基本工作原理,然后阐述了压电式结冰传感器的结构设计和制作工艺。对硅杯式压力传感器的静态特性、温度特性进行实验测试和分析。对压电式结冰传感器温度特性和静态特性进行了测试,得到了线性度、重复性、灵敏度和温度特性。当温度为-10℃、PVDF工作电压为3V、硅杯压力传感器工作电压为-3V,本文设计的压电式结冰传感器检测冰层厚度范围是0～8mm。压电式结冰传感器灵敏度为0.42mV／KPa,线性度为±3.90％F·S,重复性为±1.18％F·S,零点输出的温度系数为0.26％／℃,灵敏度的温度系数为-0.38％／℃。实现了对冰层厚度的检测目的。
　　 国内外对于结冰传感器的设计都是结构式结冰传感器,本文设计为物性的压电式结冰传感器。经过实验验证,传感器的设计方案可行。压电式结冰传感器具有体积小、重量轻、制作工艺与集成电路工艺相兼容的特点,有广泛的应用前景。