叶轮式流量传感器的设计与检测技术的研究

摘要

MEMS 微型流量传感器是微传感器的一个重要的分支，广泛用于微流体、生物学、医学、卫生、食物等各个领域。根据其测量原理，可分为热式流量传感器和非热式流量传感器两大类。热式流量传感器测量范围较宽，具有很高的灵敏度，流量下限很低，但其输出是呈非线性的，有反应时间长，功耗大，衬底的热传导导致测量误差，零点随环境温度的漂移等问题。非热式流量传感器，具有功耗小，无零点漂移，检测电路简单，响应时间短等优点。本课题所研究的叶轮式微流量传感器是将流量的信息转换成相应的电信号来进行测量的，属于非热式流量传感器。 本课题的工作主要分为三个部份。首先对叶轮式流量传感器进行了结构设计和工艺流程设计，分析了流速与叶轮扭矩和叶轮转速之间的对应关系，同时也介绍了传感器的加工艺过程和方法。硅-硅键合、浅槽刻蚀、ICP刻蚀、硅一玻璃键合等MEMS工艺，并初步估算了传感器构成的电容的大小和变化范围。第二部份是对叶轮式流量传感器的检测电路进行了设计与调试。根据该传感器的工作原理-当流体使流量传感器的叶轮转动，引起电容的变化。流量的大小对应了转速的大小，也对应了电容变化率，在检测电路中主要考虑了将电容变化通过取样，利用由施密特触发器构成的振荡电路，输出频率随着电容变化的变频振荡波，再通过由单稳态触发器和 D 触发器构成的数字鉴频电路，将频率的变化率检测出来，该频率对应了某一电容，从而反映电容的变化周期，进而反映出流量的大小。通过电路设计，仿真并实际搭制电路，并用于流量传感器模型，实现了该检测电路的功能。课题的最后为了进一步使传感器与检测电路进行片上集成，对检测电路进行了集成化设计，分别用CMOS电路构建了三个模块电路，施密特触发器、单稳态触发器、D触发器，并通过T-SPICE仿真，实现了各模块电路的功能。

目录

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摘要

第一章绪论

1.1引言

1.1.1热流量传感器

1.1.2非热式流量传感器

1.2本论文的主要工作

1.3本论文的框架

第二章叶轮式微流量传感器的结构设计和工艺设计

2.1引言

2.1叶轮式微流量传感器的结构及工作原理

2.2叶轮式微流量传感器的分析

2.3叶轮式微流量传感器的工艺流程与版图设计

2.4工艺加工试验

2.4.1硅/硅直接键合工艺

2.4.2浅槽腐蚀形成电容间距并预释放转子部份

2.4.3 ICP刻蚀形成中心轴与转子的形状

2.4.4与已经金属化的玻璃键合

2.5本章小结

第三章叶轮式微流量传感器检测电路的设计与调试

3.1检测电路设计的总体框架

3.2叶轮转速与检测电容变化率之间的关系

3.3振荡电路的设计

3.3.1CD4016的性能参数

3.3.2振荡电路的设计

3.3.3振荡电路的仿真波形

3.4数字鉴频电路的设计

3.4.1 CD4538触发器的结构与工作原理

3.4.2 CD4013触发器的结构与工作原理

3.4.3数字鉴频电路的设计

3.4.4数字鉴频电路的仿真

3.5实际电路的制作和调试

3.5.1振荡电路的调试

3.5.2数字鉴频电路的调试

3.6本章小结

第四章片上集成电路的实现

4.1片上集成的优越性

4.2用CMOS实现振荡电路功能

4.2.1振荡电路的工作原理

4.2.2振荡电路元器件的设计

4.2.3振荡电路的T-SPICE仿真模拟

4.3用CMOS实现单稳态触发电路功能

4.3.1单稳态触发电路工作原理

4.3.2单稳态触发电路的设计

4.3.3单稳态触发电路的仿真

4.4 CMOS D触发器电路的设计

4.4.1 D触发器的电路图与工作原理

4.4.2 D触发器的电路网表及仿真波形

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2存在的问题及今后的工作

第六章致谢

参考文献

硕士期间发表的论文