國外的剪切流傳感器已經(jīng)趨于成熟,但仍存在測試信息量單薄、空間分辨率不高和價格昂貴的缺點(diǎn)。提出了一種新型高分辨率微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）湍流傳感器,通過MEMS工藝的微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)湍流傳感器的高分辨率探測,同時憑借Parylene真空氣相沉積技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳感器在海中的絕緣性和抗腐蝕性。經(jīng)過5～45℃的高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了MEMS湍流傳感器在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性,并通過實(shí)驗(yàn)測量得到電壓形式的湍流數(shù)據(jù)。 

【文章來源】：微納電子技術(shù). 2019,56(11)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

圖１湍流纖毛結(jié)構(gòu)三維設(shè)計圖

耍疲?４）式中Ｅｒｍｓ為輸出電壓的均方根，定義傳感器的靈敏度為Ｓ＝ＫＡ／２，將式（４）代入可得Ｓ＝ＡＥｒｍｓ２Ｆ（５）將式（３）帶入式（５）可得Ｓ＝Ｅｒｍｓ２ρｖｕ（６）（a）纖毛探頭受力示意圖（b）纖毛實(shí)物圖v琢Uu圖２ＭＥＭＳ湍流傳感器纖毛探頭受力示意圖及纖毛實(shí)物圖Ｆｉｇ．２ＦｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｉｌｉａｐｒｏｂｅａｎｄｃｉｌｉａｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅＭＥＭＳｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｓｅｎｓｏｒ圖３為橫梁上電路結(jié)構(gòu)圖。圖３（ａ）中的電阻是借助離子注入工藝制作的壓敏電阻［１３］。由于工藝原因，實(shí)測對應(yīng)電阻不會完全相同，會有５％的誤差。湍流信號由纖毛頭部傳入，引起十字梁結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，最終壓敏電阻阻值的變化引起電壓的變化［１４－１５］。梁上電路為惠斯通電橋，如圖３（ｂ）所示，傳感器梁的供電電壓ＶＣＣ為定值輸入電壓，四個電阻阻值（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３和Ｒ４）相同，在梁發(fā)生形變時阻值變化量相同，圖中Ｖｏ為電橋輸出電壓。梁上的壓敏電阻中心質(zhì)量塊梁上的電路GNDR3R2Vo+Vo-R4R1VCC（a）十字梁結(jié)構(gòu)顯微鏡下實(shí)物圖（b）一路電橋連接示意圖圖３硅梁上的電路結(jié)構(gòu)圖Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｎｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎｂｅａｍ任意方向的信號都可分解為ｘ方向和ｙ方向，因此將兩路惠斯通電橋輸出電壓進(jìn)行對比可實(shí)現(xiàn)湍流信號的測量。在無湍流信號時一路電橋輸出電壓Ｖｏ可表示為Ｖｏ＝ＶＣＣ（Ｒ１Ｒ３）－（Ｒ２Ｒ４）（Ｒ１＋Ｒ

微納電子技術(shù)完全相同，因此會在放大電路輸入端產(chǎn)生直流偏置。為解決壓敏電阻在工藝上的缺點(diǎn)，會在后續(xù)的放大電路前加上電容來隔直通交。２ＭＥＭＳ湍流傳感器的仿真分析十字梁結(jié)構(gòu)的梁長、梁寬和厚度參數(shù)的變化都會顯著改變整體的共振頻率［１６］，其中梁長對傳感器敏感結(jié)構(gòu)的影響如圖４所示。1400120010008006004006008001000120014001600梁長/滋m微結(jié)構(gòu)的共振頻率/Hz圖４梁長對十字梁共振頻率的影響Ｆｉｇ．４Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｂｅａｍｌｅｎｇｔｈｏｎｉｔｓｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ梁長在５００～９００μｍ內(nèi)變化會顯著影響整體的共振頻率；其他的變量如梁寬和厚度等參數(shù)也有相似的影響。高分辨率ＭＥＭＳ湍流傳感器參考成熟矢量水聽器的參數(shù)，設(shè)置梁的長、寬和厚度分別為１０００、１２０和４０μｍ。所以本文更多地考慮的是此傳感器在海洋中的靈敏度、抗腐蝕性和可靠性。在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中對纖毛十字梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并對所建立模型進(jìn)行模態(tài)仿真，如圖５（ａ）所示。設(shè)置十字梁為硅材料，纖毛為聚氨酯丙烯酸酯材料，仿真結(jié)果如圖５（ｂ）所示�？紤]到本次所關(guān)注的微尺度湍流信號大多集中在１～１７０Ｈｚ，所以傳感器敏感結(jié)構(gòu)的一階共振頻率達(dá)到要求。由圖５可知，一階共振頻率在３５６．３４Ｈｚ達(dá)到要求�？紤]到傳感器需要盡可能地保持在水中的流體曲線，因而纖毛越長越好，但是十字梁敏感結(jié)構(gòu)一階共振頻率會隨著纖毛長度的增加而減小，纖毛高度的降低會影響傳感器殼體流線的體型。在一階模態(tài)和殼體流線型要求下尋找平衡點(diǎn)，最終確定纖毛桿長９ｍｍ，頂部圓球直徑１ｍｍ。（a）十字梁纖毛結(jié)構(gòu)模?


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