微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 微型热传导气压传感器
• 1.1.1 工作原理
• 1.1.2 国内外研究概况
• 1.2 微热板加热技术
• 1.2.1 微热板简介
• 1.2.2 微热板研究中的关键问题
• 1.3 本文研究的内容
• 2 微热板式微气压传感器及其测试
• 2.1 微热板式微气压传感器
• 2.1.1 微热板式微气压传感器的加工工艺流程
• 2.1.2 微热板式微气压传感器的基本特性
• 2.2 微热板式微气压传感器的测试
• 2.2.1 影响微气压传感器测试的因素
• 2.2.2 自动测试系统的基本要求
• 2.2.3 微热板式微气压传感器测试电路
• 3 微热板式微气压传感器电热力耦合分析
• 3.1 传感器电热力耦合分析简介
• 3.2 微气压传感器电热理论分析
• 3.2.1 理论模型的建立
• 3.2.2 气体热传导
• 3.2.3 支撑桥热传导
• 3.2.4 模型求解
• 3.3 微气压传感器热力分析
• 3.3.1 微热板力学设计
• 3.3.2 微热板热力有限元模拟
• 3.4 微气压传感器电热力耦合响应分析
• 3.4.1 加热电流恒定时传感器的响应特性
• 3.4.2 微热板温度恒定时传感器的响应特性
• 4 微热板式微气压传感器结构优化
• 4.1 结构设计中的关键问题
• 4.1.1 薄膜厚度
• 4.1.2 气隙高度
• 4.1.3 微热板面积和支撑桥尺寸
• 4.1.4 加热电阻条
• 4.2 微热板支撑结构优化
• 4.2.1 微热板支撑类型
• 4.2.2 微热板有限元分析
• 5 测试系统气压自动控制及传感器性能测试
• 5.1 测试系统气压自动控制
• 5.1.1 测试系统组成及工作原理
• 5.1.2 参数在线自调整模糊控制器的设计
• 5.1.3 参数在线自调整模糊控制器的算法实现
• 5.1.4 控制系统建模与仿真
• 5.1.5 真空腔气压自动控制实验
• 5.2 传感器性能测试与分析
• 5.2.1 恒电流模式测试与分析
• 5.2.2 恒电压模式测试与分析
• 5.2.3 恒温模式测试与分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢