MEMS应变式结冰传感器设计与制作.pdf

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1、第24卷第8期传感技术学报Vo1．24No．82011年8月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSAug．2011DesignandFabricationofMEMSStrainGaugeIcingSensorsL／Zongxing，CHENDeyong，WANGJunbo(StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology，InstituteofElectronics，ChineseAcademyofSciences，Beifag100190，China)Abs

2、tract：AMEMSstraingaugeicingsensorisproposed．Onthebasisoficingondiaphragmcausingitsstiffnessvariation，Wheatstonebridgeisadoptedtodetectthevariationofstraingaugeonthediaphragmtogeticinginformation．UtilizationofWheatstonebridgeandtemperaturecompensationcircuitgreatlyr

3、educesthetemperaturedriftofoutputsigna1．Throughtheoreticalanalysisandfiniteelementsimulation，thedetectingprincipleofthesensorisdescribedanditsstructuralparametersareoptimized．ThesensorisfabricatedbybulkMEMSprocessingtechnology，whichiscompatiblewithICfabrication．Iti

4、sconcludedthattheicingdetectingsensitivityofthesensorislessthan0．1mmthroughaseriesoficingdetectionexperiments．Keywords：icingsensor；Micro—sensor；foilstraingauge；temperaturecompensationcircuit；constantcurrentdrivingofbridgeEEACC：7230；7230M’doi：10．3969／j．issn．1004-169

5、9．2011．08．005MEMS应变式结冰传感器设计与制作李宗兴，陈德勇，王军波(中国科学院电子学研究所，传感技术国家重点实验室，北京100190)摘要：提出了一种MEMS应变式结冰传感器。传感器基于结冰造成薄膜刚度改变的原理，采用惠斯通电桥结构检测结冰薄膜上应变电阻的变化，感知结冰信号。传感器利用惠斯通电桥自身结构及外加温度补偿电路，可有效地抑制输出信号的温漂。通过理论分析和有限元仿真，分析了器件的敏感机理，并对结构参数进行计算。采用与IC工艺兼容的体硅MEMS工艺完成传感器的加工。实验结果表明，传感器检测结冰厚度的灵敏

6、度优于0．1mm。关键词：结冰传感器；微传感器；箔式应变片；温度补偿电路；电桥恒流驱动中图分类号：TP212．1文献标识码：A文章编号：1004-1699(2011)08-1108-06结冰传感器在航空_】J、电力等多个领域有重种类和比例等)不很敏感，冰的状态和成分的不确要应用前景。例如，云层中的过冷水滴或水蒸气碰定性会造成检测值的不确定性。机械式结冰传感到飞机机体，或天空中的过冷水滴或湿雪碰到低于器，如：磁致伸缩振筒式，压电平膜式等，检测零摄氏度的输电线，会发生附着结冰现象，引起事灵敏度高，但其制作工艺与IC工艺不兼容，难

7、以适故。因此需要结冰传感器对机体或导线表面的应传感器微型化、智能化的要求。美国NASA提出结冰情况进行实时监测，及时将冰冻除去。目前提过一种基于MEMS工艺的电容式结冰传感器¨，但出的几类典型的结冰传感器有光学式、电学式和机其制作工艺复杂，使用键合工艺容易引人应力；械式等⋯。光学式结冰传感器，如：摄像式、光纤输出信号为微小的电容变化，检测十分困难。本文式J、红外阻断式¨等，要求被测物具有防震功能，提出了一种MEMS应变式结冰传感器，与光学式和否则检测精度大大降低。摄像头上有结冰时还会导电学式相比，检测可靠性高、灵敏度高；与机

8、械式相致摄像法的失效。电学式结冰传感器，如：电容比，制作工艺与Ic工艺兼容；与MEMS工艺制作的式、电阻式等，检测灵敏度和精度不高，且对冰电容式结冰传感器相比，制作工艺简单，且通过惠斯的状态和成分(如：透明冰还是霜冰，冰中含杂质的通电桥输出电压信号，检测容易。收稿日期：2011—03—10