实验MEMS薄膜压力传感器静力学分析
MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术
MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微电子机械系统）压力传感器是一种利用微加工技术制造的微小化压力传感器。
它的结构与工作原理主要有晶体硅薄膜结构、电容式结构和热敏电阻式结构。
一、晶体硅薄膜结构是MEMS压力传感器最常见的结构形式之一、其基本结构包括压阻结构、桥电路和信号处理电路。
压阻结构由压敏电阻、硅晶片、基座和开孔组成。
通过外加压力使压敏电阻发生应变，进而改变电阻值，检测到的变化通过桥电路产生电压信号，经信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
二、电容式结构是另一种常见的MEMS压力传感器结构形式。
其基本结构包括电容器和悬梁。
电容器由两个金属电极和介电层构成，当外界施加压力时，悬梁固定端会发生微小变形，从而改变电容值，进而检测到的变化通过信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
三、热敏电阻式结构是一种利用热调制技术实现压力测量的MEMS压力传感器结构形式。
其基本结构是热敏电阻和温度传感器。
通过加热热敏电阻，使其温度升高，从而产生温度随压力变化的换算电阻变化。
测量到的电阻变化通过温度传感器转换为电压信号，经信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
在工业自动化领域，MEMS压力传感器可以应用于液压系统、气动系统、流量控制、压缩机等设备中，用于监测和控制压力。
在汽车电子领域，MEMS压力传感器可以应用于汽车发动机管理系统、车身悬挂系统、刹车系统等，用于精确测量和控制各个系统的压力。
在医疗器械领域，MEMS压力传感器可以应用于血压监测、呼吸机、心脏起搏器等设备中，用于精确测量患者的生理压力。
在消费电子领域，MEMS压力传感器可以应用于智能手机、平板电脑、手表等设备中，用于实现触摸屏、步数计、海拔计等功能。
总之，MEMS压力传感器以其微小化、高精度、低成本的特点，广泛应用于各个行业和领域，提供了可靠的压力测量和控制解决方案。
基于MEMS技术的压力传感器研究
基于MEMS技术的压力传感器研究一、引言基于MEMS技术的压力传感器是一种新型的传感器，它可以实现对于各种物质的精确压力检测。
它具有灵敏度高、体积小、功耗低等优点，在医疗、工业、环保等领域有着广泛的应用。
本文将会对于基于MEMS技术的压力传感器进行详细的研究。
二、压力传感器基本原理压力传感器最主要的原理为色散理论，该理论是基于嘉当效应。
嘉当效应是指当物质受到外力作用时，其表面会产生位移，由此产生引力或者斥力，使得该物质在位移方向产生扭曲变形，使压电晶体上的电荷变化。
根据嘉当效应，可以设计一种实现对于物体压力检测的传感器，即压力传感器。
三、传感器结构与工作原理基于MEMS技术的压力传感器通常由压电陶瓷材料制成，其结构主要包括探头、绕线和外壳。
探头通常是由压电陶瓷材料制成，且其形状为圆柱型或长方形，绕线则通常包裹在探头上，用于传输信号，外壳则主要用于保护传感器。
当物体产生压力时，探头受到外力作用会发生弯曲，由此产生电荷变化，绕在探头上的绕线会将变化的电荷信号传输到信号处理芯片中，最终将该信号转化为数字信号输出。
四、传感器精度的提高在实际应用中，传感器精度对于检测结果的准确性有着至关重要的作用。
因此，在设计基于MEMS技术的压力传感器时，需要尽可能提高传感器的精度。
传感器精度的提高通常通过增加传感器探头的灵敏度来实现，可以通过压电陶瓷材料的优化设计，降低传感器探头自重以及采用更高精度的信号处理芯片等方式来提升灵敏度。
五、传感器的应用领域基于MEMS技术的压力传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低等优点，因此在医疗、工业、环保等领域都有着广泛的应用。
在医疗领域中，压力传感器可以实现对于生理参数的监测，如血压、脉搏等；在工业领域中，压力传感器可以实现对于各种工业系统的压力监测，如气体管道、压缩空气系统等；在环保领域中，压力传感器可以实现对于工业废气和水的压力监测。
六、传感器的发展趋势基于MEMS技术的压力传感器已经成为了当前压力检测技术中的主要发展方向。
压电MEMS传感器介绍及原理解析
压电MEMS传感器介绍及原理解析一、压电效应及压电材料1、压电效应压电材料是指受到压力作用在其两端面会出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料，它是进行能量转换和信号传递的重要载体。
最早报道材料具有压电特性的是法国物理学家居里兄弟，1880年他们发现把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成正比，并将其成为压电效应。
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种。
某些介电体在机械力作用下发生形变，使介电体内正负电荷中心发生相对位移而极化，以致两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成比例。
这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应。
反之，如果将具有压电效应的介电体置于外电场中，电场使介质内部正负电荷位移，导致介质产生形变。
这种由“电”产生“机械变形”的现象称为逆压电效应。
2、压电材料（1）压电单晶压电单晶是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。
这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。
如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。
压电单晶材料的生长方法包括水热法、提拉法、坩埚下降法和泡生法等。
（2）压电陶瓷压电陶瓷则泛指压电多晶体，是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体，具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。
压电陶瓷材料具有良好的耐潮湿、耐磨和耐高温性能，硬度较高，物理和化学性能稳定。
压电陶瓷材料包括钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。
（3）压电薄膜压电薄膜材料是原子或原子团经过或溅射的方法沉积在衬底上而形成的，其结构可以是费静态、多晶甚至是单晶。
压电薄膜制备的器件不需要使用价格昂贵的压电单晶，只要在衬底上沉积一层很薄的压电材料，因而具有经济和省料的特点。
而且制备薄膜过程中按照一定取向来沉积薄膜，不需要进行极化定向和切割等工艺。
另外，利用压电薄膜制备的器件应用范围广泛、制作简单、成本低廉，同时其能量转换效率高，还能与半导体工艺集成，符合压电器件微型化和集成化的趋势。
基于MEMS技术的压力传感器制备与测试
基于MEMS技术的压力传感器制备与测试近年来，微电机系统（MEMS）技术在传感器领域得到了广泛应用。
其中，基于MEMS技术的压力传感器因其小型化、高精度和低功耗等特点备受关注。
本文将探讨基于MEMS技术的压力传感器的制备和测试方法，以及其在不同领域的应用。
一、MEMS技术的压力传感器制备MEMS技术是一种将微尺度的机械结构与电子器件集成在一起的技术。
压力传感器是MEMS技术应用的重要领域之一。
在压力传感器的制备过程中，主要包括以下几个关键步骤：1. 压力传感器结构设计：首先需要确定传感器的结构，例如薄膜结构、柔性结构等。
结构的设计要考虑到压力传感器所要测量的压力范围和精度要求等因素。
2. 材料选择：在MEMS技术中，常用的材料包括硅、玻璃、金属等。
选择合适的材料对于传感器的性能至关重要。
例如，硅具有优良的机械性能和化学稳定性，常用于薄膜压力传感器的制备。
3. 制备工艺：MEMS技术的制备包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等步骤。
光刻技术用于定义传感器的结构，而薄膜沉积和离子刻蚀则用于形成薄膜结构。
制备工艺的选择和优化将直接影响到传感器的性能。
4. 传感电路的设计与集成：制备好的压力传感器需要与传感电路结合，以实现信号的采集和处理。
传感电路的设计要考虑到传感器的输出信号特点和外部环境的干扰等因素。
二、MEMS技术的压力传感器测试压力传感器的测试是确保其性能和可靠性的关键环节。
常用的测试方法包括静态测试和动态测试。
1. 静态测试：静态测试用于测量压力传感器的零点漂移、灵敏度、线性度等参数。
在测试过程中，需要通过与标准压力源连接，以模拟不同的压力值，并检测传感器输出的电信号。
根据测试结果，可以对传感器的性能进行评估和调整。
2. 动态测试：动态测试用于测量压力传感器的频率响应等参数。
通过施加不同频率和幅度的压力信号，并检测传感器输出的电信号，可以确定传感器在不同频率下的响应特性。
动态测试可以用于评估传感器的动态性能和抗干扰能力。
mems压力 -回复
mems压力-回复MEMS压力传感器：探索微米级尺寸的力度检测技术引言：在现代科技领域中，数量庞大的传感器种类被广泛应用于各种领域，如汽车、医疗、工业等，其中压力传感器的应用尤其广泛。
近年来，MEMS（微机电系统）技术的快速发展使得压力传感器在尺寸和性能上取得了巨大的突破，进一步拓展了其应用领域。
本文将深入探索MEMS压力传感器的原理、制造工艺以及应用领域，以帮助读者了解这个革命性的技术。
一、MEMS压力传感器的原理MEMS压力传感器是一种基于微型机械和电子技术原理的传感器，其工作原理是通过感应压力作用下微小机械变形引起的电信号变化来实现对压力的检测。
其基本原理可以通过弹性力学理论来解释。
当被测介质施加压力时，该压力将作用于传感器的感压腔室，在腔室内的微小机械结构受到压力的作用而发生变形。
腔室中的微机械结构通常采用薄膜或梁形结构，其变形程度与压力大小成正比。
传感器借助电阻、电容、压电效应等原理，将微小机械变形转换为电信号输出，从而实现对压力的准确测量。
二、MEMS压力传感器的制造工艺MEMS压力传感器的制造工艺复杂且高度精细，主要包括以下几个步骤：1. 薄膜沉积：传感器的感压腔室通常由薄膜结构构成，其材料通常为硅或多层材料。
薄膜沉积是通过化学气相沉积或物理气相沉积等方法将所需材料沉积在基底上，形成薄膜结构。
2. 微电子加工：传感器中的微电子器件通常通过光刻、离子注入等工艺步骤进行加工。
光刻技术用于在薄膜表面形成图案，以定义微小结构，而离子注入技术则用于改变材料的导电性能。
3. 晶片封装：经过微电子加工后，晶片需要封装以保护其微小结构不受外界环境影响，同时提供可靠的电气接口。
封装通常采用扩散焊接或微机械技术，以确保传感器的准确和可持续的性能。
三、MEMS压力传感器的应用领域由于MEMS压力传感器具有尺寸小、功耗低、灵敏度高等优势，其应用领域非常广泛。
以下是一些常见的应用领域：1. 汽车行业：MEMS压力传感器被广泛用于汽车制动系统、发动机控制系统等。
压电MEMS传感器介绍及原理解析
压电MEMS传感器介绍及原理解析当外界施加压力或作用力到传感器上时，压电材料会发生形变，导致材料内部电荷分布发生改变。
这种电荷分布的变化可以通过连接在传感器上的电极来测量。
根据电荷量的变化，可以推导出传感器受到的压力、力量或其他机械量。
压电MEMS传感器的尺寸通常很小，可以制作成微型芯片。
这种微小尺寸的设计使得传感器可以在各种应用中得到广泛应用，例如汽车安全、医疗器械、工业自动化等。
此外，压电MEMS传感器还具有高灵敏度、高频响应和低功耗的优点。
原理解析：1.压电效应：压电效应是指一些材料在受到机械应力时会产生电荷分布的现象。
这些材料被称为压电材料，常见的包括压电陶瓷和压电聚合物。
当压力施加到压电材料上时，材料内的晶格结构发生变化，导致正负电荷分布不均衡，从而产生电势差。
2.压电材料选择：传感器的灵敏度和性能与选择的压电材料密切相关。
铅锆钛酸钡（PZT）是最常见的压电陶瓷材料，具有良好的压电性能和稳定性。
而压电聚合物材料则具有更高的柔韧性和可塑性，适用于柔性传感器的应用。
3.微结构设计：传感器的微结构常常采用悬臂梁、柱状结构或薄膜结构等形式。
这些微结构用于将外界施加的压力或力量转换为压电材料的变形。
设计合理的微结构能够增加传感器的敏感度和响应速度。
4.电极连接和信号测量：为了测量传感器中电荷分布的变化，需要将电极与压电材料连接起来。
一般情况下，电极通过金属线缆连接到传感器芯片的外部电路中。
在外部电路中，电荷的变化可以转化为电压或电流信号，进而进行放大、滤波和处理。
实验四 MEMS薄膜压力传感器静力学分析
实验四 MEMS薄膜压力传感器静力学分析一、实验目的1、掌握静力学分析2、验证理论分析结果3、对不同形状膜的分析结果进行对比二、实验器材能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机三、实验说明（一）基本思路1、建模与网格化2、静力学分析3、对结果进行分析和比较（二）问题描述：由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力面比较好。
我们比较的膜形状有三种，分别是圆形. 正方形. 长方形。
在比较的过程中，三种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。
设置参数具体为：F=0.1MPa, EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。
为了选择合适的网格化类型，首先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。
四、实验内容和步骤圆形薄膜11.先建立一个圆形薄膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solidcylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图1，单击OK.图12.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close.如图2.图23.设置材料属性：Main Menu>Preprocessor>material props> material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic，又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY 后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入 2.33e3,单击OK。
mems压力传感器原理
mems压力传感器原理一、MEMS压力传感器的概述MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微电子机械系统的缩写，是一种微型化的电子机械系统技术。
MEMS压力传感器是利用微电子技术制造出来的一种能够测量气体或液体压力大小的传感器，具有体积小、重量轻、响应速度快等特点，在工业自动化控制、医疗仪器、汽车电子等领域得到广泛应用。
二、MEMS压力传感器的结构1. 压力敏感元件MEMS压力传感器最重要的部分是压力敏感元件，它通常由硅晶片制成。
硅晶片上有许多微小的结构，如薄膜、梁等，这些结构可以随着外部压力变化而产生形变，并将形变转换为电信号输出。
2. 支撑结构支撑结构通常由玻璃或陶瓷等材料制成，它可以保持硅晶片在正常工作时不受外界干扰和损坏。
3. 信号处理电路信号处理电路主要包括放大器和滤波器等组件，用于将从压力敏感元件输出的微弱信号放大并滤波，以便进行后续处理和分析。
三、MEMS压力传感器的工作原理MEMS压力传感器的工作原理基于压阻效应和电容效应。
1. 压阻效应当外界气体或液体压力作用在硅晶片上时，硅晶片会发生形变。
由于硅晶片具有特殊的电阻率，其电阻值会随着形变而发生变化。
因此，通过测量硅晶片的电阻值变化可以得到外界压力大小。
2. 电容效应MEMS压力传感器还可以利用电容效应来测量外界压力大小。
当外界气体或液体压力作用在硅晶片上时，硅晶片与支撑结构之间的距离会发生微小变化。
这种微小变化会导致硅晶片与支撑结构之间的电容值发生变化。
因此，通过测量硅晶片与支撑结构之间的电容值变化可以得到外界压力大小。
四、MEMS压力传感器的优缺点1. 优点（1）体积小、重量轻：MEMS压力传感器体积小、重量轻，可以方便的集成到各种设备中。
（2）响应速度快：MEMS压力传感器响应速度快，可以实现实时监测和控制。
（3）精度高：MEMS压力传感器具有较高的精度和稳定性。
2. 缺点（1）受温度影响大：MEMS压力传感器对温度变化比较敏感，需要进行温度补偿。
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3.设置材料属性：Main Menu>Preprocessor>material props>material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic，又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击material>exit,完成材料属性的设置。如图3.
10.显示节点位移云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured>nodal solution>dof solution>displacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图8.
图7
8.求解：Main Menu>solution>solve>curentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击file>close,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。
9.保存分析结果:utility menu>file>save as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。
实验
一、实验目的
1、掌握静力学分析
2、验证理论分析结果
3、对不同形状膜的分析结果进行对比
二、实验器材
能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机
三、实验说明
（一）基本思路
1、建模与网格化
2、静力学分析
3、对结果进行分析和比较
（二）问题描述：
由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力面比较好。我们比较的膜形状有三种，分别是圆形.正方形.长方形。在比较的过程中，三种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。设置参数具体为：F=0.1MPa, EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。为了选择合适的网格化类型，首先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。
图9
圆形薄膜2
1.先建立一个圆形薄膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图10，单击OK.
图10
2.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK.在点击close.如图11.
四、实验内容和步骤
圆形薄膜1
1. 先建立一个圆形薄膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图1，单击OK.
图1
2.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK.在点击close.如图2.
图11
3.设置材料属性：Main Menu>Preprocessor>material props>material models,弹出一个对话框，在material models avaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic，又弹出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击material>exit,完成材料属性的设置。如图12.
图8
11.显示节点应力云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu，出现如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured>nodalsolution>stress>von mises stress,然后单击OK。生成应力云图如图9.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图3
4.设置单元尺寸：Main Menu>Preprocessor>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Global element sizes对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。如图4.
图4
5..采用自由式网格化生成单元：Main Menu>Preprocessor>meshing>meshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Tet,Free,.然后单击Mesh..在拾取图形，在单击OK。如图5.
图5
6.施加约束：Main Menu>solution>define loads>apply>structural>displacement>on areas.拾取圆的周围面，如图：然后单击OK.又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图6.
图6
7.施加载荷：Main Menu>solution>define loads>apply>structural>pressure>on Areas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面如图：然后单击OK。出现一个对话框，在value load presValus后面输入100000，单击OK。如图7.