摘要：本文设计并研制了一种基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems MEMS)流量芯片的高性能气体质量流量计,在保证精度的同时极大地扩宽了量程比这一关键技术参数,用于满足实验室、氢能、环保等产业对高精度、宽量程气体质量流量计的要求。在无分流情况下,通过理论分析和实验测试得到MEMS流量芯片的灵敏度和检测下限分别为:0.192 mV/sccm和2.707×10^(-3)mL/min,并以此设计了一种双模运算处理电路和分流流道设计,用来拓展流量计的测量量程范围。为了保证宽量程范围内的稳定性与准确性,对流量计内部的流道结构进行了流体仿真分析,并对双模运算处理电路进行了协同优化设计。测试结果表明该气体质量流量计的最小探测极限为0.659 mL/min,在0.1-100 slm范围内输出电压的测试结果的最大相对标准差为1.07%,流量波动的满量程误差为0.15%;在0-100 mL/min范围内输出电压的最大相对标准差为3.6%,流量波动的满量程误差为0.09%。该流量计在0.15%的满量程误差范围内可实现最大检测流量为100 slm,最小检测流量10 mL/min,可实现10000∶1的量程比,并具有较好的重复性和稳定性。

摘要：基于微电子机械系统(MEMS)技术的气体传感器具有灵敏度高、尺寸小、响应速度快、功耗低等优点,成为下一代半导体气体传感器的重要发展方向,其中敏感氧化物材料的温度均匀性对其探测灵敏度、选择性和可靠性均有重要影响。聚焦MEMS气体传感器中的核心微热板芯片的设计,通过热学分析和物理场有限元仿真,设计了一种等温热区占比90%的微热板芯片,有效解决了MEMS气体传感器中微小芯片内大面积均匀加热问题。在此理论基础上,设计了两款微热板芯片结构并进行了表征。实际测试结果显示温度-功耗曲线与仿真结果一致,在372℃工作温度下,方形薄膜结构的微热板芯片单位面积功耗仅为2.8×10^(-4)mW/μm^(2),但圆形薄膜结构的微热板芯片温度分布更均匀,两种设计的工作温度均可以达到370℃以上。受限于低温成膜工艺,该微热板芯片薄膜的最大应力仅为1500 MPa左右,这为后续优化设计提升工作温度和降低功耗提供了一定参考。

摘要：本文基于微机电系统(MEMS)设计和加工技术,研制了一种高辐射率、低功耗、高调制速率的MEMS红外(IR)光源,通过在工艺中引入高可靠的纳米铂黑(Pt-black)材料作为红外辐射层,在2~14μm光谱范围内成功实现了99.5%以上的平均辐射效率。在5V驱动电压下,该MEMS红外光源的辐射区温度达到407℃,响应时间(T90)为17ms,在10Hz和100Hz工作频率下的调制深度分别达到100%和42%。最后,把该MEMS红外光源芯片集成在一种微型二氧化碳(CO_(2))气体传感器样机中进行了实验验证,结果表明:该器件具备良好的辐射特性和温度特性。该MEMS红外光源可以用于常规的CO_(2)和甲烷(CH_(4))气体检测,以及二氧化硫(SO_(2))、硫化氢(H_(2)S)、六氟化硫(SF_(6))、氨气(NH_(3))等多种工业气体检测。