【摘 要】
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气压是与人们的日常生活以及工业生产活动息息相关的物理量。随着微机械制造工艺的进步,传感器的微型化、集成化发展趋势显现,各种MEMS气压传感器也应运而生。但是当下实际应用的更多的是绝压式气压传感器,其对于微小的气压变化很难检出。通过测量微小的气压变化可以间接检测非常微小的高度变化之类的、与气压关联的物理量变化,在高度检测、辅助导航等方面具有非常重要的作用。本文设计了一种MEMS电容式差压传感器,用于
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气压是与人们的日常生活以及工业生产活动息息相关的物理量。随着微机械制造工艺的进步,传感器的微型化、集成化发展趋势显现,各种MEMS气压传感器也应运而生。但是当下实际应用的更多的是绝压式气压传感器,其对于微小的气压变化很难检出。通过测量微小的气压变化可以间接检测非常微小的高度变化之类的、与气压关联的物理量变化,在高度检测、辅助导航等方面具有非常重要的作用。本文设计了一种MEMS电容式差压传感器,用于检测微小压力的变化,主要工作如下:（1）MEMS电容式差压传感器动态检测机理的研究。本课题研究的电容传感器包含一个由感压膜隔绝的半封闭的空腔,其上有一微孔用于平衡空腔与外界的压差,通过检测感压膜与电极间的电容检出压力变化。具体研究内容包括:将传感器的检测机理进行拆分,建立传感器压力-电容的关系模型;基于可压缩流体动力学相关理论,以定积容器充放气模型为基础,通过空腔压力变化情况确定传感器的响应时间;考虑空气阻尼的影响,计算其对传感器的动态响应时间、输出电容性能的影响;根据上面的理论分析设计了多种结构尺寸的传感器。（2）MEMS电容式差压传感器动态检测过程的有限元仿真。使用COMSOL软件建立电容式差压传感器的流固耦合与机、电、力的多物理场仿真模型;仿真分析了差压作用时传感器腔体内压力变化的情况、动态响应时间以及输出电容,并获得了气孔的开口系数。（3）MEMS电容式差压传感器动态检测机理的实验验证。用MEMS工艺制作了电容式差压传感器,根据等效电路分析传感器的寄生电容;搭建差压供给系统,通过活塞气泵提供压力和高平电磁阀控制气容开关,最小可实现1Pa的压力变化;搭建了基于IM3570阻抗分析仪和基于STM32与Pcap01芯片的两种电容检测电路;对感压膜半径为750μm,空腔深度为10μm,动极板厚度5μm,气孔半径5μm的电容差压传感器进行实验,可以得到实际制作的传感器在±1000Pa的差压范围内,灵敏度为K=0.0129 f F/Pa,非线性误差为0.072,线性度较好,最大响应时间不超过100ms。分析了电容随压力变化的实验结果与理论计算结果之间误差的主要原因:实验使用的传感器空腔深度过小导致的内部压力梯度,以及气容内压力变化变化不是理想的瞬时差压变化。因此在差压值较大时理论与实验结果相差较大,随着差压值不断减小,理论与实验结果不断趋近,在差压值处于±40Pa范围内时,理论与实验的差距小于20%,可以认为理论正确。本文研通过理论和实验证明了电容式差压传感器检测微小差压的可行性,在微小高度变化的检测上具有广阔的研究与应用前景。
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