基于CMOS-MEMS单片集成与微悬桥真空缝合的超低气体流速传感器研究
批准号:
52105582
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
许威
依托单位:
学科分类:
微纳及原子级制造
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
许威
中文摘要
流速传感器广泛应用于环境监测、医疗诊断、工业控制等关系国计民生的重要领域。MEMS技术促进了微型低功耗流速传感器的进步,然而CMOS-MEMS协同设计方法的缺失、微结构减薄制造工艺的复杂性、以及检测极限影响机制的不明确,仍是实现集成化超低气体流速传感器研制的瓶颈问题。本项目提出一种微悬桥真空缝合与接口电路单片集成的量热式流速传感器设计,在简化高灵敏微结构与低噪声电路集成制造的基础上,探明传感器理查森数对其检测极限的影响,实现mm/s级超低气体流速测量。首先,建立气流、热、电耦合的传感器系统级模型,研究微结构与接口电路协同优化的方法;其次,提出传感器真空隔热结构的无光刻单芯片单面减薄加工技术;最后,揭示传感器最小可测流速的影响机制并建立半经验预测模型,探索基于加热温度调控来优化超低检测极限的方法。本项目对拓展单片集成传感器设计与制造方法,促进超低气体流速传感技术的发展具有重要理论与现实意义。
英文摘要
Flow sensors are widely used in environmental monitoring, medical diagnosis, industrial control, and other important fields related to the national economy and people's livelihood. Benefit from the MEMS technology, micro flow sensor with low power design could be realized. However, it is still a great challenge to develop an integrated gas flow sensor with an ultra-low detection limit, due to the lack of a collaborative design method for CMOS-MEMS sensor, the complexity of the microstructure thinning process, and the unrevealed physics behind the detection limit of the flow sensor. This project will propose a monolithically integrated CMOS-MEMS calorimetric flow sensor with the vacuum sealing of microbridges. After the simplification of the fabrication process for the integration of high sensitivity microstructures and low-noise interface circuits, the influence of the sensor's Richardson number on the sensor detection limit is explored, and those research approaches will help the sensor achieve the capability for the measurement of mm/s level ultra-low gas flow. First, a system-level sensor model that is fully coupled with the gas flow, thermal, and electrical transduction process will be established, while the collaborative optimization for the microstructure size and interface circuit parameters effect on the flow sensor performance will be investigated. Second, a simplified Post-CMOS fabrication technology for the single-chip single-sided releasing and thinning of the MEMS structure will be proposed without the leverage of photolithographic. Finally, the characterization of sensor performance will be carried out, while the factors that affect the ultra-low flow velocity measurement will be revealed, and a semi-empirical model for the prediction of the minimum detectable flow velocity (MDFV) of the flow sensor will be established. Accordingly, a new method to optimize the ultra-low detection limit of the CMOS-MEMS flow sensor through the manipulation of heating temperature will be proposed. This project has important theoretical and practical significance for the development of design and microfabrication methods for the monolithically integrated flow sensor and the promotion of ultra-low gas measurement sensor technology.
流速传感器广泛应用于环境监测、医疗诊断、工业控制等关系国计民生的重要领域。MEMS技术促进了微型低功耗流速传感器的进步,然而CMOS-MEMS协同设计方法的缺失、微结构减薄释放工艺的复杂性、以及检测极限影响机制的不明确,仍是制约集成化超低气体流速传感器研制的瓶颈问题。针对以上科学问题,本项目提出一种CMOS-MEMS集成的量热式流速传感器方案,在简化高灵敏微悬桥与低噪声电路集成设计与制造的基础上,探明优化传感器检测极限的方法。.项目构建了气流、热、电多场耦合的系统级模型,提出传感器微结构与接口电路多参数协同优化的方法,据此设计出片上精准恒温差控制电路及近地低噪差分信号读取电路。该系统级模型拓展了集成传感器协同设计的基础理论,解决了多场耦合设计过程复杂性的问题。项目也创新性提出单面减薄释放微悬桥的无光刻Post-CMOS方案,实现MEMS悬桥一步刻蚀成型及隔热处理,显著提升流量传感器灵敏度,目前最高可达170mV/(m/s)。基于相同后处理工艺,项目也研制出集成堆叠式温度传感器的Pirani真空计。该多传感器系统表现出45Ω/°C的温度探测灵敏度和0.11°C的测量精度,同时实现高达0.96V/Dec的真空灵敏度和低至6.4×10⁻³Pa的分辨率。最后,本项目明确了影响流量传感器检测极限的关键因素,构建了预测最小可测流速的半经验模型,并提出基于加热温度调控来优化LoD的新方法,不同设计下最佳检测极限达0.145mm/s。同时,本项目提出一种结合热反馈与数字化功率分配的新型测试方法,研制出高分辨率(<1.44mm/s)及固有热补偿(±4%F.S.)的数字式微流量传感器,有效克服了温漂、信号噪声及灵敏度饱和等问题,为进一步提升CMOS-MEMS流量传感器系统性能提供了全新的解决方案。.通过本项目的实施,成功获得了适用于单片集成高性能流速传感器的设计理论与实现方法,发表国际主流SCI期刊论文11篇,EI国际会议论文3篇,申请中国专利4项(授权2项)。此外,高灵敏与超低检测极限的CMOS-MEMS流速传感器研制成果,为相关领域海量传感节点部署及极低流速精准监测需求提供了重要支持,具有显著的社会与经济效益。
面向呼吸监测的CMOS-MEMS单片集成多功能传感微系统研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:30.0万元
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批准年份:2024
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负责人:许威
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依托单位:
柔性薄膜上微悬桥技术及超高灵敏电化学阻抗型MEMS流量传感器研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2022
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负责人:许威
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依托单位:
高灵敏度微型热式流量传感器的单片集成化研究
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批准号:2020A1515010556
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2020
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负责人:许威
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依托单位:
国内基金
海外基金