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MEMS电化学角加速度传感器研究

批准号:
62071454
项目类别:
面上项目
资助金额:
56.0 万元
负责人:
陈德勇
学科分类:
敏感电子学与传感器
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈德勇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
近场强地震转动分量引起的扭转应力对建筑结构的破坏性更强,因此在强地震观测中角加速度的检测尤为重要。受到传统制造技术和敏感机理的限制,现有角加速度传感器的响应频带、动态范围、一致性等受到了制约,影响了其在强震观测中的应用。为此,本项目提出一种基于电化学敏感机理的新型角加速度传感器,利用MEMS技术设计制造平面超微电极和磁流体电极,实现电化学敏感电极参数的优化调整。项目拟通过建立与分析新型超微电极角加速度传感器敏感机理和噪声的数学模型,研究影响其灵敏度、动态范围、频带宽度、噪声水平、线性度等指标的重要影响参数;进一步探索并剖析敏感电极尺寸、微流道结构与传感器频率响应之间的内在联系和规律;并通过理论分析与实验验证,研究传感器基于磁流体动力学的力平衡负反馈的频带拓展方法。以期研制出超低频、高灵敏度的角加速度传感器,促进其在强地震转动分量测量中的应用。
英文摘要
Since buildings and other structures are generally vulnerable to torsional stresses resulting from rotational components of near-zone strong earthquakes, measurements of rotational motions (angular accelerations)are extremely valuable in earthquake monitoring. Due to limitations of conventional fabrication processes and sensing mechanisms, it is full of challenges to improve performances of the state-of-the-art angular acceleration sensors from the perspective of frequency response, dynamic range, conformity and robustness. In order to deal with this issue, a novel angular acceleration sensor based on electrochemical sensing mechanism is proposed in this project. MEMS technologies will be introduced for the design and fabrication of planar ultra-microelectrodes and magneto- hydrodynamic feedback electrodes, contributing to parameter optimization and performance improvement. Based on the development and analysis of corresponding sensing and noise mathematical models of the novel angular acceleration sensor with ultra-microelectrodes, the project is aimed to 1) study the influences of key parameters on device sensitivity, dynamic range, frequency bandwidth, noise level and linearity, and 2) explore and analyze the relationship among sizes of sensitive electrodes, structures of flow channels and device frequency responses. Through theoretical analysis and experimental validation, frequency band expansion methods based on force-balanced negative feedback of magnetohydrodynamics will be studied. It is expected to develop ultra low frequency, high sensitivity angular acceleration sensors and promote their applications in the measurement of rotational components of strong earthquakes.
本项目围绕“MEMS电化学角加速度传感器”这一关键科学问题,系统深入地研究了新型角加速度传感器敏感机理数学模型、噪声模型以及磁流体反馈力学模型,研究影响其灵敏度、动态范围、频带宽度、噪声水平、线性度等指标的重要参数,进一步探索并剖析敏感电极尺寸结构、频域响应之间的内在联系和规律;并通过建模、仿真分析与实验验证,研究低频转动量激励下传感器大动态范围、高灵敏度的信息处理方法。取得的主要学术成果如下:.1)成果一:本项目开展基于MEMS 技术的电化学角加速度传感器的理论模型和仿真模型的研究设计,提出微米尺度下电化学角加速度传感器的敏感机理和调控模型,为低频、高灵敏度和宽动态范围的电化学角加速度传感器提供理论依据和指导,国内外未见报道。.2)成果二:本项目提出了多种MEMS 一体化敏感电极加工和封装方法,充分利用MEMS 技术带来的敏感单元加工一致性好、成本低等综合优势,形成体积小、重量轻、功耗低和器件一致性好的角加速度传感器,国内外未见报道。.3)成果三:本项目采用进行频带拓展,突破角加速度的低频检测极限,并通过磁流体激励实现角加速度传感器低频及超低频段的性能测试与校准。研制的MEMS 电化学角加速度传感器具有高灵敏度、宽频率响应范围、宽动态测试范围、低噪声和低成本等优点,角加速度传感器灵敏度可达数百甚至上千,远超20V/(rad/s2)的预期目标,通频带低频截止频率达到0.0083Hz,远低于0.01Hz的水平,国内外未见相关报道。.项目实施过程中,在IEEE Sensors Journal、Microsystems & Nanoengineering、 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement等传感领域TOP区期刊和 Transducers、MEMS、NEMS等国际顶级会议发表SCI/EI 检索论文20篇;申请中国发明专利12项,其中5项已经获得授权;培养博士生10人,其中4人已经毕业;培养硕士生6人,其中5人已经毕业,研究生获得中国微米纳米技术学会优秀博士毕业论文、空天院优秀毕业生、企业冠名奖学金等奖项。
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