基于谐振的MEMS温度传感器设计.pdf

简介：
本文介绍了基于谐振原理的微机电系统(MEMS)温度传感器的设计与实现，探讨了其工作机理及应用前景。 谐振式微机电系统（MEMS）温度传感器通过利用微型机械振动频率随温度变化的原理来测量温度。相比传统温度传感器，这种MEMS传感器具有体积小、响应速度快、能耗低以及集成度高等优点，特别适合需要微型化和高集成的应用场合。 本段落将重点介绍谐振式MEMS温度传感器的设计理念、工作原理及结构设计，并探讨相关研究进展。其设计理念在于通过频率输出实现气象温度测量。具体而言，利用微悬臂梁两端材料的热膨胀系数差异导致悬臂梁振动频率变化，从而检测到温度的变化。使用压电激励与检测方法来驱动和监测悬臂梁的谐振频率，以此测定温度。 在结构设计方面，MEMS传感器基于硅制造工艺进行设计，涉及多个关键因素如微悬臂梁尺寸、所选压电材料以及封装问题等。通过有限元分析揭示了不同模型中温度的影响，结果显示第二谐振模式拥有最高的Q因子（约为150），这表明它具有较高的稳定性和可靠性。 研究还发现，在更高阶的共振模式下，特别是第二共振模式使用ZnO作为压电材料时，传感器表现出更高的灵敏度和更好的频率-温度系数。例如，所设计的传感器能够提供约20 Hz/℃的灵敏度以及1.9 × 10^-4 ℃^−1 的温度-频率系数，这表明其能满足气象测量的需求。 除了以上特性外，MEMS温度传感器还具有电稳定性好、信号传输接口简单等优点。这些特点使得它在实际应用中具备强大的竞争力和广泛的应用前景。例如，在工业控制、生物医疗等领域都有广阔的发展空间。随着微纳米加工技术的进步，未来该类型传感器的性能将得到进一步提升。 关键词包括：温度传感器；MEMS（微机电系统）；频率测量；谐振悬臂等。这些词汇描述了此类传感器的关键技术和研究领域。通常情况下，这种类型的传感器可以覆盖从-50℃到120℃之间的宽广温度范围，在大多数实际应用中都能发挥作用。