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嵌入可动电极的微惯性传感器的设计

MEMS电容式微惯性传感器因其具有尺寸小、灵敏度高、稳定性好、温度漂移小、功耗低、很好的工作在力平衡模式下等等优点，在军事、汽车工业、生物***、消费电子、惯性导航等领域得到广泛的应用。 本首先分析了电容式微惯性传感器的测量控制原理和系统动态模型，并在此基础上通过三个方面设计出新型嵌入横向可动电极的微惯性传感器，分别是：支撑梁结构、微执行器结构和检测电容结构。可以结合实时传感器数据，预测水处理设备的潜在故障，诊断运行不合理的应用，通过人工智能算法实现自动的预测结果，进而实现信息的互联互通、问题的提前预判、数据的自我演进和操控的***管理。通过分别对以上三方面不同结构模型的分析对比，在传感器设计中选用U形梁结构作为传感器的支撑梁，电磁执行器作为驱动力，梳栅结构作为检测电容结构。

其中为了克服深反应离子刻蚀关于深宽比不能做大的限制和降低噪声，详细介绍了电磁驱动增大传感器初始检测电容的工作原理，通过嵌入可动电极和电磁驱动作用减小电容间隙，结果表明，电磁驱动使得传感器的电容间隙减小4μm，初始检测电容由1.28pf增大到6.4pf。 根据以上理论分析和参数设计，给出了新型电容式微惯性传感器的整体结构模型，并利用有限元软件Ansys进行。结果表明所设计的传感器在非敏感方向上梁的刚度较大，轴向交叉效应得到了有效***；传感器的静态位移灵敏度为0.659μm/g，施加电磁驱动前后的电容灵敏度分别为0.15pf/g和0.192pf/g，增大为原来的1.28倍；同时应力分析结果表明，传感器能够抵挡1000g的加速度信号的冲击而不被损坏。当该传感器的检测概率较低时,极易造成整个多传感器系统发生漏检。之后利用电磁分析软件ANSOFT-Maxwell分析了边缘效应对传感器性能的影响，表明小尺寸的传感器电容的边缘效应不可忽略。

密度多传感器多目标跟踪算法研究

同时,随着信息处理技术和传感器技术的发展,人们开始尝试使用多个传感器来估计目标的运动状态,试图利用更多的量测信息来降低环境对目标跟踪造成的影响。如何将多个传感器的量测数据进行有机融合,得到比单个传感器更优越的跟踪性能,是多传感器多目标跟踪领域的难点和热点。由于贴合TMR器件与超导磁放大器的低温胶过厚导致TMR—超导磁放大器间距过大(50μm)，使得TMR/超导复合式磁传感器的灵敏度、探测精度较GMR/超导复合式磁传感器、SQUID等器件仍有明显差距。近年来,基于随机有限集理论的多传感器多目标跟踪方法开始受到研究学者的关注。

这类方法采用串行系统结构,并把多目标状态集合和传感器量测集合分别建模为随机有限集集合,从而将多传感多目标状态估计问题转化为多个单传感器贝叶斯滤波问题,有效避免了多传感器融合中的量测数据关联以及传统多目标跟踪方法中的目标与量测之间的关联,是一种解决复杂环境下多目标跟踪的新途径。本基于随机有限集理论以及概率假设密度(PHD)滤波,对多传感器多目标跟踪方法展开了深入的研究,取得的主要成果如下:1.关于检测概率引起的传感器更新顺序问题。这其中，为熟知的探测精度达到fT量级的弱磁传感器当属基于超导约瑟夫森效应的超导量子干涉器件。在迭代形式的多传感器PHD(Iterated corrector PHD,IC-PHD)滤波中,跟踪结果的好坏主要取决于后一个更新传感器的检测概率。当该传感器的检测概率较低时,极易造成整个多传感器系统发生漏检。

3GMR/超导复合式磁传感器

磁电阻效应是对于一些磁性材料，当施加外磁场时，材料的电阻会发生变化的效应。这种磁电阻效应次由William Thomson 于1857 年在铁样品中发现。这一发现的材料磁阻变化率很小，只有1%，此效应即被称为各向异性磁电阻(AMR)效应。

1988 年，Grunberg 和Baibich 等人通过分子束外延的方法制备了Fe/Cr 多层膜，并在其中发现了磁阻变化率达到50%以上。这种巨大的磁电阻变化效应被称为巨磁电阻(GMR)效应。GMR效应来源于载流电子在不同的自旋状态下与磁场的作用不同导致的电阻变化。GMR由铁磁—非磁性金属—铁磁多层膜交叠组成。理论计算表明，减小TMR—超导磁放大器间距将使得磁场放大倍数呈指数形式上升。两层铁磁层的矫顽力不同。当铁磁层的磁矩互相平行时，载流子与自旋有关的散射，材料具有的电阻。而当铁磁层的磁矩为反平行时，载流子与自旋相关的散射强，材料的电阻。对于GMR效应可以由Mott 提出的双电流模型解释。在非磁性层中，不同自旋的电子能带相同，但是在铁磁金属中，不同自旋的能带发生劈裂，导致在费米能级处，自旋向上和向下的电子态密度不同。

在双电流模型中，假设自旋向上和向下的电子沿层面流动对应两个互相***的导电通道，其中自旋向上的电子，其平均自由程远大于自旋向下的电子。在铁磁层磁矩反平行排列下，自旋向上和自旋向下的电子散射概率相同；而在平行排列下，自旋向上的电子散射要远小于自旋向下的电子，从而造成平行和反平行排列下电阻的差别。随着集成技术的发展，人们又将这部分电路及电源等电路也一起装在传感器内部。

一种新型的高灵敏度磁探测器

磁电阻/超导复合式磁传感器作为一种新型的高灵敏度磁探测器， 其探测精度目前已接近SQUID器件并已达到fT 量级。同时这类传感器又具有体积小、结构简单、工艺成熟、便于大规模生产等优势，使其在未来发展潜力巨大。综合考虑影响Ⅰ、Ⅱ型传感器传感特性的各种因素及相关参数,提出了三个具有较高计算精度且适合硬件实现的测量理论模型。就该复合式磁传感器而言，进一步提升器件的探测精度是其未来研究发展的主要方向。

一方面，继续减小超导磁场放大器的狭窄区域宽度至1 μm以下，同时增大磁场放大器的有效面积都可以将磁场放大倍数继续提升至几千甚至上万倍，但是同时会对传感器的工作区间以及小型化造成影响。除温度传感器之外，Maxim也提供风扇控制器和温度监控器IC。另一方面，使用灵敏度更高的磁电阻传感器件(TMR、巨磁阻抗器件(GMI)等[35])，将有望使得该复合式传感器的磁场探测精度达到1fT，甚至0.1 fT 的量级。