低温度系数光纤MEMS压力传感器的设计与制造

论文摘要

传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志,它与通信技术、计算机技术构成现代信息产业的三大支柱。在各种传感器中,压力传感器是应用最为广泛的一种。考虑到目前使用的硅压力传感器主要是扩散硅压力传感器,虽然其在目前技术已经比较成熟,但在强电磁干扰、易燃易爆等场所并不能使用。我们设计制造的光纤MEMS压力传感器集光纤传感器传输频带宽、动态测量范围大、易于组成分布式测量网的优点及MEMS传感器体积小、功能强、灵敏度高和易于批量生产的优点于一身,有望填补传统传感器在强电磁干扰、易燃易爆场合不能使用的空缺,在石油化工和航天航空等领域有着广泛的应用前景。研究了光纤MEMS压力传感器基于法布里—珀罗腔干涉的基本传感机理,建立了光纤MEMS压力传感器的基本光学及力学模型,着重考虑并分析了光纤MEMS压力传感器的温度效应,提出了低温度系数光纤MEMS压力传感器的设计并成功制造出传感器若干。实验证明,新的结构使得光纤MEMS压力传感器受温度的影响大幅减小,具有了更好的重复性,同时还继承了原有传感器的高精度和高灵敏度。研究了传感器的制作过程中所涉及的MEMS加工工艺的基本原理,包括光刻、反应离子刻蚀(RIE)和阳极键合技术等关键技术,研究了传感器加工工艺,确定了工艺流程,详细介绍了传感器加工步骤。研究MEMS压力传感器的封装结构及其封装方法,采用标准化的结构来封装研制的传感器元件,最后加工出传感器样品。建立了传感器解调实验系统。对传感器的基本性能进行了理论分析,重点测试了样品的重复性、迟滞、线性度、灵敏度和温度漂移等静态性能。实验结果表明制作出来的传感器性能良好,较以前的传感器在重复性及温度漂移方面有大幅提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.1 光纤MEMS压力传感器简述
• 1.2 光纤MEMS压力传感器国内外现状
• 1.3 本论文所进行的工作
• 第二章 法布里-珀罗光纤MEMS压力传感器原理与信号处理
• 2.1 光纤MEMS压力传感器静力学原理
• 2.2 法布里-珀罗型光纤MEMS压力传感器光学原理
• 2.3 信号处理-傅立叶变换解调方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 低温度系数光纤MEMS压力传感器设计
• 3.1 传感器温度效应原理
• 3.2 光纤MEMS压力传感器温度系数分析
• 3.3 零温度系数光纤MEMS压力传感器理论分析
• 3.4 光纤MEMS压力传感器的设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 法布里-珀罗型光纤MEMS压力传感器加工制作
• 4.1 使用的材料特性
• 4.2 微细加工技术
• 4.3 压力传感器感压芯片加工步骤及传感器的装配
• 4.4 传感器加工使用的主要设备
• 4.5 本章小结
• 第五章 传感器性能测试
• 5.1 压力传感器静态特性
• 5.2 压力传感器测试系统
• 5.3 压力传感器主要性能参数计算
• 5.4 压力传感器温度漂移实验
• 5.5 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 附件
• 读研期间的科研成果
• 致谢