MEMS红外光声气体传感系统的研究

论文题目: MEMS红外光声气体传感系统的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 纪新明

导师: 黄宜平

关键词: 微机械,红外光声传感器,光声腔,电容式硅基微传声器

文献来源: 复旦大学

发表年度: 2005

论文摘要: 采用微电子机械系统（MEMS）技术，研制具有选择性好、灵敏度高、响应迅速、制备工艺简单和价格低廉的智能化、MEMS化的红外气体微传感系统已经受到人们的广泛重视，成为当前研究的热点。本文设计了全MEMS化的红外光声气体传感系统。并系统地开展了红外气体光声传感系统中MEMS红外调制辐射源、一维光声腔设计和电容式硅基微传声器等三方面的研究，并采用电调制MEMS红外辐射源研制成功便携式非色散红外吸收气体传感器。主要的研究内容和成果如下：1．成功地研制了复合支撑薄膜（Si3N4／SiO2）的电调制MEMS红外辐射源。测试结果表明，MEMS红外辐射源可以产生相当于黑体300～8500K的红外辐射，实测辐射功率达到60mW，辐射效率可达16.6％，动态响应时间达到12.8ms。在研究复合支撑薄膜（Si3N4／SiO2）的电调制MEMS红外辐射源的基础上，提出了一种基于低应力SiNx支撑薄膜的单膜MEMS红外辐射源的新结构，MEMS红外辐射源的动态响应时间缩小到10ms之内。全面系统地研究了发热电极图形结构对红外辐射特性的影响。比较了四种不同电极图形MEMS红外辐射源的红外辐射特性，得到双螺旋结构的电极设计具有最优的发热效率。针对双螺旋电极的MEMS红外辐射源，探索了电极线宽与线距对辐射效率的影响。结果表明，对于所设计的三种不同电极线宽与三种不同电极间距的MEMS红外辐射源，在线宽与线距为1：1.5时，使辐射效率得到提高。研究了有效辐射面积的尺寸大小对MEMS红外辐射源辐射性能的影响。结果表明，对于所设计的MEMS红外辐射源，并非辐射源的面积越大，辐射特性越好。辐射面域为1.6×1.6mm2的MEMS红外辐射源比2.0×2.0mm2的辐射源具有更好的辐射特性和机械稳定性。在辐射源的功率密度同为195mW／mm2时，辐射面域为1.6×1.6mm2的MEMS红外辐射源的辐射效率可达到10.62％，而2.0×2.0mm2的辐射源的辐射效率仅为6.54％。提出了采用氧离子轰击辐射表面的方法实现对MEMS红外辐射源表面的糙化处理，大大提高辐射表面的红外发射率。测试结果表明，辐射源表面经糙化处理后，辐射面的温度分布更趋于均匀，红外辐射效率也有了大幅度的提高，在6V恒压驱动MEMS红外辐源时，表面糙化处理样品的红外辐射可达到2.86％，远大于Si3N4和SiO2钝化样品的2.61％和2.01％。2．系统的开展了MEMS红外光声气体传感器一维光声腔的理论研究，提出了一种新的一维纵向光声腔的LC振荡电路模型，该模型能够简单快速地计算光声腔的结构参数、品质因子和共振频率等特性，并能直观的模拟光声信号随气体浓度、温度，光声腔结构参数的变化趋势。根据模型计算结果，结合MEMS微机械加工技术，研究制作了一维纵向光声腔，为实现红外光声气体传感器的MEMS化打下重要基础。3．设计了一种新型的单片电容式硅基微传声器，该微传声器采用近乎无应力的单晶硅作为振膜材料，以成本低廉，工艺简单的聚酰亚胺作为背极板材料，掺杂后的单晶硅作导电电极材料，使结构的设计和制作的工艺更加简单。并利用有限元方法对其进行了建模，进行了静力、模态和谐响应以及Pull-In电压等分析，从理论上分析了器件的机械性能、灵敏度以及频响特性，得出了结构优化的设计原则。针对硅基微传声器的结构设计，设计了微传声器的工艺流程，完成其中关键性单项工艺的实验，得到了重要的工艺技术参数，为整体微传声器的工艺实现奠定了良好的基础。采用本文研制的电调制MEMS红外辐射源，设计并研究了一种新型的便携式非色散红外（NDIR）吸收气体传感器。该传感器主要有直接电调制的MEMS红外辐射源、窄带薄膜干涉滤光片和高灵敏度的TGS（硫酸三甘肽）热释电红外探测器等部件组成。该系统的建立，初步地实现了系统主体部件的MEMS化，降低了系统的成本和体积，提高了系统的探测灵敏度。通过对CO、CO2、NH3和SO2四种火灾现场燃烧生成气体在不同浓度状态下的测量，证明系统对所测气体可以达到了几十个ppm量级的探测极限，响应时间均小于20秒，具有较好的稳定性和重复性。同时，研制的电调制MEMS红外辐射源在NDIR气体传感器中的成功应用，也证明辐射源具有了一定的应用前景。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 红外光声气体传感器的探测原理

1.3 红外光声气体传感器的发展

1.4 研究内容

参考文献:

第二章 电调制MEMS红外辐射源的研究

2.1 前言

2.2 MEMS红外辐射源的相关理论基础

2.3 MEMS红外辐射源的设计

2.3.1 MEMS红外辐射源发热材料的选择

2.3.2 MEMS红外辐射源的结构设计

2.3.3 MEMS红外辐射源的性能模拟

2.4 MEMS红外辐射源的工艺实现

2.5 电调制MEMS红外辐射源的性能表征

2.5.1 辐射特性测试

2.5.2 动态特性测试

2.6 MEMS辐射源的电极图形和辐射面积对辐射性能的影响

2.7 表面辐射性能的研究

2.8 单膜MEMS红外辐射单元的研制

2.9 本章结论

参考文献:

第三章 MEMS红外光声气体传感器的一维光声腔研究

3.1 前言

3.2 一维光声(PHOTOACOUSTICS,PA)腔理论基础

3.2.1.光声腔的分类

3.2.2 理论基础

3.2.3.PA系统的表征参数

3.3 一种新的一维纵向光声腔模型的建立以及模拟结果

3.3.1 模拟的理论模型

3.3.2 模拟结果与分析

3.4 MEMS光声腔的制作

3.5 本章小结

参考文献:

第四章 用于MEMS红外光声气体传感器的单片电容式硅基微传声器的研究

4.1 前言

4.2 电容式硅基微传声器

4.2.1 灵敏度

4.2.2 频率响应

4.2.3 共振频率

4.2.4 吸附电压

4.3 硅基MEMS微传声器有限元模型的建立和模拟

4.3.1 有限元模型

4.3.2 振动膜片的静态分析

4.3.3 模态和频响分析

4.3.4 Pull-in效应分析

4.3.5 小结

4.4 单片电容式硅基微传声器的设计

4.4.1 结构设计

4.4.2 版图设计

4.4.3 灵敏度的理论计算

4.5 工艺实验研究

4.5.1 工艺流程设计

4.5.2 单项工艺实验研究

4.6 本章小结

参考文献:

第五章 基于MEMS红外辐射源的便携式红外吸收气体传感器研究

5.1 红外吸收及NDIR的工作原理

5.1.1 红外气体吸收的理论

5.1.2 NDIR气体传感器的工作机理

5.2 应用电调制MEMS红外辐射源的新型NDIR气体传感器

5.2.1 系统组成

5.2.2 实验与结果分析

5.3 本章小结

参考文献

第六章 结论

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致谢

发布时间: 2007-06-28

参考文献

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