硅基聚合物微光机械振动传感器的研究

论文摘要

本论文首次提出、设计并研制出了一种硅基聚合物微光机械传感结构的振动/加速度传感器,论述了新型传感结构的优点及先进性。从理论上对传感器微光机械悬臂梁的力学特性,受迫振动状态下的频率响应特性、动态范围、灵敏度及线性度等参数进行了深入的分析。首次设计出了动态输入1×2多模波导干涉型机-光信号转换结构,将振动状态下微米尺度的位移变化转换为输出光强差动信号的明显变化。理论模拟证明,器件机-光信号转换呈现非常理想的线性关系。研制出了硅基聚合物微光机械振动/加速度传感器实验室原型器件,提供了完善的器件制备工艺。测试结果表明,被测量与输出量之间具有良好的线性关系,器件量程及最大应力明显高于设计指标。首次提出了直接测量各向异性单模波导光学参数的新的表征方法;为满足器件理论研究和优化设计的需要、配合新表征方法的数据处理,编制出三种相应的数据处理实用软件。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 传感器技术的发展过程
• 1.2 传感器的分类
• 1.2.1 按被测参量分类
• 1.2.2 按传感器的工作机理分类
• 1.2.3 按照能量转换分类
• 1.2.4 按传感器使用材料分类
• 1.2.5 按传感器输出信号分类
• 1.3 传感器技术发展趋势
• 1.3.1 新材料开发
• 1.3.2 集成化技术
• 1.3.3 多功能集成传感器
• 1.3.4 智能化传感器
• 1.4 传感器技术在现代科学方面的主要应用
• 1.4.1 在非电量测量方面的应用
• 1.4.2 在工业生产及自动化方面的应用
• 1.4.3 在基础学科研究方面的应用
• 1.4.4 在军事方面的应用
• 1.5 先进的传感器技术
• 1.5.1 固态传感器技术
• 1.5.2 导波光学传感技术
• 1.5.3 先进传感器的应用前景
• 1.6 微型振动传感器
• 1.6.1 光纤悬臂梁式振动传感器
• 1.6.2 压阻式硅微型加速度传感器
• 1.6.3 基于MEMS技术的微电容式加速度传感器
• 2微光机械振动/加速度传感器'>1.6.4 SiO₂微光机械振动/加速度传感器
• 1.7 本论文的主要工作和创新点
• 第2章 聚合物微光机械振动传感器结构及工作原理
• 2.1 传感器结构
• 2.2 传感器工作原理
• 2.2.1 振动/加速度量——位移量的转换
• 2.2.2 位移量——光功率差的转换
• 2.2.3 光功率差——电信号的转换
• 2.3 传感器结构及工艺改进
• 2.3.1 材料的改进
• 2.3.2 关键工艺的改进
• 2.3.3 MMI结构的优化
• 2.4 传感器的优点及先进性
• 第3章 微机械振动悬臂梁力学特性分析及结构设计
• 3.1 悬臂梁的静态特性
• 3.1.1 悬臂梁的弯矩方程
• 3.1.2 横截面上的应力及其分布规律
• 3.1.3 最大应力计算公式
• 3.1.4 截面的轴惯性矩和抗弯截面模量
• 3.1.5 梁的弯曲强度
• 3.1.6 梁的弯曲变形
• 3.2 悬臂梁的动态特性
• 3.2.1 基本方程
• 3.2.2 频率特性
• 3.3 悬臂梁结构设计
• 3.3.1 设计参数表达式
• 3.3.2 力学参数设计
• 3.3.3 参数选取规则
• 3.3.4 导出参数
• 3.3.5 强度校核
• 3.4 小结
• 第4章 波导集成光路模式特性分析及结构设计
• 4.1 马卡提里近似解析法
• 4.1.1 近似假设条件
• mn^x模式分析'>4.1.2 E_mn^x模式分析
• mn^y模式分析'>4.1.3 E_mn^y模式分析
• 4.2 有效折射率法
• mn^x模式分析'>4.2.1 E_mn^x模式分析
• mn^y模式分析'>4.2.2 E_mn^y模式分析
• 4.3 掩埋矩形波导的模式特性分析
• 4.4 集成光路输入输出波导结构设计
• 4.4.1 波导材料折射率的确定
• 4.4.2 输入输出波导截面结构尺寸的确定
• 4.5 小结
• 第5章 动态输入多模干涉器自镜像特性分析及结构设计
• 5.1 多模干涉耦合器的原理
• 5.1.1 导模传输分析法
• 5.1.2 输入光场分布函数
• 5.1.3 多模波导的自镜像效应
• 5.1.4 输出光场分布函数
• 5.2 动态输入1×2 多模干涉耦合器结构设计
• 5.3 理论模拟
• 5.4 小结
• 第6章 器件制备与测试
• 6.1 结构参数及设计指标
• 6.1.1 悬臂梁结构参数
• 6.1.2 光波导结构参数
• 6.2 制备工艺
• 6.2.1 材料选择
• 6.2.2 工艺流程
• 6.2.3 器件照片
• 6.2.4 关键工艺
• 6.3 器件测量
• 6.3.1 矩形波导端面结构观测
• 6.3.2 端面输出光斑测量
• 6.3.3 输出光功率测量
• 6.3.4 悬臂梁挠度检测
• 6.4 小结
• 第7章 各向异性单模波导参数的表征方法
• 7.1 各向异性平板波导模式本征方程
• 7.2 波导模型及参数
• 7.3 测量系统及数据处理过程
• 7.4 测量结果与讨论
• 7.4.1 电光聚合物单模波导的测量
• 7.4.2 聚合物PMMA波导的测量
• 7.5 小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 附录:攻读博士学位期间发表的论文及专利
• 摘要
• Abstract
• 致谢