MEMS紅外光聲氣體傳感系統(tǒng)的研究.pdf

1、采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，研制具有選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)迅速、制備工藝簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉的智能化、MEMS化的紅外氣體微傳感系統(tǒng)已經(jīng)受到人們的廣泛重視，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。 本文設(shè)計(jì)了全MEMS化的紅外光聲氣體傳感系統(tǒng)。并系統(tǒng)地開展了紅外氣體光聲傳感系統(tǒng)中MEMS紅外調(diào)制輻射源、一維光聲腔設(shè)計(jì)和電容式硅基微傳聲器等三方面的研究，并采用電調(diào)制MEMS紅外輻射源研制成功便攜式非色散紅外吸收氣體傳感器。主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下

2、： 1．成功地研制了復(fù)合支撐薄膜(Si3N4／Si02)的電調(diào)制MEMS紅外輻射源。測(cè)試結(jié)果表明，MEMS紅外輻射源可以產(chǎn)生相當(dāng)于黑體300～850"K的紅外輻射，實(shí)測(cè)輻射功率達(dá)到60mW，輻射效率可達(dá)16．6％，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間達(dá)到12．8ms。 在研究復(fù)合支撐薄膜(Si3N4／Si02)的電調(diào)制MEMS紅外輻射源的基礎(chǔ)上，提出了一種基于低應(yīng)力S州x支撐薄膜的單膜MEM$紅外輻射源的新結(jié)構(gòu)，MEMS紅外輻射源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

3、縮小到10ms之內(nèi)。 全面系統(tǒng)地研究了發(fā)熱電極圖形結(jié)構(gòu)對(duì)紅外輻射特性的影響。比較了四種不同電極圖形MEMS紅外輻射源的紅外輻射特性，得到雙螺旋結(jié)構(gòu)的電極設(shè)計(jì)具有最優(yōu)的發(fā)熱效率。針對(duì)雙螺旋電極的MEMS紅外輻射源，探索了電極線寬與線距對(duì)輻射效率的影響。結(jié)果表明，對(duì)于所設(shè)計(jì)的三種不同電極線寬與三種不同電極間距的MEMS紅外輻射源，在線寬與線距為1：1．5時(shí)，使輻射效率得到提高。 研究了有效輻射面積的尺寸大小對(duì)MEMS紅外輻射

4、源輻射性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)于所設(shè)計(jì)的MEMS紅外輻射源，并非輻射源的面積越大，輻射特性越好。輻射面域?yàn)?．6×1．6mm2的MEMS紅外輻射源比2．0×2．0mm2的輻射源具有更好的輻射特性和機(jī)械穩(wěn)定性。在輻射源的功率密度同為195mW／mm2時(shí)，輻射面域?yàn)?．6×1．6mm2的MEMS紅外輻射源的輻射效率可達(dá)到10．62％，而2．0x2．0mm2的輻射源的輻射效率僅為6．54％。 提出了采用氧離子轟擊輻射表面的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)M

5、EMS紅外輻射源表面的糙化處理，大大提高輻射表面的紅外發(fā)射率。測(cè)試結(jié)果表明，輻射源表面經(jīng)糙化處理后，輻射面的溫度分布更趨于均勻，紅外輻射效率也有了大幅度的提高，在6V恒壓驅(qū)動(dòng)MEMS紅外輻源時(shí)，表面糙化處理樣品的紅外輻射可達(dá)到2．86％，遠(yuǎn)大于Si3N4和Si02鈍化樣品的2．61％和2．01％。 2．系統(tǒng)的開展了MEMS紅外光聲氣體傳感器一維光聲腔的理論研究，提出了一種新的一維縱向光聲腔的LC振蕩電路模型，該模型能夠簡(jiǎn)單快速地

6、計(jì)算光聲腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)、品質(zhì)因子和共振頻率等特性，并能直觀的模擬光聲信號(hào)隨氣體濃度、溫度，光聲腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化趨勢(shì)。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合MEMS微機(jī)械加工技術(shù)，研究制作了一維縱向光聲腔，為實(shí)現(xiàn)紅外光聲氣體傳感器的MEMS化打下重要基礎(chǔ)。 3．設(shè)計(jì)了一種新型的單片電容式硅基微傳聲器，該微傳聲器采用近乎無應(yīng)力的單晶硅作為振膜材料，以成本低廉，工藝簡(jiǎn)單的聚酰亞胺作為背極板材料，摻雜后的單晶硅作導(dǎo)電電極材料，使結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作的工藝更加

7、簡(jiǎn)單。并利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行了建模，進(jìn)行了靜力、模態(tài)和諧響應(yīng)以及Pull-In電壓等分析，從理論上分析了器件的機(jī)械性能、靈敏度以及頻響特性，得出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)原則。針對(duì)硅基微傳聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了微傳聲器的工藝流程，完成其中關(guān)鍵性單項(xiàng)工藝的實(shí)驗(yàn)，得到了重要的工藝技術(shù)參數(shù)，為整體微傳聲器的工藝實(shí)現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。 采用本文研制的電調(diào)制MEMS紅外輻射源，設(shè)計(jì)并研究了一種新型的便攜式非色散紅外(NDIR)吸收氣體傳感器。該傳

8、感器主要有直接電調(diào)制的MEMS紅外輻射源、窄帶薄膜干涉濾光片和高靈敏度的TGS(硫酸三甘肽)熱釋電紅外探測(cè)器等部件組成。該系統(tǒng)的建立，初步地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)主體部件的MEMS化，降低了系統(tǒng)的成本和體積，提高了系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。通過對(duì)CO、C02、NH3和S02四種火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)燃燒生成氣體在不同濃度狀態(tài)下的測(cè)量，證明系統(tǒng)對(duì)所測(cè)氣體可以達(dá)到了幾十個(gè)ppm量級(jí)的探測(cè)極限，響應(yīng)時(shí)間均小于20秒，具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。同時(shí)，研制的電調(diào)制MEMS紅外輻射