發(fā)布時間：2022-12-11 00:23

　　濕度傳感器作為常見的傳感器之一,廣泛應用于氣象學、工業(yè)過程控制、農業(yè)種植和食物倉儲等領域。隨著物聯網的發(fā)展,新興的濕度傳感器應用領域比如智能家居與健康醫(yī)療等,除了對濕度傳感器的濕度響應性能有要求外,還對濕度傳感器提出了智能化、集成化、微型化以及低成本化的需求。目前,實現濕度傳感器微型化及低成本化最有效的途徑是利用MEMS技術來制備MEMS濕度傳感器,而MEMS濕度傳感器中的壓電諧振式濕度傳感器相比于其他類型的MEMS濕度傳感器,具有靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強、測試量程大及測試信號準數字型輸出等優(yōu)勢,更適合應用到物聯網中。針對目前在研的MEMS壓電諧振式濕度傳感器存在綜合濕度響應性能有待提高、濕敏材料在器件表面涂覆工藝重復性差、濕度響應分析缺少理論與實驗驗證、以及器件難以進一步集成與微型化的問題,本文以能與CMOS工藝相兼容的AlN薄膜作為壓電材料,結合表面重摻雜的Si組成AlN/Si層狀結構,來制備具有良好化學與熱穩(wěn)定性的壓電諧振器,同時以親水性能好、吸水脫水速度快的氧化石墨烯（GO）碳納米薄膜作為濕敏材料,圍繞覆膜壓電諧振器的綜合濕度響應性能、GO膜在壓電諧振器表面的涂覆工藝、覆... 

【文章頁數】：147 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 MEMS濕度傳感器
        1.2.1 濕度及MEMS濕度傳感器概述
        1.2.2 MEMS濕度傳感器的分類
        1.2.3 濕敏材料
    1.3 壓電諧振器
        1.3.1 壓電效應及壓電材料
        1.3.2 壓電諧振器的概述與發(fā)展
        1.3.3 壓電諧振器的理論基礎
        1.3.4 壓電諧振式傳感器的性能參數
        1.3.5 壓電諧振式濕度傳感器的研究進展
        1.3.6 壓電諧振式濕度傳感器所面臨的問題
    1.4 氧化石墨烯濕敏材料
        1.4.1 氧化石墨烯的概述
        1.4.2 氧化石墨烯層間的水分子傳輸機制
    1.5 論文的研究內容與框架
    1.6 本章小結
第2章 壓電諧振器與氧化石墨烯的加工制備及濕度測試平臺的搭建
    2.1 引言
    2.2 MEMS壓電諧振器加工
        2.2.1 壓電諧振器材料與結構的選擇
        2.2.2 壓電諧振器的加工工藝
    2.3 氧化石墨烯的制備和表征
        2.3.1 氧化石墨烯溶液的制備
        2.3.2 氧化石墨烯材料的表征
    2.4 濕度測試平臺的搭建
    2.5 本章小結
第3章 聲表面波諧振式濕度傳感器及氧化石墨烯薄膜的涂覆工藝
    3.1 引言
    3.2 聲表面波諧振器的設計
        3.2.1 反射柵的設計
        3.2.2 單端SAW諧振器的設計
        3.2.3 雙端SAW諧振器的設計
    3.3 聲表面波諧振器結合氧化石墨烯薄膜在濕度檢測中的性能探究
        3.3.1 SAW諧振器結構參數的選擇
        3.3.2 SAW諧振器的加工及氧化石墨烯薄膜的涂覆
        3.3.3 靜態(tài)濕度影響測試
        3.3.4 動態(tài)濕度響應測試
        3.3.5 濕度選擇性測試
        3.3.6 溫度穩(wěn)定性測試
    3.4 表面張力法制備均勻且厚度可控的氧化石墨烯薄膜
        3.4.1 實現氧化石墨烯膜均勻且厚度可控的意義及方法分析
        3.4.2 表面張力法制備氧化石墨烯薄膜及薄膜轉移的具體操作步驟
        3.4.3 氧化石墨烯薄膜的厚度標定和表征
        3.4.4 SAW濕度傳感器的結構參數選取及器件標定
        3.4.5 靜態(tài)濕度響應測試
        3.4.6 動態(tài)濕度響應測試
    3.5 真空抽濾法制備大批量的均勻氧化石墨烯薄膜
        3.5.1 真空抽濾法的介紹
        3.5.2 濾膜的選擇及抽濾的過程
        3.5.3 氧化石墨烯薄膜的剝離及厚度標定
        3.5.4 SAW諧振器的結構參數及電學測試參數
        3.5.5 靜態(tài)濕度響應測試
        3.5.6 動態(tài)濕度響應測試
    3.6 本章小結
第4章 聲表面波諧振式濕度傳感器的響應特性
    4.1 引言
    4.2 聲表面波傳感器響應特性的理論分析
        4.2.1 聲波傳播過程中的擾動
        4.2.2 SAW諧振式傳感器的響應特性
    4.3 環(huán)境濕度變化對氧化石墨烯薄膜電學特性的影響
        4.3.1 叉指電極結構的設計與加工
        4.3.2 交流復阻抗分析法
        4.3.3 氧化石墨烯薄膜在不同濕度下的復阻抗特性及濕敏特性分析
        4.3.4 測試信號頻率大小對氧化石墨烯薄膜復阻抗特性的影響
    4.4 環(huán)境濕度變化對氧化石墨烯薄膜粘彈性的影響
        4.4.1 利用QCM測試薄膜粘彈性的介紹
        4.4.2 QCM覆膜前后的Mason模型
        4.4.3 不同濕度下覆膜QCM器件電特性的測試及氧化石墨烯薄膜剪切模量與厚度的提取
    4.5 聲表面波諧振式濕度傳感器具體的響應特性
    4.6 本章小結
第5章 諧振式微壓電懸臂梁濕度傳感器的研究
    5.1 引言
    5.2 諧振式微壓電懸臂梁濕度傳感器的性能探究
        5.2.1 微壓電懸臂梁濕度傳感器的設計與加工
        5.2.2 微壓電懸臂梁濕度傳感器的響應特性分析
        5.2.3 微壓電懸臂梁濕度傳感器的濕度響應測試
    5.3 減小等效法質量法提高微壓電懸臂梁濕度傳感器的相對靈敏度
        5.3.1 器件的設計與分析
        5.3.2 器件的濕度響應測試
    5.4 高階模態(tài)法提高微壓電懸臂梁濕度傳感器的絕對靈敏度
        5.4.1 器件的設計與分析
        5.4.2 器件的濕度響應測試
    5.5 本章小結
第6章 諧振式微壓電懸臂梁濕度傳感器在人體呼吸監(jiān)測中的應用
    6.1 引言
    6.2 人體呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的設計
    6.3 諧振式微壓電懸臂梁濕度傳感器的激勵與檢測
        6.3.1 閉環(huán)自激振蕩電路
        6.3.2 濕度傳感器的閉環(huán)測試
        6.3.3 自激振蕩電路的穩(wěn)定性
    6.4 人體呼吸的模擬監(jiān)測
        6.4.1 呼吸頻率的跟蹤測試
        6.4.2 不同呼吸模式的跟蹤模擬
    6.5 本章小結
第7章 總結與展望
    7.1 論文總結
    7.2 論文創(chuàng)新點
    7.3 論文展望
參考文獻
作者簡介及攻讀博士學位期間的成果
    作者簡介
    發(fā)表的學術論文
    國家專利
    獎勵及榮譽


【參考文獻】：
期刊論文
[1]物聯網時代:傳感器將迎來黃金十年[J]. 楊忠敏.  中國公共安全. 2014(06)
[2]物聯網時代傳感器低成本化發(fā)展的思考[J]. 張永戰(zhàn),賀立龍,朱亮.  物聯網技術. 2012(12)



本文編號：3717793