【摘要】：諧振式傳感器是以內(nèi)部諧振子頻率信號作為輸出的傳感器,待測參數(shù)使諧振子等效質(zhì)量、剛度系數(shù)或阻尼系數(shù)產(chǎn)生變化,通過諧振子的諧振頻率特性變化表現(xiàn)出來。頻率信號采集過程相對簡單,抗噪聲能力強,易被調(diào)理為標準數(shù)字信號,方便智能芯片處理與遠距離傳送。高分辨力諧振式質(zhì)量傳感器要求諧振器具有極高的共振頻率,即極小的物理尺寸和高品質(zhì)因數(shù)測試系統(tǒng),對傳感器加工工藝和檢測技術(shù)提出了大的挑戰(zhàn)。本文提出了雙閉環(huán)反饋質(zhì)量測試系統(tǒng),同時調(diào)整系統(tǒng)等效質(zhì)量與阻尼系數(shù),在微米級諧振子上獲得原子/分子級別分辨力與極高的品質(zhì)因數(shù)。研制出納米間隙諧振傳感器。利用微細電鑄加工技術(shù)在金屬基板上沉積鎳材,完成具有7μm間隙的懸臂梁式諧振氣敏傳感器加工。設計了單晶硅濕法腐蝕工藝,完成了微米尺寸懸臂梁與底座的加工,通過精密控制的臺階差,實現(xiàn)了具有200nm間隙的微型諧振式傳感器的制作。提出調(diào)整系統(tǒng)等效質(zhì)量以改變系統(tǒng)諧振頻率的閉環(huán)反饋原理。在質(zhì)量檢測系統(tǒng)中設置一個180°反饋增益,以減小系統(tǒng)等效質(zhì)量,提高系統(tǒng)諧振頻率。以逆鎖定放大器代替高頻帶通濾波器,將有用頻率進行頻譜遷移,較好的濾除了噪聲干擾。分別研制出能夠精密控制原子/分子沉積量的閉環(huán)運動控制系統(tǒng),保證原子/分子逐個沉積。質(zhì)量傳感器系統(tǒng)具有極高的諧振頻率,在真空環(huán)境中完成了單個原子/分子質(zhì)量測定。提出具有原子/分子分辨力的雙閉環(huán)反饋質(zhì)量檢測系統(tǒng)。在180°反饋系統(tǒng)的基礎上,增加一路90°相位反饋,以減小系統(tǒng)等效阻尼,獲得高品質(zhì)因數(shù)與分辨力。測得雙閉環(huán)反饋增益參數(shù)對系統(tǒng)頻率、品質(zhì)因數(shù)、分辨力和噪聲的影響規(guī)律。求得特定狀態(tài)下雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)最佳特性點,利用雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)在真空狀態(tài)進行的金屬原子測試噪聲明顯小于單反饋系統(tǒng),并在常壓狀態(tài)下測得單個氫氣分子質(zhì)量。在氣體傳感器檢測系統(tǒng)上應用雙閉環(huán)反饋原理,提高氣體傳感器分辨力。研制出低頻與中頻閉環(huán)測試系統(tǒng),利用電鑄與濕法腐蝕的氣敏傳感器,完成了常溫常壓狀態(tài)下氫氣、乙醇和氨氣的濃度測試。在氣敏傳感器閉環(huán)測試系統(tǒng)上設置180°和90°雙閉環(huán)反饋,大幅度提高了系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)與分辨力,并明顯減小系統(tǒng)噪聲,證明了雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)的通用性。
【圖文】：

有多晶硅、金屬和玻璃等，甚至光刻膠 SU-8 也可作為納米懸臂梁的材料,見圖 1-1a[10]，新工藝包括激光、離子束、精密電鑄、電解加工和注塑等。利用這些新材料和新工藝可以做出具有高深寬比的性能優(yōu)異微小結(jié)構(gòu)，其缺點是工藝復雜且不成熟，投資較大，處于研究階段，圖 1-1b 為一常規(guī)諧振式加速度傳感器[11-12]。進入 21 世紀，MEMS 智能傳感器產(chǎn)品作為 MEMS 器件的一個重要分支開始出現(xiàn)，并且在汽車、智能設備、生化和安全等領(lǐng)域被廣泛應用，圖 1-1c 為諧振式角度傳感器的原理圖[8,13-16]。MEMS 傳感器一般是將微型敏感結(jié)構(gòu)與晶體管檢測部分集成在一個晶元上，檢測量有氣壓、壓力、位移、加速度、角度、流量、溫度、光線、化學濃度、生物特性和視覺圖像等[6]，性能優(yōu)異的傳感器包含完善的信號處理模塊，大大減輕了應用工程師的工作難度[4]。MEMS 傳感器的優(yōu)點是微型化、高集成度、高精度、微功耗[4]，應用優(yōu)勢是自動校正補償、自動采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲與網(wǎng)絡通信，具有判斷思考能力[2]。得益于微電子工藝手段的提高，MEMS 傳感器成本也在迅速下降，為其應用普及鋪平了道路[17-18]。汽車行業(yè)和消費電子產(chǎn)品是目前 MEMS 智能傳感器的主要市場，且 MEMS 傳感器所占產(chǎn)品成本比例逐年提高。

消費電子產(chǎn)品也在向智能化方向發(fā)展，智能傳感器正在讓生活更便利，更有趣味，更人性化[2,21-22]。手機作為消費電子產(chǎn)品的代表，從本世紀初開始，各種 MEMS 傳感器逐漸應用于手機上。手機所用傳感器主要有圖像、加速度、陀螺儀、指紋、壓力、光線、聲音、紫外線、霍爾、磁場和紅外等，可以說智能傳感器是手機的敏感器官與神經(jīng)系統(tǒng)[23-25]。手機所用 MEMS 智能傳感器基本都是以芯片或者模塊的形式出現(xiàn)，甚至幾個傳感器被高度集成在單個芯片中，所需外圍器件極少，芯片中的信號處理模塊也更加強大快捷，即智能化程度很高，，傳感器芯片以標準電子元器件的形式出現(xiàn)，可以直接輸出電信號，使手機功能設計可以搭積木的形式實現(xiàn)，使設計者將更多精力用在產(chǎn)品系統(tǒng)設計上，所以從 2010 年開始智能手機的升級速度越來越快，圖 1-2 為智能手機常用的三種傳感器，且多為諧振原理�；诟鞣N智能傳感器的多種手機應用也相繼被開發(fā)出來，使智能手機表現(xiàn)的更易用、更強大，不僅僅是通訊工具。消費電子市場的可穿戴設備與智能家居的發(fā)展與 MEMS 傳感器的關(guān)系更加密切，可以認為是 MEMS 智能傳感器的發(fā)展促進了可穿戴設備與智能家居的誕生[22,26-27]。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212


本文編號：2545540