MEMS红外光声气体传感系统的研究

【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(Si_3N_4／SiO_2)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300～850~0K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(Si_3N_4／SiO_2)的电调制MEMS红外辐射源的基础上，提出了一种基于低应力SiN_x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1.6×1.6mm~2的MEMS红外辐射源比2.0×2.0mm~2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／mm~2时，辐射面域为1.6×1.6mm~2的MEMS红外辐射源的辐射效率可达到10.62％，而2.0×2.0mm~2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Si_3N_4和SiO_2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、CO_2、NH_3和SO_2四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。

【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TN219;TN409