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《复旦大学》 2005年
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MEMS红外光声气体传感系统的研究

纪新明  
【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

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【引证文献】
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1 刘小玲;罗荣辉;张操;郭小伟;;基于光声光谱法气体探测传声器的研究进展[J];电子与封装;2011年02期
2 田英;熊继军;关新锋;李佩青;孟青;丑修建;;MEMS红外光源研究及其应用[J];微纳电子技术;2012年09期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 彭晶;NDIR便携式气体传感器关键技术的研究[D];复旦大学;2011年
【参考文献】
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1 陈兢,刘理天,李志坚;纹膜结构微麦克风的动态特性:使用EDA/CAD工具进行Top-down设计[J];半导体学报;2001年07期
2 陈大鹏,叶甜春,谢常青,李兵,赵玲莉,韩敬东,胥兴才;LPCVD制备纳米硅镶嵌结构氮化硅膜及其内应力[J];半导体学报;2001年12期
3 宁瑾,刘忠立;电容式微传声器的性能模拟与优化设计[J];半导体学报;2003年08期
4 邹泉波,刘理天,李志坚;纹膜结构用于电容式硅微麦克风的研究[J];半导体学报;1996年12期
5 蔡公和,刘忠玉,蔡丽梅;硅微声压传感器[J];传感技术学报;1998年02期
6 赵洋,任天令,刘理天,李志坚;微麦克风的研究及展望[J];电子科技导报;1999年12期
7 邹泉波,刘理天,李志坚;一种新结构微型硅电容式麦克风的研制[J];电子学报;1997年02期
8 王阳元,武国英,郝一龙,张大成,肖志雄,李婷,张国炳,张锦文;硅基MEMS加工技术及其标准工艺研究[J];电子学报;2002年11期
9 张永怀,白鹏,刘君华;红外气体分析器[J];分析仪器;2002年03期
10 姜利军,赵润涛,陈翔,王旭洪,盛玫,徐立强;交替频率PECVD方法沉积低应力氮化硅薄膜及其性质研究[J];功能材料与器件学报;1999年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孙俊峰;石霞;;PECVD SiO_2薄膜内应力研究[J];半导体技术;2008年05期
2 王玮冰,叶甜春,陈大鹏,伍小平,张青川,潘亮,段志辉;基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外成像系统[J];微纳电子技术;2003年Z1期
3 王培森;于映;罗仲梓;彭慧耀;;硅/玻璃键合技术在RF-MEMS开关制作中的应用[J];微纳电子技术;2007年01期
4 李洋;许高斌;;一种新型并联梳齿驱动的静电型微继电器[J];微纳电子技术;2007年Z1期
5 吕树海;杨拥军;徐淑静;张旭辉;;MEMS微加速度与微角速率集成传感器的研制[J];微纳电子技术;2011年03期
6 陈兢,刘理天,李志坚;纹膜结构微麦克风的动态特性:使用EDA/CAD工具进行Top-down设计[J];半导体学报;2001年07期
7 宁瑾,刘忠立,刘焕章,葛永才;用氧化多孔硅作牺牲层制备硅基电容式微传声器(英文)[J];半导体学报;2003年05期
8 戎华,黄庆安,李伟华;F-I类比方法及MEMS梁的等效电路宏模型[J];半导体学报;2003年05期
9 宁瑾,刘忠立;电容式微传声器的性能模拟与优化设计[J];半导体学报;2003年08期
10 程迎军,蒋玉齐,许薇,罗乐;焊料键合实现MEMS真空封装的模拟[J];半导体学报;2005年05期
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1 王益;董景新;刘云峰;刘冬宁;;梳齿式微硅加速度计的结构失效及设计改进[A];中国航空学会控制与应用第十二届学术年会论文集[C];2006年
2 李洋;许高斌;;一种新型并联梳齿驱动的静电型微继电器[A];第十届全国敏感元件与传感器学术会议论文集[C];2007年
3 张永宇;沈雪瑾;赵江铭;陈晓阳;;热致动硅微夹钳实验研究[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集(一)[C];2005年
4 顾星;王方;刘务勤;黄杨;唐群;赵上果;;试论中医数字化诊断技术的发展前景[A];中华中医药学会中医诊断学分会成立暨学术研讨会论文集[C];2006年
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1 罗元;光通信MEMS光开关关键技术的研究[D];重庆大学;2003年
2 李伟剑;微机电系统的多域耦合分析与多学科设计优化[D];西北工业大学;2004年
3 张思杰;基于MEMS的消化道无线内窥镜的研究[D];重庆大学;2005年
4 张永宇;V型电热硅微致动器性能及其应用研究[D];上海大学;2006年
5 施芹;提高硅微陀螺仪性能若干关键技术研究[D];东南大学;2006年
6 李现明;无传感器PCR芯片阵列的测量与控制技术研究[D];山东大学;2007年
7 李木军;接近式光刻仿真研究[D];中国科学技术大学;2007年
8 沈雪瑾;硅微单侧直脚谐振器与复合V型梁热致动器的机械性能研究[D];上海大学;2007年
9 赵江铭;横向梳状硅微静电谐振器机械性能分析与实验研究[D];上海大学;2006年
10 刘翠荣;玻璃(陶瓷)与金属阳极键合界面结构及力学性能[D];太原理工大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵晓霞;面向精化的表面微加工MEMS几何和工艺建模研究[D];华东理工大学;2011年
2 邢立峰;微细铣削加工机床设计与关键部件仿真分析[D];吉林大学;2011年
3 霍卫红;一种新型静电驱动增加检测电容的微惯性传感器研究[D];杭州电子科技大学;2011年
4 李昌锋;主流式ETCO_2检测系统设计及信号处理方法研究[D];北京协和医学院;2011年
5 韩小林;微机械电容式加速度计的设计及制备[D];电子科技大学;2011年
6 石文尚;考虑漏电容的平板式微执行器Pull-in机理分析[D];南京邮电大学;2011年
7 林江;新型硅麦克风的设计与分析[D];杭州电子科技大学;2009年
8 孙健;基于共晶键合技术的压电能量采集器的研究[D];上海交通大学;2011年
9 卢平;基于LabVIEW的光纤多路音视频监测报警系统[D];重庆大学;2011年
10 肖心通;基于红外传感器的气体浓度测量系统设计[D];天津大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张晓钧;张永刚;;基于半导体激光器的光声光谱气体检测及其进展[J];半导体光电;2009年03期
2 王建业;纪新明;吴飞蝶;周嘉;黄宜平;;光声光谱法探测微量气体[J];传感技术学报;2006年04期
3 杨涓涓;任楠;周嘉;张亚红;刘全;黄宜平;唐颐;;沸石分子筛修饰的QCM类神经毒气传感器[J];传感技术学报;2006年05期
4 王建业;纪新明;吴飞蝶;周嘉;黄宜平;;MEMS光声气体传感器光声腔的研究[J];传感器与微系统;2006年02期
5 吴飞蝶;纪新明;王建业;王国勋;黄宜平;;MEMS红外光源及应用[J];传感器与微系统;2006年05期
6 林喆;于洋;;新型非分光红外CO_2气体浓度分析仪的开发与研究[J];传感器世界;2008年07期
7 杜晓松;肖华;蒋亚东;;MEMS微型气体富集器的研究进展[J];电子科技大学学报;2009年05期
8 陈伟根;云玉新;潘翀;孙才新;;光声光谱技术应用于变压器油中溶解气体分析[J];电力系统自动化;2007年15期
9 宁瑾,刘忠立,赵慧;电容式微传声器的制备研究新进展[J];电子器件;2002年01期
10 钱昆;李方强;程美英;伞海生;陈旭远;;基于绝缘体上硅晶片的微机电系统红外光源[J];光学学报;2010年05期
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 王敏;基于光声光谱技术的甲烷气体检测系统的研究[D];吉林大学;2006年
2 周南权;基于红外成像光学系统的光源设计研究[D];重庆大学;2008年
3 胡绘钧;MEMS热辐射红外光源的研究[D];复旦大学;2008年
4 程美英;硅基微机械红外光源的设计和制备[D];厦门大学;2009年
5 林喆;红外CO_2气体浓度检测仪的研究与开发[D];沈阳理工大学;2009年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李志坚,任天令,刘理天;铁电-硅微集成系统[J];半导体学报;1999年03期
2 赵永军,王民娟,杨拥军,梁春广;PECVD SiN_x薄膜应力的研究[J];半导体学报;1999年03期
3 翟光杰,杨建树,陈显邦,王学森;生长于Si(111)上的氮化硅薄膜表面结构[J];半导体学报;2000年04期
4 陈兢,刘理天,李志坚;纹膜结构微麦克风的动态特性:使用EDA/CAD工具进行Top-down设计[J];半导体学报;2001年07期
5 邹泉波,刘理天,李志坚;纹膜结构用于电容式硅微麦克风的研究[J];半导体学报;1996年12期
6 张国炳,郝一龙,田大宇,刘诗美,王铁松,武国英;多晶硅薄膜应力特性研究[J];半导体学报;1999年06期
7 蔡公和,刘忠玉,蔡丽梅;硅微声压传感器[J];传感技术学报;1998年02期
8 刘光会;加强气体分析测试技术研究为微电子工业振兴服务[J];低温与特气;1994年01期
9 范世福;现代分析仪器发展的前沿技术和设计思想[J];分析仪器;2000年03期
10 赵广达;环境监测分析仪器的发展及展望[J];分析仪器;2001年02期
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1 候正君;微机械线加速度计[J];压电与声光;1996年03期
2 ;采用激光的微机械简单制作方法[J];光机电信息;1999年09期
3 贾玉斌,陈良惠,李玉璋;一种微机械光开关的分析和设计(英文)[J];半导体学报;2001年07期
4 高晓萍;微机械单元技术的动向[J];光机电信息;1995年05期
5 高晓萍;微机械在通信中的应用[J];光机电信息;1995年07期
6 谢国章;微机械彩色电视投影系统[J];电视技术;1996年02期
7 方祖捷,陈高庭,瞿荣辉,赵浩,丁浩;微机械臂激光驱动机理分析[J];红外与激光工程;1999年02期
8 沈月婷,牛德芳,仲崇权;微机械电容式压力传感器的变换电路[J];传感器技术;2001年03期
9 高国龙;德国研制成采用微机械光栅的光谱仪[J];红外;2004年03期
10 鲍俊峰,邹勇卓,吴兴坤;一种超小型1×2微机械光开关[J];光子学报;2004年08期
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1 许淑霞;吕弋;;纳米硒化银催化发光气体传感器[A];第十届中国化学会分析化学年会暨第十届全国原子光谱学术会议论文摘要集[C];2009年
2 朱长纯;;纳米材料及其在真空微电子器件中的应用[A];第八届真空技术应用学术年会论文集[C];2005年
3 梅基强;;烟气二氧化硫气体传感器研究进展[A];中国环境保护产业发展战略论坛论文集[C];2000年
4 王兢;刘丽;纪敏;;La_(0.8)Sr_(0.2)FeO_3甲醛气体传感器研究[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(2)[C];2008年
5 曹小安;张润坤;王伟锋;陶颖;;一种检测二甲醚气体的新型传感器[A];第五届全国环境化学大会摘要集[C];2009年
6 周琴;吕弋;;稀土发光材料YVO_4:Eu~(3+)化发光乙醇传感[A];四川省第十一次环境监测学术交流会论文集[C];2010年
7 于博;戚金清;王兢;;基于MSP430的无线气体传感器采集系统[A];第八届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2010年
8 丁晖;刘君华;申忠如;;在线小波变换技术在气体传感器漂移故障检测中的应用[A];第三次全国会员代表大会暨学术会议论文集[C];2002年
9 孟丽娜;邱成军;左霞;;硅基微结构酞菁锌薄膜气体传感器[A];中国传感器产业发展论坛暨东北MEMS研发联合体研讨会论文集[C];2004年
10 罗兰;吕弋;;测定挥发性有机污染物的化学发光气体传感器研究[A];四川省第十一次环境监测学术交流会论文集[C];2010年
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1 记者 蓝建中;福岛抢险人员遭辐射又被视为辐射源[N];新华每日电讯;2011年
2 本报记者 王隽;香港是个辐射源[N];经济观察报;2011年
3 记者 王夕;小心你身边的辐射源[N];北京科技报;2011年
4 本报记者 诸玲珍;物联天下 传感先行[N];中国电子报;2010年
5 于柏林张兆军;气体传感器技术研究获突破[N];科技日报;2007年
6 刘畅 姚伊豆;TD监控盯紧辐射源[N];人民邮电;2010年
7 海阳辉记者 傅江平;《医用60Co远距离治疗辐射源》规程8月实施[N];中国质量报;2008年
8 戴侃让张军波;蓝田县党员成为群众致富的“辐射源”[N];西安日报;2007年
9 记者 康青选 刘永喜;辐射源一直处于安全状态 外出群众绝大部分已返回[N];开封日报;2009年
10 成都 胥绍禹;气味传感器TGS2602及其应用[N];电子报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 纪新明;MEMS红外光声气体传感系统的研究[D];复旦大学;2005年
2 钟铁钢;系列毒害气体传感器的研制及其特性研究[D];吉林大学;2010年
3 余文革;变形时域建模仿真理论及其在微机械天线中的应用[D];重庆大学;2004年
4 李淑红;基于声表面波技术的新型气体传感器的研究[D];南开大学;2010年
5 宗登刚;微机械材料力学性能测量[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2003年
6 吕琼莹;微机械压电微电机原型机的研究[D];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2001年
7 王浙辉;硅基微机械光开关研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2003年
8 孙鉴波;紫外光激发型半导体氧化物气体传感器的研究[D];吉林大学;2012年
9 张流强;基于微机械的光调制热成像器件研究[D];中国科学院上海冶金研究所;2000年
10 刘丽;硅基微结构气体传感器的研制[D];吉林大学;2008年
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1 杨明;全固态电化学一氧化碳传感技术研究[D];北京化工大学;2002年
2 邵晶;半固态和全固态控制电位电解型SO_2气体传感器的研究[D];甘肃工业大学;2001年
3 刘博;硅基微结构SnO_2气体传感器结构改进研究[D];大连理工大学;2010年
4 李俊;小型化的谐振式红外光声气体传感器[D];复旦大学;2010年
5 王玮;基于气体传感器阵列的混合气体检测系统[D];西北工业大学;2002年
6 李艳;基于离子液体/碳粉电导型气体传感器[D];上海师范大学;2010年
7 贾建;气体传感器智能测试系统和便携式酒精检测仪的研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2003年
8 吕坚;基于虚拟仪器的气体传感器自动测试系统研究[D];电子科技大学;2004年
9 谭明伟;γ-Fe_2O_3气体传感器敏感机理与应用研究[D];吉林大学;2005年
10 周超群;聚合物碳黑薄膜的制备及气敏特性研究[D];电子科技大学;2010年
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