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用于气体检测的MEMS电容式红外光强探测器的设计与制备技术研究

杨地委  
【摘要】:气体分析不单是用于矿井安全、化工过程控制等传统工业以及公共安全、污染源监测、设施农业等,还可以应用于医疗卫生,以至在生物科学、微电子、新材料等新技术领域也有着越来越广泛的应用。介绍了几种目前已付诸实际应用的气体检测方法以及它们各自的优缺点,比较得出了研究红外气体检测方法的重大意义。 在前人研究成果基础上,提出了一种基于气体的红外吸收热效应、可用于气体检测的MEMS电容式红外光强探测器。它由密封纯净气体的气动腔和平行板电容器两部分构成。平板电容器采用双电容结构,有效了抑制了温度等环境因素对红外探测器稳定性的影响。在基本结构确定之后,文中又对各部件的制备材料做了详尽介绍。通过ANSYS仿真得到了气动腔的腔体内壁热量分布和弹性薄膜的热应力分布,结合工艺实现能力,确定了气动腔的更优化结构及腔体尺寸大小、弹性薄膜的厚度和平板电容器的极板间距。MEMS工艺是微系统实现的关键因素,文中对该红外探测器制备过程中所涉及的工艺做了全面的研究,最后采用多种工艺技术结合的手段,增优去劣,可实现预期的探测指标。 针对该探测器输出电容值微小的特性,选用基于运算放大器的半桥检测电路。如此能确保参照电容器有效地消除温度等外界干扰因素对输出信号影响,同时还使电容量与极板间距的非线性关系转变为检测电路输出电压与红外光强度的近似线性关系。依据理论推导结果,给出了整个红外探测系统的特性曲线,它的灵敏度和线性探测范围分别为:0.867V/cd和0-0.1cd。


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