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微机电系统中的声学推进器和探测器

王自昱  
【摘要】:微型机电系统(Micro-Electrical-Mechanical Systems,缩写为MEMS)是利用微制造加工技术,将微型机械结构加工、微传感器设计制造、微执行器以及微电子电路等集于一体的微型器件和系统。微型机电系统技术为传统的精密机械加工打开了“微尺寸”领域的大门,是真正实现机电一体化的开端。自从1987年,在加州Berkeley的Muller实验小组,一个只有人的头发丝宽度大小的微型马达通过硅微加工被成功制造出来,微型机电系统技术的研究开发日益得到关注,经过30多年的发展,微型机电系统越来越受到世界各发达国家的广泛重视,被认为是一项面向未来的,可以广泛引用的新兴技术。国内外许多有影响的院校、研究机构纷纷投巨资建立实验室,投入到MEMS的研究开发中。 对于微机电系统的研究,通常可以分为两大类:微结构和微换能器。微结构通常包含微透镜、微喷嘴、微探针和微流体系统;而微换能器通常又包含微驱动器和微传感器。本文着眼于微换能器中一个重要的组成部分——基于声学的微驱动器和传感器展开研究和讨论,主要完成了以下几个工作: 1.使用MEMS技术,设计出一种水下方向可控的微型自聚焦压电推进器,在这个工作中,我们通过设计非整圆电极来达到控制驱动器前进方向的目的。并通过理论计算模拟,对推进器的结果进行预测。在实验测量中,采用创新的“小球示踪法”来测量水下推进器的推力大小以及方向。在测试中,驱动器可以获得2.3 mN的直线推力以及0.4mN的转向推力。 2.研究了薄膜体声学谐振器(FBAR)的工作原理和制备工艺。利用薄膜体声学谐振器的温度敏感的特性,设计制作了质量因子Q为150,用于红外线辐射测量的基频在1.8GHz的一种以ZnO薄膜为基础的FBAR;在实验测试中,成功的使用FBAR探测了红外线的辐照强度,验证了理论推导出的"FBAR频率随红外辐照强度线性变化”的结论,实验结果与理论结果取得了一致。 3.本文还尝试了使用新型的ZnO作为压电材料的FBAR来探测臭氧的方法,利用FBAR的质量敏感性实现对臭氧的探测。设计了一种ZnO基的FBAR臭氧探测器,给出了这种FBAR的制作方法和测试系统的搭建方式及过程,制作出了谐振频率为1.38GHz左右的FBAR。将此FBAR应用在臭氧探测中,得到了最低探测能力为25ppb的探测器。FABR臭氧探测器的最快响应时间是12秒,通过氧气一臭氧一氧气循环测试可以得到FABR对于臭氧的检测是可以重复、可靠的结果。我们引进了幂率理论对结果加以分析,得到了臭氧的浓度的微分与FBAR频率的微分应该是线性关系的结论,这一结果在高浓度臭氧的环境中得到了验证。


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