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《沈阳工业大学》 2018年
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基于MEMS技术微悬臂梁敏感结构的设计

夏贝贝  
【摘要】:微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)并非单纯的将宏观机械小型化,而是力求把满足特定应用要求的微传感器、微执行器、微信号处理和控制电路等单元构成一个具备智能化功能的微系统。MEMS微悬臂梁传感器具有高灵敏度、快速响应、微型化及实时测量等特点,广泛应用于化学、物理以及生物等测量领域。但是目前的集成化应用中,MEMS微悬臂梁传感器较多的工作于静态模式下,信噪比较低,易受到环境的干扰,影响其检测信号的准确性。而动态检测模式下的工作方式抗干扰能力强,并且检测速度快,更加适合于集成化、小型化、实时化应用。针对集成化应用中存在的上述问题,本文采用抗干扰能力强、检测速度快的动态工作模式,结合新型纳米复合材料的特性,设计了一款具有自驱动、自感知功能的微悬臂梁结构传感器。选择结构简单、易集成化的压电驱动方式和信号检测电路简单、易制备、可用于复杂环境测量的压阻检测方式,依据多层微悬臂梁结构弹性理论,提出了一种嵌套布局阶梯式微悬臂梁传感器敏感结构,在实现自驱动、自感知功能的同时保证了传感器的灵敏度和机械响应。基于逆压电效应的压电方程,利用COMSOL软件,建立压电驱动模型,研究了压电层结构参数对微悬臂梁传感器性能的影响;基于压阻效应的压敏电阻输出电势差方程,建立压阻检测模型,研究了压阻层力敏电阻参数对输出特性的影响;综合压电驱动层和压阻检测层模型建立微悬臂梁传感器的整体模型,得到微悬臂梁传感器敏感结构尺寸和性能参数。本文所设计的多层纳米膜复合材料微悬臂梁敏感结构传感器,灵敏度为624.5mV/MPa,零点输出电势差为0.05mV;谐振频率420kHz~480kHz,典型值446kHz;最大负载压力为200kPa;临界载荷因子为-5.72,微悬臂梁敏感结构此时受到的最大Mises应力2.97GPa。最后,根据优化后的设计方案,以MEMS工艺为基础,结合LPCVD及“溶胶-凝胶”法,提出微悬臂梁结构传感器的制备方案。本文提出的微悬臂梁结构及其制备方案利用多晶硅纳米膜优异的机械特性,提升多层复合结构的稳定性,以推动智能化、集成化应用的精密传感器技术发展。在保证检测灵敏度的基础上,提高微悬臂梁传感器的集成化程度,为其在便携式检测仪器、可穿戴医疗设备、智能化精密传感器等领域的商品化奠定基础。
【学位授予单位】:沈阳工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP212

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