本文關(guān)鍵詞：SU-8膠光彈性微力傳感器的研究

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【摘要】：隨著對(duì)微納米領(lǐng)域科學(xué)研究的不斷深入,獲取微納米尺度下物體的力學(xué)信息已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。微力傳感器作為MEMS領(lǐng)域中一種重要的微傳感器件,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微納米尺度下物體的力的測(cè)量,被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域,并有效地幫助了這些學(xué)科取得創(chuàng)新與進(jìn)展。因此,設(shè)計(jì)一款具有工藝簡(jiǎn)單、周期短、成本低,同時(shí)靈敏度高、生物兼容性優(yōu)良、功耗小等特點(diǎn)的微力傳感器有著重要的意義。SU-8膠是一種環(huán)氧樹脂型光刻膠,由于其優(yōu)良的機(jī)械特性、加工特性以及生物兼容性,被廣泛地應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域。同時(shí),作為一種光彈性材料,SU-8膠具有良好的光彈性性能。當(dāng)SU-8膠的內(nèi)部存在應(yīng)力時(shí),光束透過(guò)后由于光彈性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。光彈性作為一種有效分析和解決光彈性材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力的非接觸式實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法,在工程、材料、醫(yī)學(xué)等宏觀領(lǐng)域得到了應(yīng)用,而在MEMS領(lǐng)域的研究卻少有報(bào)道。本文提出了一種基于光彈性原理的微力測(cè)量方法,并基于該方法利用SU-8膠的光彈性效應(yīng)完成了微力傳感器的設(shè)計(jì)與制作。首先,本文對(duì)光彈性原理進(jìn)行了分析,并對(duì)基于光彈性原理的微力測(cè)量方法進(jìn)行了理論驗(yàn)證,對(duì)傳感器微力測(cè)量系統(tǒng)光路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其次,對(duì)SU-8膠的光彈性性能進(jìn)行了研究。其中,獲取SU-8膠應(yīng)力光學(xué)系數(shù)是研究的關(guān)鍵所在。因此,本文設(shè)計(jì)、搭建了SU-8膠光彈性顯微測(cè)量光路,并推導(dǎo)了其應(yīng)力光學(xué)系數(shù)的計(jì)算公式。然后,對(duì)通過(guò)MEMS工藝制作得到的SU-8膠試樣進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn),完成了SU-8膠應(yīng)力光學(xué)系數(shù)的測(cè)量,其測(cè)量值為(3.007+0.081)×10-11m2/N,為微力傳感器的設(shè)計(jì)與制作奠定了基礎(chǔ)。最后,依照所提出微力測(cè)量方法,設(shè)計(jì)了微力傳感器的結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行了仿真,通過(guò)微制造工藝完成了傳感器的制作,并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在建立接收光信號(hào)與光彈性微力傳感器受力關(guān)系的基礎(chǔ)上,搭建了傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置,在SU-8膠材料光彈性條紋的單個(gè)半級(jí)數(shù)范圍內(nèi)完成了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的傳感器的測(cè)量區(qū)間為0-3000μN(yùn),力的靈敏度為1.26667x10-6/μN(yùn),線性度誤差為8.64%,重復(fù)性誤差為4.59%,分辨率優(yōu)于301μN(yùn)。由測(cè)試結(jié)果可知,所設(shè)計(jì)的微力傳感器可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量外界微力的大小,并且其工藝簡(jiǎn)單、制作周期短。此外,由于SU-8膠具有生物兼容性以及光彈性法非接觸測(cè)量等特點(diǎn),這種傳感器在生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用潛力和價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：1199976