【摘要】：諧振式傳感器是以?xún)?nèi)部諧振子頻率信號(hào)作為輸出的傳感器,待測(cè)參數(shù)使諧振子等效質(zhì)量、剛度系數(shù)或阻尼系數(shù)產(chǎn)生變化,通過(guò)諧振子的諧振頻率特性變化表現(xiàn)出來(lái)。頻率信號(hào)采集過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,抗噪聲能力強(qiáng),易被調(diào)理為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào),方便智能芯片處理與遠(yuǎn)距離傳送。高分辨力諧振式質(zhì)量傳感器要求諧振器具有極高的共振頻率,即極小的物理尺寸和高品質(zhì)因數(shù)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)傳感器加工工藝和檢測(cè)技術(shù)提出了大的挑戰(zhàn)。本文提出了雙閉環(huán)反饋質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng),同時(shí)調(diào)整系統(tǒng)等效質(zhì)量與阻尼系數(shù),在微米級(jí)諧振子上獲得原子/分子級(jí)別分辨力與極高的品質(zhì)因數(shù)。研制出納米間隙諧振傳感器。利用微細(xì)電鑄加工技術(shù)在金屬基板上沉積鎳材,完成具有7μm間隙的懸臂梁式諧振氣敏傳感器加工。設(shè)計(jì)了單晶硅濕法腐蝕工藝,完成了微米尺寸懸臂梁與底座的加工,通過(guò)精密控制的臺(tái)階差,實(shí)現(xiàn)了具有200nm間隙的微型諧振式傳感器的制作。提出調(diào)整系統(tǒng)等效質(zhì)量以改變系統(tǒng)諧振頻率的閉環(huán)反饋原理。在質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)180°反饋增益,以減小系統(tǒng)等效質(zhì)量,提高系統(tǒng)諧振頻率。以逆鎖定放大器代替高頻帶通濾波器,將有用頻率進(jìn)行頻譜遷移,較好的濾除了噪聲干擾。分別研制出能夠精密控制原子/分子沉積量的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),保證原子/分子逐個(gè)沉積。質(zhì)量傳感器系統(tǒng)具有極高的諧振頻率,在真空環(huán)境中完成了單個(gè)原子/分子質(zhì)量測(cè)定。提出具有原子/分子分辨力的雙閉環(huán)反饋質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。在180°反饋系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加一路90°相位反饋,以減小系統(tǒng)等效阻尼,獲得高品質(zhì)因數(shù)與分辨力。測(cè)得雙閉環(huán)反饋增益參數(shù)對(duì)系統(tǒng)頻率、品質(zhì)因數(shù)、分辨力和噪聲的影響規(guī)律。求得特定狀態(tài)下雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)最佳特性點(diǎn),利用雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)在真空狀態(tài)進(jìn)行的金屬原子測(cè)試噪聲明顯小于單反饋系統(tǒng),并在常壓狀態(tài)下測(cè)得單個(gè)氫氣分子質(zhì)量。在氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)上應(yīng)用雙閉環(huán)反饋原理,提高氣體傳感器分辨力。研制出低頻與中頻閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng),利用電鑄與濕法腐蝕的氣敏傳感器,完成了常溫常壓狀態(tài)下氫氣、乙醇和氨氣的濃度測(cè)試。在氣敏傳感器閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)上設(shè)置180°和90°雙閉環(huán)反饋,大幅度提高了系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)與分辨力,并明顯減小系統(tǒng)噪聲,證明了雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)的通用性。
【圖文】：

有多晶硅、金屬和玻璃等，甚至光刻膠 SU-8 也可作為納米懸臂梁的材料,見(jiàn)圖 1-1a[10]，新工藝包括激光、離子束、精密電鑄、電解加工和注塑等。利用這些新材料和新工藝可以做出具有高深寬比的性能優(yōu)異微小結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜且不成熟，投資較大，處于研究階段，圖 1-1b 為一常規(guī)諧振式加速度傳感器[11-12]。進(jìn)入 21 世紀(jì)，MEMS 智能傳感器產(chǎn)品作為 MEMS 器件的一個(gè)重要分支開(kāi)始出現(xiàn)，并且在汽車(chē)、智能設(shè)備、生化和安全等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，圖 1-1c 為諧振式角度傳感器的原理圖[8,13-16]。MEMS 傳感器一般是將微型敏感結(jié)構(gòu)與晶體管檢測(cè)部分集成在一個(gè)晶元上，檢測(cè)量有氣壓、壓力、位移、加速度、角度、流量、溫度、光線(xiàn)、化學(xué)濃度、生物特性和視覺(jué)圖像等[6]，性能優(yōu)異的傳感器包含完善的信號(hào)處理模塊，大大減輕了應(yīng)用工程師的工作難度[4]。MEMS 傳感器的優(yōu)點(diǎn)是微型化、高集成度、高精度、微功耗[4]，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是自動(dòng)校正補(bǔ)償、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)通信，具有判斷思考能力[2]。得益于微電子工藝手段的提高，MEMS 傳感器成本也在迅速下降，為其應(yīng)用普及鋪平了道路[17-18]。汽車(chē)行業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品是目前 MEMS 智能傳感器的主要市場(chǎng)，且 MEMS 傳感器所占產(chǎn)品成本比例逐年提高。

消費(fèi)電子產(chǎn)品也在向智能化方向發(fā)展，智能傳感器正在讓生活更便利，更有趣味，更人性化[2,21-22]。手機(jī)作為消費(fèi)電子產(chǎn)品的代表，從本世紀(jì)初開(kāi)始，各種 MEMS 傳感器逐漸應(yīng)用于手機(jī)上。手機(jī)所用傳感器主要有圖像、加速度、陀螺儀、指紋、壓力、光線(xiàn)、聲音、紫外線(xiàn)、霍爾、磁場(chǎng)和紅外等，可以說(shuō)智能傳感器是手機(jī)的敏感器官與神經(jīng)系統(tǒng)[23-25]。手機(jī)所用 MEMS 智能傳感器基本都是以芯片或者模塊的形式出現(xiàn)，甚至幾個(gè)傳感器被高度集成在單個(gè)芯片中，所需外圍器件極少，芯片中的信號(hào)處理模塊也更加強(qiáng)大快捷，即智能化程度很高，，傳感器芯片以標(biāo)準(zhǔn)電子元器件的形式出現(xiàn)，可以直接輸出電信號(hào)，使手機(jī)功能設(shè)計(jì)可以搭積木的形式實(shí)現(xiàn)，使設(shè)計(jì)者將更多精力用在產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，所以從 2010 年開(kāi)始智能手機(jī)的升級(jí)速度越來(lái)越快，圖 1-2 為智能手機(jī)常用的三種傳感器，且多為諧振原理�；诟鞣N智能傳感器的多種手機(jī)應(yīng)用也相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，使智能手機(jī)表現(xiàn)的更易用、更強(qiáng)大，不僅僅是通訊工具。消費(fèi)電子市場(chǎng)的可穿戴設(shè)備與智能家居的發(fā)展與 MEMS 傳感器的關(guān)系更加密切，可以認(rèn)為是 MEMS 智能傳感器的發(fā)展促進(jìn)了可穿戴設(shè)備與智能家居的誕生[22,26-27]。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP212


本文編號(hào)：2545540