基于MEMS技術(shù)的質(zhì)點振速傳感器的研制.pdf

1、聲壓測量與質(zhì)點振速測量是聲學測量的兩種重要手段，相對于聲壓測量技術(shù)研究，質(zhì)點振速測量一直是該領(lǐng)域研究的重點與難點。本文設(shè)計并制作一種基于MEMS納米線結(jié)構(gòu)的質(zhì)點振速傳感器，具有―8‖字形指向性，可以廣泛應用于噪聲振動檢測、材料檢測、聲源定位、水聲測量。
　　在MEMS質(zhì)點振速傳感器的設(shè)計上，提出了一種―體硅聲腔---雙納米線‖的傳感器微結(jié)構(gòu)，其中硅基聲腔的尺寸為200微米深、1毫米寬，兩根敏感納米線的尺寸為長度1毫米、厚度450納

2、米、寬度5微米。該傳感器設(shè)計的優(yōu)點在于：（1）工藝簡單、容易加工；（2）靈敏度好，尤其在低頻區(qū)域具有較高靈敏度；（3）可靠性較高，應力小。
　　建立了質(zhì)點振速傳感器的熱傳遞物理模型，（1）討論了納米線的幾何尺寸特別是兩根熱絲間距對靈敏度的影響，確定了納米線尺寸；（2）通過數(shù)值計算分析了質(zhì)點振速傳感器頻率特性。（3）通過測試納米線的電學參數(shù)確定了工作條件。
　　基于MEMS體硅微加工工藝制作了MEMS質(zhì)點振速傳感器。采用腐蝕工

3、藝形成體硅聲腔，通過腐蝕與剝離（lift-off）工藝制成納米線結(jié)構(gòu)。對關(guān)鍵工藝---腐蝕與剝離的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，并分析了剝離工藝的影響因素?？偨Y(jié)得到了一套適合該傳感器加工的工藝參數(shù)。
　　設(shè)計了MEMS質(zhì)點振速傳感器的信號處理電路，包括R-V轉(zhuǎn)換、頻率補償、前置放大三個部分。電路噪聲是實現(xiàn)信號處理部分需要考慮的關(guān)鍵。在R-V轉(zhuǎn)換部分，本文對三種電路方案---鏡像電流電橋、差分電橋、共發(fā)射極電橋的噪聲特性進行了比較分析。由于具

4、有可控性強、信噪比高的優(yōu)點，優(yōu)選鏡像電流電橋作為R-V轉(zhuǎn)換的最終方案。對質(zhì)點振速傳感器的一階頻率特性通過RC進行補償，使頻率大于1kHz時，增益提高6dB/oct。在前置放大部分，通過設(shè)計降低偏置電路的噪聲，實現(xiàn)了低噪聲前置放大電路。測試表明，等效輸入噪聲達到5nV/√Hz以下，能夠滿足傳感器的要求。
　　本文對設(shè)計的MEMS質(zhì)點振速傳感器進行了輸出測試。（1）將駐波管方法應用到質(zhì)點振速傳感器的靈敏度測量，給出了測量原理并搭建了測