MEMS紅外光聲氣體傳感系統(tǒng)的研究.pdf

1、采用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術，研制具有選擇性好、靈敏度高、響應迅速、制備工藝簡單和價格低廉的智能化、MEMS化的紅外氣體微傳感系統(tǒng)已經受到人們的廣泛重視，成為當前研究的熱點。 本文設計了全MEMS化的紅外光聲氣體傳感系統(tǒng)。并系統(tǒng)地開展了紅外氣體光聲傳感系統(tǒng)中MEMS紅外調制輻射源、一維光聲腔設計和電容式硅基微傳聲器等三方面的研究，并采用電調制MEMS紅外輻射源研制成功便攜式非色散紅外吸收氣體傳感器。主要的研究內容和成果如下

2、： 1．成功地研制了復合支撐薄膜(Si3N4／Si02)的電調制MEMS紅外輻射源。測試結果表明，MEMS紅外輻射源可以產生相當于黑體300～850"K的紅外輻射，實測輻射功率達到60mW，輻射效率可達16．6％，動態(tài)響應時間達到12．8ms。 在研究復合支撐薄膜(Si3N4／Si02)的電調制MEMS紅外輻射源的基礎上，提出了一種基于低應力S州x支撐薄膜的單膜MEM$紅外輻射源的新結構，MEMS紅外輻射源的動態(tài)響應時間

3、縮小到10ms之內。 全面系統(tǒng)地研究了發(fā)熱電極圖形結構對紅外輻射特性的影響。比較了四種不同電極圖形MEMS紅外輻射源的紅外輻射特性，得到雙螺旋結構的電極設計具有最優(yōu)的發(fā)熱效率。針對雙螺旋電極的MEMS紅外輻射源，探索了電極線寬與線距對輻射效率的影響。結果表明，對于所設計的三種不同電極線寬與三種不同電極間距的MEMS紅外輻射源，在線寬與線距為1：1．5時，使輻射效率得到提高。 研究了有效輻射面積的尺寸大小對MEMS紅外輻射

4、源輻射性能的影響。結果表明，對于所設計的MEMS紅外輻射源，并非輻射源的面積越大，輻射特性越好。輻射面域為1．6×1．6mm2的MEMS紅外輻射源比2．0×2．0mm2的輻射源具有更好的輻射特性和機械穩(wěn)定性。在輻射源的功率密度同為195mW／mm2時，輻射面域為1．6×1．6mm2的MEMS紅外輻射源的輻射效率可達到10．62％，而2．0x2．0mm2的輻射源的輻射效率僅為6．54％。 提出了采用氧離子轟擊輻射表面的方法實現對M

5、EMS紅外輻射源表面的糙化處理，大大提高輻射表面的紅外發(fā)射率。測試結果表明，輻射源表面經糙化處理后，輻射面的溫度分布更趨于均勻，紅外輻射效率也有了大幅度的提高，在6V恒壓驅動MEMS紅外輻源時，表面糙化處理樣品的紅外輻射可達到2．86％，遠大于Si3N4和Si02鈍化樣品的2．61％和2．01％。 2．系統(tǒng)的開展了MEMS紅外光聲氣體傳感器一維光聲腔的理論研究，提出了一種新的一維縱向光聲腔的LC振蕩電路模型，該模型能夠簡單快速地

6、計算光聲腔的結構參數、品質因子和共振頻率等特性，并能直觀的模擬光聲信號隨氣體濃度、溫度，光聲腔結構參數的變化趨勢。根據模型計算結果，結合MEMS微機械加工技術，研究制作了一維縱向光聲腔，為實現紅外光聲氣體傳感器的MEMS化打下重要基礎。 3．設計了一種新型的單片電容式硅基微傳聲器，該微傳聲器采用近乎無應力的單晶硅作為振膜材料，以成本低廉，工藝簡單的聚酰亞胺作為背極板材料，摻雜后的單晶硅作導電電極材料，使結構的設計和制作的工藝更加

7、簡單。并利用有限元方法對其進行了建模，進行了靜力、模態(tài)和諧響應以及Pull-In電壓等分析，從理論上分析了器件的機械性能、靈敏度以及頻響特性，得出了結構優(yōu)化的設計原則。針對硅基微傳聲器的結構設計，設計了微傳聲器的工藝流程，完成其中關鍵性單項工藝的實驗，得到了重要的工藝技術參數，為整體微傳聲器的工藝實現奠定了良好的基礎。 采用本文研制的電調制MEMS紅外輻射源，設計并研究了一種新型的便攜式非色散紅外(NDIR)吸收氣體傳感器。該傳

8、感器主要有直接電調制的MEMS紅外輻射源、窄帶薄膜干涉濾光片和高靈敏度的TGS(硫酸三甘肽)熱釋電紅外探測器等部件組成。該系統(tǒng)的建立，初步地實現了系統(tǒng)主體部件的MEMS化，降低了系統(tǒng)的成本和體積，提高了系統(tǒng)的探測靈敏度。通過對CO、C02、NH3和S02四種火災現場燃燒生成氣體在不同濃度狀態(tài)下的測量，證明系統(tǒng)對所測氣體可以達到了幾十個ppm量級的探測極限，響應時間均小于20秒，具有較好的穩(wěn)定性和重復性。同時，研制的電調制MEMS紅外輻射