刘庆辉[1]2004年在《基于MEMS的声表面波器件设计与制作的关键技术研究》文中研究指明频率高、体积小、功能多、稳定性好、易于批量生产的声表面波器件,以其独特的性能,成为与大规模集成电路、电荷耦合器件并列的叁大固体微电子器件之一,在移动通信、航空航天、电子对抗等军用和民用领域得到了广泛应用。新兴的声表面波传感器,更是以其无源、无线、灵敏度高、功耗低的特点,成为传感领域的一门新兴技术,拥有巨大的发展潜力。 本文主要内容有: 1.叉指换能器是声表面波器件的基本结构。根据叉指换能器时域离散化的特点和加工精度的限制,提出了应用遗传算法优化设计叉指换能器的幅频特性,完成了叉指换能器声孔径编码,设计了适应度函数,改进了叉指换能器的幅频性能。 2.设计了叁叉指换能器结构的声表面波带通滤波器,研究了叉指换能器采用不同窗函数对叉指换能器特性的影响。 3.分析了采用叁角形悬臂梁结构的声表面波加速度计的设计,研究了加速度计灵敏度与悬臂梁等角和梁厚的关系。 4.声表面波器件的制作工艺是声表面波技术的难点,溅射和刻蚀更是声表面波器件制作的关键技术。因此,本文用实验方法研究了影响溅射速率的一些工艺参数;研究了感应耦合等离子体刻蚀速率与一些因素的关系以及刻蚀速率比和刻蚀的均匀性。
高阳[2]2010年在《基于MEMS技术的声表面波微驱动器件》文中指出声表面波是一种沿物体表面传播的弹性波，它能够在兼作传声介质和电声换能材料的压电基底材料表面进行传播。随着微机电系统（MEMS）技术的发展进步，声表面波研究向诸多领域进行延伸研究。上世纪90年代，已经实现了利用声表面波驱动固体。进入二十一世纪，声表面波在微流体应用研究取得了巨大的发展。应用声表面波器件可以实现固体驱动、液滴驱动、微加热、微粒集聚混合、雾化。声表面波驱动器件在片上实验室（Lab‐on‐chip）具有很好的应用前景。本论文包括如下部分：介绍了引入MEMS加工技术对研究声表面波器件的意义，论述了声表面波器件的国内外研究水平与发展趋势。阐述了声表面波的原理与特点，对材料、工艺选择做了详细的探讨，采用了剥离工艺制造了驱动器件，对声表面波在微流体雾化、微粒集聚/混合、微流体驱动以及固体驱动四方面的应用作了介绍。阐述了基于声表面波液体驱动的原理，实现了液体驱动，推导了液滴驱动的运动模型，证明了实验结果与运动模型推导结果一致。最后，提出了一种基于声表面波液体驱动的液体检测平台技术。阐述了声表面波固体驱动原理，制造了底部为金属柱状阵列的滑块和利用磁场斥力作为预载力的装置，但是没有实现固体驱动。阐述了声表面波实现液滴雾化的原理，用实验装置实现了水滴的雾化，大体上也与理论推导相一致。利用ANSYS与MATLAB软件工具对声表面波驱动特性进行了的仿真。最后对声表面波器件的未来发展以及研究方向加以展望。
轩伟鹏[3]2017年在《声波谐振器及其传感器应用研究》文中研究指明随着半导体和MEMS工艺的进步以及物联网技术的发展,传感器在我们的日常生活以及工业生产中几乎无所不在,已经成为了我们的第叁只眼睛和耳朵,为我们提供更高的生活质量以及保障工业生产顺利进行。常见的传感器类型有电阻型,电感型,压电型,电容型,金属氧化物半导体型等不同工作原理的传感器。本文主要围绕压电型声波传感器展开研究,包括声表面波传感器和薄膜体声波传感器,研制了柔性、透明声表面波湿度传感器,薄膜体声波压力,紫外光和湿度传感器,并研制了基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器芯片及多气体多参数检测系统。希望通过本研究,为声波传感器在生活,生产,物联网,智慧城市等各方面的普及应用打下基础。本文在玻璃和PI衬底上通过反应式磁控溅射的方法生长了高质量的ZnO薄膜,并制备了性能优良的延迟线型声表面波器件。深入研究了基于玻璃衬底的声表面波传感器的响应原理,并研究了有望用于柔性可穿戴设备的基于PI衬底的柔性声表面器件,对柔性声表面波器件产生的两个谐振峰进行了详细的分析,确认了这两个谐振峰是Lamb波的两个零阶模态,即对称零阶模态(SO)和非对称零阶模态(AO)。采用新型纳米材料氧化石墨烯做敏感膜,研究了柔性声表面波器件的两个谐振峰的湿度响应。针对柔性器件可弯曲的特性,探索了它们在不同弯曲状态下的湿度响应能力,器件在弯曲状态下(应变约为2000ε)时,仍然具有非弯曲状态下的湿度响应能力,同时,对器件进行弯曲性能测试(应变约2000ε),当器件弯曲次数达到8000次时,器件仍保持着良好的性能,展现出了优越的柔性应用潜力。分析了薄膜体声波器件的工作原理,并利用ADS软件建立了薄膜体声波器件的Mason模型。利用实验室现有的MEMS工艺,采用背刻蚀的方法,设计和制备了以氧化锌为压电薄膜的薄膜体声波谐振器,所制备的背刻蚀型FBAR器件,其工作频率在1.95GHz时,Q值为2500多,达到了国际领先水平,并验证了所建立的薄膜体声波谐振器的Mason模型与实验结果的一致性。对有二氧化硅支撑层的薄膜体声波器件,分析了其产生多个谐振峰的原因及在各个谐振峰的声波振动模式。以背刻蚀型的FBAR为基础,提出了使用UV感光胶水和玻璃把背刻蚀的通孔密封起来的新型压强传感器结构。并研究了薄膜体声波谐振器的多个谐振峰对压强的响应及温度特性,发现模式1谐振峰对压强变化具有最好的灵敏度,叁个谐振峰对压强具有良好的线性度,非常适合于做轮胎压强传感器。提出了一种具有多孔上电极的薄膜体声波谐振器结构,通过实验对比发现,具有多孔上电极的薄膜体声波器件具有更好的紫外响应能力,也就是说多孔上电极增加了紫外光的透过率,提升了薄膜体声波谐振器的紫外探测能力。FBAR气体传感器一般都是基于质量负载原理,本文对薄膜体声波谐振器的质量传感器原理进行了数值分析,采用Mason模型和有限元模型对质量负载效应进行了数值仿真。采用分立器件设计和制备了基于薄膜体声波谐振器的Pierce振荡器,并采用氧化石墨烯做敏感膜,进行了基于薄膜体声波振荡器的湿度传感研究。并搭建了传感器的气体阵列全自动测试系统,包括气体产生系统,测试腔体以及数据采集系统。采用Invensense提供的MEMS工艺PDK和Global Foundry提供的0.18μm CMOS工艺,进行了 FBAR和CMOS单片集成的振荡器阵列设计,电路部分主要包括振荡器核心,提供偏置的电流源,采用数字异或门的数字混频器,电路的前仿和后仿均显示出了优异的性能和一致性。在4mm*2.5mm的范围内集成了 23个FBAR振荡器。
刘若琳[4]2016年在《柔性声表面波温度传感技术研究》文中认为为了实现旋转类或曲面类温控点表面温度的高精度测量与监测,本文设计了一种基于柔性材料的无源无线声表面波温度传感器,重点研究了柔性SAW温度传感关键技术。采用在聚酰亚胺柔性衬底上溅射ZnO薄膜的方法来制备传感器的压电基底,通过建模仿真验证设计方案的可行性,并由仿真结果分析柔性SAW传感器的结构及性能。论文首先论述声表面波激励和传播的相关理论和叉指换能器的工作原理。对比传统的SAW温度传感器,通过研究压电多层膜结构SAW器件的设计方法以及单端口谐振器的设计理论,确定传感器的结构参数。为了验证柔性SAW器件设计方案的可行性,采用有限元分析软件COMSOL建立了柔性SAW传感器简化模型,对模型进行特征频率分析、模态特性分析以及电学特性分析,提取出符合声表面波振型的对称模态振型图和反对称模态振型图,通过谐振频率分析,计算出SAW在ZnO压电薄膜中传播的相速度为2440.75m/s；得到ZnO薄膜中电势的分布,以及谐振器的声辐射电导和声辐射电纳与谐振频率之间的关系。分析了单端口谐振器的结构参数变化对传感器性能的影响,得出ZnO薄膜厚度为SAW波长的一半时,激励产生的SAW能量集中在基底表面,能量损失很小；传感器的输出响应与IDT叉指对数呈正比,叉指对数越多,输出的损耗越小,频响特性越好；此外,IDT的声孔径越大,声-电转换效率越高,转换输出的电能越大。最后,在不同温度条件下对柔性SAW温度传感器的频率响应进行仿真研究,仿真结果通过一次曲线拟合可以得出传感器谐振频率随温度升高线性增大,表现出良好的频率-温度特性。此外,研究了该柔性SAW传感器的微加工工艺,以及器件制备的工艺流程,为柔性SAW温度传感器的制备提供理论依据。
王文博[5]2016年在《新型声表面波传感器及微流体致动器研究》文中研究说明21世纪以来,老龄化社会逐渐逼近,疾病早期诊断、医疗健康监测领域越来越受到重视。片上实验室、便携式诊断系统、穿戴式监控系统等可以用来做早期疾病诊断,不间断健康监控等,是现代医疗器件和系统的关键技术。而它们的核心便是高灵敏度、高性能的微型传感器和微流体控制的致动器。因此开发此类高性能传感器和微流控元器件就变得越来越重要。声表面波(SAW)器件做为一种现代电子的基础器件,近年来,在传感器和致动器领域备受关注,很多基于SAW的传感器和致动器的新应用纷纷涌现。SAW器件由于其具有的极佳的性能,制造和结构简单、成本低廉、稳定性好和CMOS工艺兼容性强等优点,非常适合于健康医疗电子领域的传感器和致动器应用。本工作主要研究新型的透明和柔性薄膜SAW声波器件,探讨和比较了它们在微流致动和传感方面的应用及性能。并在此基础上,首次提出、研制了基于SAW的细胞裂解器和透明紫外光传感器,为多功能SAW片上实验室的研制和开发打下了良好的基础。本研究工作的主要内容和成果如下：(1)在硅、玻璃和PI衬底上生长高质量ZnO薄膜并制备了新型SAW器件。在叁种薄膜器件的传输曲线上发现了5个谐振峰,分析并确定其对应的声波模态分别为ZnO/Si衬底器件的瑞利波和西沙瓦波,ZnO/玻璃衬底器件的瑞利波和ZnO/PI衬底器件的瑞利波和兰姆波。系统性研究了各个模态的微流体性能,发现ZnO/Si衬底器件的西沙瓦波性能最优,得到了～12.8 crm/s的声致微流速度和-5.8秒的微粒集聚时间；ZnO/玻璃衬底器件具有和硅衬底器件可比拟的性能；ZnO/PI衬底柔性器件则不太适合于微流体领域。在叁种代表性衬底上的微流体研究为薄膜徽流体器件的衬底选择提供了系统性的参考,解决了薄膜微流体器件的衬底适用性问题,具有很大的创新意义。(2)在硅衬底上生长了A1N和27%钪掺杂的AlScN薄膜,并在两种薄膜上制备了新型SAW器件,由于弹性柔化效应,钪掺杂提高了A1N的压电系数西3,AlScN器件的K2得到了超过300%的增强。AlScN器件的微流体特性也得到了大幅度提高,同AIN器件相比,具有2倍的声致微流速度和3倍的液滴驱动速度,同时阈值功率仅为～40%和～70%,通过钪掺杂解决A1N薄膜器件因压电特性较弱不适合微流体应用的问题。(3)为了解决lab-on-a-chip系统中样品前处理过程中细胞裂解的需求,基于SAW的声致微流效应,设计了一种基于SAW器件的新型细胞裂解器,获得了超过95%的细胞裂解效率,为细胞样品的片上裂解给出了创新性解决方案,适合于未来的微流体片上实验室应用。(4)基于ZnO/玻璃SAW器件开发了新型透明紫外传感器,研究了不同温度快速热退火对器件紫外传感性能的影响。在400℃退火条件下器件性能最佳,相较未退火器件频率响应增大了愈20倍,并得到了小于2.4秒的响应速度,具有创新性,解决了紫外传感器件的透明化需求。考虑到玻璃衬底的低廉成本和高透明度,该器件在未来透明传感器件领域很有发展潜力。
冯亚菲[6]2008年在《声表面波器件的制备及其性能研究》文中进行了进一步梳理由于声表面波器件具有小型化、多功能、高频率、高可靠性和数字输出等特性,目前已被广泛应用于移动通信、航空航天、雷达、电子对抗、遥控遥测、广播电视等各类军用和民用电子系统中。因其应用潜力巨大,发展前景广阔,故对声表面波器件的研究具有重大的意义。本文主要是对声表面波器件的制备工艺进行探索,同时,对由声表面波器件构成的振荡电路进行研究。对于声表面波器件的制备主要是高质量压电基底的制备和作为激励、检测信号用的叉指换能器的设计与制做。对于振荡电路的研究主要集中于电路的设计与仿真。选用PZT压电薄膜作为声表面波器件的压电材料层,基片采用的是Au/Cr/SiO2/Si的多层膜结构。通过添加黏结剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP),成功的制备出致密、无裂痕的PZT压电薄膜,经XRD测试,证明了该薄膜具有较好的取向性。在PZT压电薄膜的制备过程中,对富铅度和黏结剂的浓度等关键问题进行了研究。实验证明,在不添加黏结剂的情况下,当退火温度为700℃时,PZT薄膜中铅的含量几乎没有损失。为了既保证PZT薄膜不开裂,又保证PZT薄膜具有一定的厚度,经过大量的反复实验,最终将黏结剂的浓度选定为0.001～0.0015mol/L。最后,对所制备的PZT薄膜的电性能进行了研究,如电滞回线、压电系数和介电常数。其中,Pr=25μc/cm2,Ec=25KV/cm; d 33( eff )=210pC/N;εr=1130F/m。叉指换能器的主要设计参数包括:叉指对数N、叉指周期节长度P、指宽d、指间距b、声孔径w和中心间距L等。本文对各参数设计进行了理论分析,并结合实验室现有的工艺条件,设计出指宽为10μm的叉指换能器的版图。先采用超微粒干版试做版,但由于超微粒干版的质量问题,最后采用47所提供的铬版。对实验室现行的光刻工艺进行了细节上的改良,最后成功的制备出声表面波器件。但叉指换能器经SEM测试发现,指宽约为12μm,指间距约为8μm。两者与设计值相比,略有偏差,在论文中对可能产生偏差的原因进行了分析。对于声表面波振荡电路的研究,侧重于对振荡电路的设计与仿真,包括振荡电路起振条件和电路结构分析等问题。
吴朋林[7]2016年在《气相色谱、富集器和声表面波传感器的集成技术研究》文中指出随着社会的发展,公共环境和工业生产的安全问题越来越引起人们的关注,在诸多检测对象中,对环境中混合气体的分析检测是重要的一环。对于现有的混合气体分析检测仪器,多数由于检测器工作条件苛刻而笨重,或因为仪器无法自动采样、进样而难以普及。SAW气体传感器以其灵敏度高、体积小的特点成为小型化气体检测仪器中检测器的备选方案,气相色谱技术可以对混合气体准确高效分离,气体富集技术可用于对环境气氛的采样,本文主要研究混合气体分析检测仪器中富集器、气相色谱和SAW气体传感器的集成技术。本课题中研究的富集器、气相色谱和SAW气体传感器还没有标准化的器件,因此本文在查询文献、论证方案的基础上,采用试验、分析、优化循环推进的研究方式,在多次的实验中得到优化、合理的集成方案和控制参数。在研究富集器集成控制的过程中,对富集器的发展做了恰当的总结和分析,基于富集器工作特点和测试条件,提出了富集器性能的测试方案;通过分析富集器工作流程,提出基于单稳态触发器的快速加热脉冲产生电路,测试了不同供电电压下的加热效果,以及富集器的性能,管式富集器的富集率提高到56;设计了低温吸附的富集器装置,测试发现低温富集可以显着提高富集器的富集率,相同富集时间下,制冷的富集器可以加快富集器冷却的速度,提升吸附材料的吸附性能,解吸附峰峰高为常温富集时解吸附峰峰高的2倍。本文介绍了气相色谱法和气相色谱仪,提出并为气相色谱实现了基于富集器的自动采样、进样的功能。采用二次富集的方法使色谱柱进样时间缩短为单次富集进样时间的一半。对于声表面波气体传感器,介绍了声表面波器件的结构、原理和敏感机理,介绍了声表面波气体传感器的原理、敏感机理;设计了基于双端谐振型SAW器件的驱动电路和计数模块,设计了SAW气体传感器的封装气室,实现了气室的完全密封,提出了SAW气体传感器作为气相色谱检测器的气室方案;本文提出了基于相似程度来识别SAW气体传感器响应峰和计算响应峰位置的算法程序,给出了源程序和识别计算结果。
周剑[8]2015年在《柔性声表面波器件基础研究》文中指出声表面波(SAW, Surface Acoustic Wave)器件在射频通信滤波器,双工器,射频标签,生物传感、生物医疗、微流体和片上实验室有着广泛的应用。传统的SAW器件大多制作在硅、玻璃等刚性衬底上,然而在实际应用中,对可挠性好、能贴附在任意曲面或不规则物体表面的类皮肤型器件的需求日益增多,如果能开发出一款柔性SAW器件并且把它实用化,将打开和推动基于柔性SAW器件的柔性传感领域和柔性片上实验室,强有力推动电子皮肤、智能蒙皮的应用。为此,本文提出和制备了一种柔性SAW器件,并且将其成功应用于柔性传感领域和柔性片上实验室。论文的主要研究内容如下：①提出并在聚酰亚胺(PD柔性薄膜上制备了ZnO薄膜型柔性SAW器件而且将其应用于传感和微流体领域；②研究了压电ZnO薄膜晶粒结构对柔性SAW器件的影响；③分析了ZnO/PI柔性SAW器件的两个波模式,特别是第二个新的波模式,研究了波长以及压电薄膜厚度对两个波模式的影响；④制备了基于AlN的柔性SAW器件；⑤提出和制备了柔性透明SAW器件。本论文主要研究成果如下：1、提出并制备了柔性SAW器件,成功将其应用于传感和微流体领域。制备的柔性SAW器件性能优良,且同时具有瑞利波和兰姆波两种谐振模式,当ZnO厚度为4 μm,波长λ为10μm的时候,获得的瑞利波频率为198.1 MHz,对应的相速度1981 m/s,机电耦合系数高达1.05%,而兰姆波频率为447 MHz,对应的相速度高达4470 m/s,机电耦合系数为0.8%,两个谐振波的带外抑制都大于18 dB。将制备的柔性SAW器件应用于温度传感时,测得的瑞利波和兰姆波的温度系数(TCF, Temperature Correction Factor)分别为～442和～245 ppm/K;应用于微流体时,当信号电压为9.5 V,液滴为10μL的时候,测得的声线速度高达3.4 cm/s。该结果验证了柔性SAW器件在柔性传感领域和柔性片上实验室的应用前景,相关成果发表于Nature旗下的Scientific Reports等期刊；2、研究了压电ZnO薄膜晶粒结构对柔性SAW器件的影响。改变沉积ZnO薄膜的工艺参数直接影响ZnO薄膜晶粒结构,导致柔性SAW器件的电学性能发生变化。研究表明,当溅射功率为200 W,衬底偏压为-75 V,溅射气压为2 Pa时,ZnO压电薄膜的c轴取向最优,晶粒尺寸最大,而制备的柔性SAW器件性能也最优良,带外抑制最大。当ZnO压电薄膜厚度增加的时候,ZnO压电薄膜质量也随之提高,制备的柔性SAW器件也更加优良,相关成果发表于Journal of Applied Phyisics等期刊；3、分析了ZnO/PI柔性SAW器件的两个波模式,研究了波长以及压电薄膜厚度对两个波模式的影响。柔性SAW器件表现出两个波模式,理论和仿真表明第一个波模式为瑞利波,第二个波模式为So广义兰姆波。提出了高声速压电层在低声速衬底上会产生S0广义兰姆波的猜想,并且制备了AIN/Si的SAW器件对第二个波模式为S0广义兰姆波的猜想进行了验证。研究了不同波长对柔性SAW器件的影响,器件波长λ从32μm减小到10μm,器件的插入损耗减小,带外抑制增大；同时柔性SAW器件的两个波模式频率都增大。对于瑞利波,当波长减小,更多的声波在高声速的ZnO压电薄膜中传播,导致声速的增加,而对于So广义兰姆波的声速,它与瑞利波相速度表现出相反的趋势。研究了厚度的变化对柔性SAW器件的影响,随着厚度的增加,两个波模式的传输信号都更加优良,对于瑞利波,随着厚度的增大,频率和声速都是增加的,而对于兰姆波,随着厚度的增大,频率和波长都是减小的,这表现出了和瑞利波相反的趋势,相关成果发表于Scientific Reports和Microfludics and Nanofludics等期刊；4、制备了基于AlN的柔性SAW器件。系统性研究了在柔性衬底上沉积c轴取向AlN的工艺,采用一层Al过渡层增加AlN和柔性PI衬底的结合力,研究表明,当溅射气压为0.38 Pa, N2/Ar流量比为2：3,溅射功率为414 W,A1过渡层小于100 nm的时候,沉积的AlN薄膜比较优良。制备了基于AlN的柔性SAW器件,谐振频率高达1.66 GHz,声速高达9960 m/s,表明这种结构适合制备柔性高频无线通信系统和柔性高灵敏度传感器,相关成果发表于Thin Solid Films和Journal of Control Science and Engineering等期刊；5、提出和制备了柔性透明SAW器件和传感器。为了制备柔性透明SAW器件,先制备了透明SAW器件,透明电极采AZO薄膜,制备的器件谐振频率高达204.4MHz,机电耦合系数K2为2.06%,透明器件对可见光的透光率高达80%以上。研究表明电极薄膜电阻率至少要低于10 Ω/口,透明SAW器件的性能才会优良。制备了透明SAW器件的温度传感器,器件的TCF约等于50 ppm/K.在柔性玻璃衬底上制备了柔性透明SAW器件,制备了不同厚度不同波长的柔性透明SAW器件,器件带外抑制都高达25 dB,表明制备的柔性透明SAW器件性能优良,相关成果发表于IEEE Electron Device Letters等期刊。
鲍帅[9]2012年在《声表面波MEMS器件研究》文中研究说明声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)是英国物理学家瑞利在研究地震波过程中发现的弹性波,随着SAW技术的快速发展,SAW器件以体积小、功能多、功耗低、稳定性高、可靠性高、易于批量生产等优点,成为叁大固体微电子器件之一,广泛应用在航空航天、雷达、电子等各类军用及民用领域。本课题以声表面波技术为基础,设计了声表面波器件,研究了声表面波器件制备工艺,制作声表面波器件并对其进行测试及优化。本课题主要研究内容如下：①设计不同频率的声表面波器件,使用L-Edit软件设计并绘制掩模板,研究了SAW器件制作工艺,其中包含了研究前烘时间、曝光时间及显影时间等工艺参数对SAW器件叉指电极光刻图形精度的影响,并在此基础上采用Lift-off工艺制作了SAW器件A1电极。②在上述工艺基础上研究了声表面波MEMS陀螺的制作工艺,实验结果表明：使用128°YXLiNbO3为基底,AZ5214型光刻胶,在前烘温度为105℃、时间为60s,曝光时间12s,显影时间65s时,获得良好光刻图形；使用偏光显微镜、台阶轮廓测量仪及非接触式轮廓测量仪对声表面波陀螺金属点阵尺寸进行一致性测试,在5%的误差范围内,金属点阵一致性良好且使用不同测试方法测试结果一致。③研究了声表面波器件测试方法,搭建测试平台测试SAW器件中心频率及插值损耗。测试结果表明：SAW器件测试信号在中心频率附近信号最强,测得的工作频率与设计频率基本保持一致,误差小于10%。④研究优化SAW器件性能的方法,采用脉冲电弧离子镀在SAW传播区域的压电材料表面沉积高声速的类金刚石薄膜(Diamond-like Carbon, DLC),提高SAW器件性能。实验结果表明：真空为2×10-3Pa～4×10-3Pa,频率为3Hz,起弧电压为400V,主回路电压为200V,温度为200℃,镀膜时间为5min时,沉积薄膜连续性最好。沉积不同参数的DLC膜后器件工作频率提高13%～39%。
李海宁[10]2018年在《曲面狭缝间接触压力传感方法及无线监测技术研究》文中进行了进一步梳理接触压力的实时监测对于对象状态监控和故障诊断分析具有十分重要的意义。针对特定的极端环境开展接触压力传感方法研究,已经成为传感器技术发展中面临的重要课题。金属曲面狭缝是一种特殊的极端环境,其在敏感器件尺寸、封装方法和信号传输方法等方面对测量系统提出了更为苛刻的要求。本文围绕曲面狭缝环境,分别开展了基于声表面波(SAW)谐振器和基于应变变形机理的两种接触压力无源无线测量方法研究。从分析曲面狭缝环境的应力分布特点和电磁波耦合特性出发,讨论了置入式传感器尺寸、刚度对狭缝环境中应力分布的影响情况,仿真估算了金属狭缝环境对其内部传感器的电磁屏蔽程度。以此为基础围绕两种不同的传感技术,分别开展了曲面狭缝环境中接触压力信号的获取、转换以及无线传输等关键环节的研究。具体内容如下:(1)基于SAW传感器的无源无线工作模式和周边固支圆膜片几何结构模型,提出一种基于单端SAW谐振器的圆膜片式多层薄膜力敏元件结构,用于曲面狭缝中接触压力的测量,仿真和分析了各层薄膜厚度和弹性模量对输出灵敏度的影响规律。结果显示,圆膜片中心位置的应力分布均匀且连续,是放置单通道高压力灵敏系数谐振器的理想选择。圆膜片空腔的大小是影响力敏元件灵敏度的主要因素。(2)建立单端SAW谐振器的耦合模模型,结合导纳曲线分析了谐振器关键尺寸参数对谐振器性能的影响。采用剥离工艺加工制作了SAW谐振器,分析了各工艺环节中的关键问题。力敏元件的封装采用了柔性薄膜用以有效传递大刚度接触面间的压力。通过开展柔性微带传输线和贴片天线优化设计方法的研究,制作了与SAW谐振器相匹配的无线访问单元。搭建的无源无线接触压力测量系统在0-4Mpa载荷范围内呈现出良好的线性度和测量精度。实验证明,大刚度接触环境中弹性薄膜的使用虽然可以提高压力传递效率,但是同时也会引起传感器的迟滞性误差。(3)基于应变式无源无线接触压力测量方法,提出一种多层薄膜封装的应变式力敏元件结构,各层薄膜的厚度和弹性模量对灵敏度的影响呈现出规律性。介质层的厚度和材料常数是影响力敏元件灵敏度的直接因素。支承基底的弹性模量主要影响应变状态而对挠度影响很小,因此可以通过支承基底弹性模量的合理取值来缓解应力集中现象。基于无线通信技术,搭建了接触压力无线测量系统并分析了信号处理的关键环节,实现了应变敏感信号的准确获取和稳定传输。应变式接触压力测量系统的加卸载测试结果表明,系统呈现出良好的线性度、测量精度和迟滞性。综上所述,本文利用无源无线传感技术在特殊极端测量环境中的优势,提出了曲面狭缝间接触压力测量方法,论文研究了曲面狭缝环境中接触压力信号的获取、转换以及无线传输关键环节,形成了大刚度接触面环境中力敏元件的设计方法和封装原则,通过仿真分析和实验测试,验证了薄膜力敏元件在曲面狭缝中的作用规律,揭示了力敏元件关键参数(各层厚度和弹性模量)对传感器灵敏度的影响机理。以无源无线方式实现曲面狭缝环境中接触压力敏感信号的测量,既为传感器的进一步工程化应用提供了理论依据,同时也对其他类似极端环境中物理量的测量具有指导性意义。本课题来源于国家自然科学基金课题“封闭球型壳体狭缝间作用力监测方法研究”,项目编号11076007。本文的部分研究成果已经成为曲面狭缝间传感器进一步工程化应用的理论依据,同时对未来成熟传感器产品的设计、封装及测试具有指导性意义。
参考文献：
[1]. 基于MEMS的声表面波器件设计与制作的关键技术研究[D]. 刘庆辉. 国防科学技术大学. 2004
[2]. 基于MEMS技术的声表面波微驱动器件[D]. 高阳. 上海交通大学. 2010
[3]. 声波谐振器及其传感器应用研究[D]. 轩伟鹏. 浙江大学. 2017
[4]. 柔性声表面波温度传感技术研究[D]. 刘若琳. 南京理工大学. 2016
[5]. 新型声表面波传感器及微流体致动器研究[D]. 王文博. 浙江大学. 2016
[6]. 声表面波器件的制备及其性能研究[D]. 冯亚菲. 黑龙江大学. 2008
[7]. 气相色谱、富集器和声表面波传感器的集成技术研究[D]. 吴朋林. 电子科技大学. 2016
[8]. 柔性声表面波器件基础研究[D]. 周剑. 浙江大学. 2015
[9]. 声表面波MEMS器件研究[D]. 鲍帅. 西安工业大学. 2012
[10]. 曲面狭缝间接触压力传感方法及无线监测技术研究[D]. 李海宁. 电子科技大学. 2018
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