机电集成微型谐振气体传感器研究

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谐振式气体传感器是一种将气体的种类和浓度转换为可测电信号的装置。谐振式气体传感器具有高灵敏性,较好的选择性和重复性,以及响应时间很短等特点。谐振式气体传感器的物理尺寸越小,其灵敏度越高。但是,由于加工工艺和检测技术的条件影响,谐振式气体传感器的纳米化受到了很大的制约。本文提出了一种新型机电集成谐振式传感器,通过在一般微米传感器上添加180度反馈进行闭环调节,在不减小尺寸的情况下提高了微米梁传感器的灵敏度。本文着重分析了集成微米传感器的瞬时频率响应和灵敏度特性,并对集成微米传感器进行了闭环实验。  本文首先建立了悬臂梁机械、化学和分子力三场耦合动力学模型,求出了悬臂梁传感器的固有频率和瞬时频率表达式,分别对微米和纳米悬臂梁谐振传感器的振动特性进行了研究。  然后,建立了添加180度反馈的机电集成悬臂梁谐振式传感器振动模型,求出了机电集成悬臂梁振动的瞬时频率和灵敏度表达式,并对比分析了微米梁、集成微米梁和纳米梁传感器的振动特性。  在外部热激励条件下,建立了悬臂梁传感器的双层梁动力学模型,求出了双层梁在热激励情况下的固有频率和瞬时频率。在不同分子力状态下,分别对集成微米梁和纳米梁振动进行了瞬时频率响应分析和灵敏度响应分析。  最后,依据现有的实验条件,设计出合理的微悬臂梁制作方案,利用MEMS加工技术加工出高精度的谐振元件。在原有的测试系统上设计出微谐振传感器180度反馈调控模块,进行了集成谐振传感器扫频测试和闭环180度反馈实验。实验结果表明:机电集成微米传感器灵敏度得到了明显提高,验证了180度闭环反馈提高传感器灵敏度的可行性。
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