【摘 要】
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气体检测传感器是仪器科学领域中最活跃的技术之一,在医学、生物以及国防等众多场合都发挥着关键作用。随着新型气体传感器登上实时快速检测的舞台,快速识别复杂气体、高灵敏度、小型化等目标也对气体传感器性能提出了诸多挑战。得益于微机电加工技术（MEMS）的迅猛发展,电容式微超声传感器（CMUT）已经从其传统的超声技术领域转向更多的传感应用,如气体传感、湿度传感等,这都与其谐振频率受许多物理量影响分不开,而与
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气体检测传感器是仪器科学领域中最活跃的技术之一,在医学、生物以及国防等众多场合都发挥着关键作用。随着新型气体传感器登上实时快速检测的舞台,快速识别复杂气体、高灵敏度、小型化等目标也对气体传感器性能提出了诸多挑战。得益于微机电加工技术（MEMS）的迅猛发展,电容式微超声传感器（CMUT）已经从其传统的超声技术领域转向更多的传感应用,如气体传感、湿度传感等,这都与其谐振频率受许多物理量影响分不开,而与传统的谐振类气体传感器相比,CMUT具有最小检测限低、振膜质量较小、阵元中敏感单元数目多等优势,近些年受到国内外研究工作者的大量关注。本文以电容式微超声传感器气体检测为应用目标,开展了敏感单元设计与仿真、CMUT阵列气体传感器设计、谐振特性与气体传感特性分析、CMUT气体传感器加工与气体检测实验等方面的工作,具体研究内容包括:1.分析CMUT的气体检测原理,对敏感单元的基本工作参数进行仿真设计,并基于计算质量灵敏度和品质因数的机电耦合模型,以提高传感性能为目标,研究了敏感单元的能量耗散机制,进一步优化敏感单元,确定了应用于气体传感的CMUT敏感单元各尺寸参数。2.基于硅-玻璃阳极键合的工艺,本文设计了具有金线通道的敏感单元,从而实现电气连接;设计了二氧化硅和单晶硅复合材料薄膜,在优化品质因数的同时达到绝缘目的;针对混合气体检测目的,设计了一种行列寻址的阵列化气体传感器,通过上下交错的电极设计有效减小了寄生电容,最终制定了CMUT气体传感器的制作工艺流程。3.针对CMUT的气体传感应用,研究了静电力和应力对振膜谐振频率和质量灵敏度影响情况。通过气体传感实验,验证了振膜位移在大挠度形变范畴内,应力对振膜灵敏度起到极大改善作用。4.对加工完成的器件进行敏感层修饰与表征分析,并进行有机气体与无机气体传感测试。通过分析实时采集的响应曲线,对器件灵敏度进行评价。实验结果表明本文所设计的电容式微超声气体传感器具有理想的质量灵敏度,对响应曲线的线性拟合结果表明器件频率响应与浓度线性关系良好。
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