微型谐振气体传感器动态多场耦合特性分析

摘要

传感器技术被称为现代信息技术的三大支柱技术之一。由于微型谐振气体传感器尺寸小、结构简单、灵敏度高和稳定性好等优点，在消费电子行业、汽车行业、航空航天以及化工和医疗等领域应用前景广阔。本文主要对微型谐振气体传感器在多场耦合条件下的动力学特性进行分析，利用MEMS技术设计研制微型传感器，并进行检测实验。
　　首先，建立了微型谐振气体传感器机械-化学-分子力三场耦合动力学模型，推导出三场耦合自由振动方程，利用多尺度法求出瞬时频率表达式，分析了微型谐振气体传感器系统参数对三场耦合条件下传感器固有频率和瞬时频率的影响规律。
　　然后，建立了微型谐振气体传感器机-电-化学-分子力四场耦合动力学模型，推导出四场耦合自由振动和受迫振动方程，求出瞬时频率表达式。分析了四场耦合条件下电场力对传感器固有频率和瞬时频率的影响规律以及多物理场之间的相互影响规律。
　　利用泰勒级数展开对分子力和电场力加入非线性项，求出非线性条件下微型谐振气体传感器的固有频率和瞬时频率表达式，进行了非线性误差分析，完成了传感器四场场耦合条件下的非线性动态特性分析。
　　利用MEMS技术制作了微型谐振气体传感器，利用测试系统进行了传感器的初始固有频率和瞬时频率检测以及分子力影响规律的验证实验，并对实验现象进行了分析，证明了理论分析的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 微型谐振气体传感器三场耦合自由振动特性分析

2.1 悬臂梁动力学模型

2.2 悬臂梁化学反应模型

2.3 分子力计算公式

2.4 悬臂梁三场耦合自由振动方程

2.5 结果分析

2.6 本章小结

第3章 微型谐振气体传感器四场耦合振动特性分析

3.1 电场力的分析

3.2 悬臂梁四场耦合自由振动分析

3.3 悬臂梁四场耦合受迫振动分析

3.4 结果分析

3.6 本章小结

第4章 微型谐振气体传感器四场耦合非线性振动特性分析

4.1 分子力与电场力非线性展开

4.2 非线性误差计算

4.3 固有频率求解

4.4 庞加莱法非线性振动求解

4.5 振动方程系数项分析

4.6 结果分析

4.7 本章小结

第5章 微型谐振气体传感器的研制与实验

5.1 材料的选择

5.2 光刻加工

5.3 硅片腐蚀

5.4 真空镀膜

5.5 传感器的封装

5.6 谐振气体传感器振动实验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢