SU-8胶光弹性微力传感器的研究

发布时间：2017-11-18 13:30

  本文关键词：SU-8胶光弹性微力传感器的研究

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【摘要】：随着对微纳米领域科学研究的不断深入,获取微纳米尺度下物体的力学信息已经成为了研究的热点问题。微力传感器作为MEMS领域中一种重要的微传感器件,能够实现对微纳米尺度下物体的力的测量,被广泛地应用于生物医学、材料化学等领域,并有效地帮助了这些学科取得创新与进展。因此,设计一款具有工艺简单、周期短、成本低,同时灵敏度高、生物兼容性优良、功耗小等特点的微力传感器有着重要的意义。SU-8胶是一种环氧树脂型光刻胶,由于其优良的机械特性、加工特性以及生物兼容性,被广泛地应用于MEMS领域。同时,作为一种光弹性材料,SU-8胶具有良好的光弹性性能。当SU-8胶的内部存在应力时,光束透过后由于光弹性效应会产生双折射现象。光弹性作为一种有效分析和解决光弹性材料结构应力的非接触式实验测量方法,在工程、材料、医学等宏观领域得到了应用,而在MEMS领域的研究却少有报道。本文提出了一种基于光弹性原理的微力测量方法,并基于该方法利用SU-8胶的光弹性效应完成了微力传感器的设计与制作。首先,本文对光弹性原理进行了分析,并对基于光弹性原理的微力测量方法进行了理论验证,对传感器微力测量系统光路进行了设计。其次,对SU-8胶的光弹性性能进行了研究。其中,获取SU-8胶应力光学系数是研究的关键所在。因此,本文设计、搭建了SU-8胶光弹性显微测量光路,并推导了其应力光学系数的计算公式。然后,对通过MEMS工艺制作得到的SU-8胶试样进行了拉伸实验,完成了SU-8胶应力光学系数的测量,其测量值为(3.007+0.081)×10-11m2/N,为微力传感器的设计与制作奠定了基础。最后,依照所提出微力测量方法,设计了微力传感器的结构并对其进行了仿真,通过微制造工艺完成了传感器的制作,并对工艺参数进行了优化。在建立接收光信号与光弹性微力传感器受力关系的基础上,搭建了传感器性能测试实验装置,在SU-8胶材料光弹性条纹的单个半级数范围内完成了性能测试实验。实验结果表明：所设计的传感器的测量区间为0-3000μN,力的灵敏度为1.26667x10-6/μN,线性度误差为8.64%,重复性误差为4.59%,分辨率优于301μN。由测试结果可知,所设计的微力传感器可以实现测量外界微力的大小,并且其工艺简单、制作周期短。此外,由于SU-8胶具有生物兼容性以及光弹性法非接触测量等特点,这种传感器在生物医学、材料化学等领域有着良好的应用潜力和价值。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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本文编号：1199976