基于MEMS薄膜压电谐振器与氧化石墨烯的湿度传感器
发布时间：2022-12-11 00:23
湿度传感器作为常见的传感器之一,广泛应用于气象学、工业过程控制、农业种植和食物仓储等领域。随着物联网的发展,新兴的湿度传感器应用领域比如智能家居与健康医疗等,除了对湿度传感器的湿度响应性能有要求外,还对湿度传感器提出了智能化、集成化、微型化以及低成本化的需求。目前,实现湿度传感器微型化及低成本化最有效的途径是利用MEMS技术来制备MEMS湿度传感器,而MEMS湿度传感器中的压电谐振式湿度传感器相比于其他类型的MEMS湿度传感器,具有灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强、测试量程大及测试信号准数字型输出等优势,更适合应用到物联网中。针对目前在研的MEMS压电谐振式湿度传感器存在综合湿度响应性能有待提高、湿敏材料在器件表面涂覆工艺重复性差、湿度响应分析缺少理论与实验验证、以及器件难以进一步集成与微型化的问题,本文以能与CMOS工艺相兼容的AlN薄膜作为压电材料,结合表面重掺杂的Si组成AlN/Si层状结构,来制备具有良好化学与热稳定性的压电谐振器,同时以亲水性能好、吸水脱水速度快的氧化石墨烯（GO）碳纳米薄膜作为湿敏材料,围绕覆膜压电谐振器的综合湿度响应性能、GO膜在压电谐振器表面的涂覆工艺、覆...
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 MEMS湿度传感器
1.2.1 湿度及MEMS湿度传感器概述
1.2.2 MEMS湿度传感器的分类
1.2.3 湿敏材料
1.3 压电谐振器
1.3.1 压电效应及压电材料
1.3.2 压电谐振器的概述与发展
1.3.3 压电谐振器的理论基础
1.3.4 压电谐振式传感器的性能参数
1.3.5 压电谐振式湿度传感器的研究进展
1.3.6 压电谐振式湿度传感器所面临的问题
1.4 氧化石墨烯湿敏材料
1.4.1 氧化石墨烯的概述
1.4.2 氧化石墨烯层间的水分子传输机制
1.5 论文的研究内容与框架
1.6 本章小结
第2章 压电谐振器与氧化石墨烯的加工制备及湿度测试平台的搭建
2.1 引言
2.2 MEMS压电谐振器加工
2.2.1 压电谐振器材料与结构的选择
2.2.2 压电谐振器的加工工艺
2.3 氧化石墨烯的制备和表征
2.3.1 氧化石墨烯溶液的制备
2.3.2 氧化石墨烯材料的表征
2.4 湿度测试平台的搭建
2.5 本章小结
第3章 声表面波谐振式湿度传感器及氧化石墨烯薄膜的涂覆工艺
3.1 引言
3.2 声表面波谐振器的设计
3.2.1 反射栅的设计
3.2.2 单端SAW谐振器的设计
3.2.3 双端SAW谐振器的设计
3.3 声表面波谐振器结合氧化石墨烯薄膜在湿度检测中的性能探究
3.3.1 SAW谐振器结构参数的选择
3.3.2 SAW谐振器的加工及氧化石墨烯薄膜的涂覆
3.3.3 静态湿度影响测试
3.3.4 动态湿度响应测试
3.3.5 湿度选择性测试
3.3.6 温度稳定性测试
3.4 表面张力法制备均匀且厚度可控的氧化石墨烯薄膜
3.4.1 实现氧化石墨烯膜均匀且厚度可控的意义及方法分析
3.4.2 表面张力法制备氧化石墨烯薄膜及薄膜转移的具体操作步骤
3.4.3 氧化石墨烯薄膜的厚度标定和表征
3.4.4 SAW湿度传感器的结构参数选取及器件标定
3.4.5 静态湿度响应测试
3.4.6 动态湿度响应测试
3.5 真空抽滤法制备大批量的均匀氧化石墨烯薄膜
3.5.1 真空抽滤法的介绍
3.5.2 滤膜的选择及抽滤的过程
3.5.3 氧化石墨烯薄膜的剥离及厚度标定
3.5.4 SAW谐振器的结构参数及电学测试参数
3.5.5 静态湿度响应测试
3.5.6 动态湿度响应测试
3.6 本章小结
第4章 声表面波谐振式湿度传感器的响应特性
4.1 引言
4.2 声表面波传感器响应特性的理论分析
4.2.1 声波传播过程中的扰动
4.2.2 SAW谐振式传感器的响应特性
4.3 环境湿度变化对氧化石墨烯薄膜电学特性的影响
4.3.1 叉指电极结构的设计与加工
4.3.2 交流复阻抗分析法
4.3.3 氧化石墨烯薄膜在不同湿度下的复阻抗特性及湿敏特性分析
4.3.4 测试信号频率大小对氧化石墨烯薄膜复阻抗特性的影响
4.4 环境湿度变化对氧化石墨烯薄膜粘弹性的影响
4.4.1 利用QCM测试薄膜粘弹性的介绍
4.4.2 QCM覆膜前后的Mason模型
4.4.3 不同湿度下覆膜QCM器件电特性的测试及氧化石墨烯薄膜剪切模量与厚度的提取
4.5 声表面波谐振式湿度传感器具体的响应特性
4.6 本章小结
第5章 谐振式微压电悬臂梁湿度传感器的研究
5.1 引言
5.2 谐振式微压电悬臂梁湿度传感器的性能探究
5.2.1 微压电悬臂梁湿度传感器的设计与加工
5.2.2 微压电悬臂梁湿度传感器的响应特性分析
5.2.3 微压电悬臂梁湿度传感器的湿度响应测试
5.3 减小等效法质量法提高微压电悬臂梁湿度传感器的相对灵敏度
5.3.1 器件的设计与分析
5.3.2 器件的湿度响应测试
5.4 高阶模态法提高微压电悬臂梁湿度传感器的绝对灵敏度
5.4.1 器件的设计与分析
5.4.2 器件的湿度响应测试
5.5 本章小结
第6章 谐振式微压电悬臂梁湿度传感器在人体呼吸监测中的应用
6.1 引言
6.2 人体呼吸监测系统的设计
6.3 谐振式微压电悬臂梁湿度传感器的激励与检测
6.3.1 闭环自激振荡电路
6.3.2 湿度传感器的闭环测试
6.3.3 自激振荡电路的稳定性
6.4 人体呼吸的模拟监测
6.4.1 呼吸频率的跟踪测试
6.4.2 不同呼吸模式的跟踪模拟
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 论文总结
7.2 论文创新点
7.3 论文展望
参考文献
作者简介及攻读博士学位期间的成果
作者简介
发表的学术论文
国家专利
奖励及荣誉
【参考文献】：
期刊论文
[1]物联网时代:传感器将迎来黄金十年[J]. 杨忠敏. 中国公共安全. 2014(06)
[2]物联网时代传感器低成本化发展的思考[J]. 张永战,贺立龙,朱亮. 物联网技术. 2012(12)
本文编号：3717793
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 MEMS湿度传感器
1.2.1 湿度及MEMS湿度传感器概述
1.2.2 MEMS湿度传感器的分类
1.2.3 湿敏材料
1.3 压电谐振器
1.3.1 压电效应及压电材料
1.3.2 压电谐振器的概述与发展
1.3.3 压电谐振器的理论基础
1.3.4 压电谐振式传感器的性能参数
1.3.5 压电谐振式湿度传感器的研究进展
1.3.6 压电谐振式湿度传感器所面临的问题
1.4 氧化石墨烯湿敏材料
1.4.1 氧化石墨烯的概述
1.4.2 氧化石墨烯层间的水分子传输机制
1.5 论文的研究内容与框架
1.6 本章小结
第2章 压电谐振器与氧化石墨烯的加工制备及湿度测试平台的搭建
2.1 引言
2.2 MEMS压电谐振器加工
2.2.1 压电谐振器材料与结构的选择
2.2.2 压电谐振器的加工工艺
2.3 氧化石墨烯的制备和表征
2.3.1 氧化石墨烯溶液的制备
2.3.2 氧化石墨烯材料的表征
2.4 湿度测试平台的搭建
2.5 本章小结
第3章 声表面波谐振式湿度传感器及氧化石墨烯薄膜的涂覆工艺
3.1 引言
3.2 声表面波谐振器的设计
3.2.1 反射栅的设计
3.2.2 单端SAW谐振器的设计
3.2.3 双端SAW谐振器的设计
3.3 声表面波谐振器结合氧化石墨烯薄膜在湿度检测中的性能探究
3.3.1 SAW谐振器结构参数的选择
3.3.2 SAW谐振器的加工及氧化石墨烯薄膜的涂覆
3.3.3 静态湿度影响测试
3.3.4 动态湿度响应测试
3.3.5 湿度选择性测试
3.3.6 温度稳定性测试
3.4 表面张力法制备均匀且厚度可控的氧化石墨烯薄膜
3.4.1 实现氧化石墨烯膜均匀且厚度可控的意义及方法分析
3.4.2 表面张力法制备氧化石墨烯薄膜及薄膜转移的具体操作步骤
3.4.3 氧化石墨烯薄膜的厚度标定和表征
3.4.4 SAW湿度传感器的结构参数选取及器件标定
3.4.5 静态湿度响应测试
3.4.6 动态湿度响应测试
3.5 真空抽滤法制备大批量的均匀氧化石墨烯薄膜
3.5.1 真空抽滤法的介绍
3.5.2 滤膜的选择及抽滤的过程
3.5.3 氧化石墨烯薄膜的剥离及厚度标定
3.5.4 SAW谐振器的结构参数及电学测试参数
3.5.5 静态湿度响应测试
3.5.6 动态湿度响应测试
3.6 本章小结
第4章 声表面波谐振式湿度传感器的响应特性
4.1 引言
4.2 声表面波传感器响应特性的理论分析
4.2.1 声波传播过程中的扰动
4.2.2 SAW谐振式传感器的响应特性
4.3 环境湿度变化对氧化石墨烯薄膜电学特性的影响
4.3.1 叉指电极结构的设计与加工
4.3.2 交流复阻抗分析法
4.3.3 氧化石墨烯薄膜在不同湿度下的复阻抗特性及湿敏特性分析
4.3.4 测试信号频率大小对氧化石墨烯薄膜复阻抗特性的影响
4.4 环境湿度变化对氧化石墨烯薄膜粘弹性的影响
4.4.1 利用QCM测试薄膜粘弹性的介绍
4.4.2 QCM覆膜前后的Mason模型
4.4.3 不同湿度下覆膜QCM器件电特性的测试及氧化石墨烯薄膜剪切模量与厚度的提取
4.5 声表面波谐振式湿度传感器具体的响应特性
4.6 本章小结
第5章 谐振式微压电悬臂梁湿度传感器的研究
5.1 引言
5.2 谐振式微压电悬臂梁湿度传感器的性能探究
5.2.1 微压电悬臂梁湿度传感器的设计与加工
5.2.2 微压电悬臂梁湿度传感器的响应特性分析
5.2.3 微压电悬臂梁湿度传感器的湿度响应测试
5.3 减小等效法质量法提高微压电悬臂梁湿度传感器的相对灵敏度
5.3.1 器件的设计与分析
5.3.2 器件的湿度响应测试
5.4 高阶模态法提高微压电悬臂梁湿度传感器的绝对灵敏度
5.4.1 器件的设计与分析
5.4.2 器件的湿度响应测试
5.5 本章小结
第6章 谐振式微压电悬臂梁湿度传感器在人体呼吸监测中的应用
6.1 引言
6.2 人体呼吸监测系统的设计
6.3 谐振式微压电悬臂梁湿度传感器的激励与检测
6.3.1 闭环自激振荡电路
6.3.2 湿度传感器的闭环测试
6.3.3 自激振荡电路的稳定性
6.4 人体呼吸的模拟监测
6.4.1 呼吸频率的跟踪测试
6.4.2 不同呼吸模式的跟踪模拟
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 论文总结
7.2 论文创新点
7.3 论文展望
参考文献
作者简介及攻读博士学位期间的成果
作者简介
发表的学术论文
国家专利
奖励及荣誉
【参考文献】：
期刊论文
[1]物联网时代:传感器将迎来黄金十年[J]. 杨忠敏. 中国公共安全. 2014(06)
[2]物联网时代传感器低成本化发展的思考[J]. 张永战,贺立龙,朱亮. 物联网技术. 2012(12)
本文编号：3717793
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