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基于MEMS技术的流体测量和流体控制器件

作　者: 易亮
导　师: 马瑾；欧毅
学　校: 山东大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微型剪切应力传感器微型振动射流执行器流体测量技术壁面减阻
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

MEMS技术是当今科学研究的前沿热点。基于MEMS技术的微型器件在流体测量技术和流体主动控制技术上的优势越来越受到人们的重视。本论文从单个器件着手,采用全镂空真空阳极键合来设计制作微型热剪切应力传感器,并利用静电驱动方式设计制作了微型振动射流执行器,分别用于流体力学中壁面边界层剪切应力的测量和飞行器的减阻控制。本论文完成的主要工作包括:1)完成了热剪切应力传感器的仿真设计和全镂空真空阳极键合关键工艺的研究。在深入探讨微型热剪切应力传感器的原理和模型仿真的基础上,确定了低应力的SiN_x作为隔膜,并开发出了全镂空真空阳极键合关键工艺来制作绝热真空腔。以大小为2μm×100μm的铂金条作为热敏电阻,利用真空阳极键合工艺将硅片与磷硅玻璃(corning 7740)键合形成绝热真空腔。传统的牺牲层工艺形成绝热空腔工艺过程复杂,尤其是腐蚀分离时,由于液体的烘干会使可变形的微结构在表面张力作用下与衬底粘接,使空腔无法形成。而基于真空阳极键合工艺的热剪切应力传感器的制作工艺避免了传统的复杂牺牲层工艺,大大简化了工艺制作过程,绝热腔内压强为0.05Pa。2)对三种不同结构的热剪切应力传感器的绝热能力进行了深入研究。对带有真空腔,带有空气腔和无绝热腔体三种传感器进行绝热比较实验,结果显示具有真空腔的热剪切应力传感器绝热效果是具有空气腔的热剪切应力传感器绝热效果的1.17倍,是无绝热腔体的热剪切应力传感器绝热效果的40倍。3)完成了热剪切应力传感器信号处理电路的设计、制作并完成了器件风洞测试实验。在深入探讨了剪切应力与热敏电阻热量之间的对应关系上,设计出了恒流模式下的传感器信号处理电路,使得边界层输入流体状态与输出电压信号的对应关系得以实现。在5m/s-20m/s的风洞环境中对热剪切应力传感器的性能进行了测试,器件时间常数小于5百微秒,响应频率达到2KHZ,响应灵敏度为9.877mv/(m/s)。4)完成了基于静电驱动的微型振动射流执行器的仿真设计和制作。在学习探讨了飞行器飞行过程中壁面阻力的主要来源的基础上,仿真设计了微型振动射流执行器,振动片在静电力的作用下上下振动,在振动片向上振动的半个周期内,振动片对近壁面的流动直接进行作用;在振动片向下振动的半周期内,振动片底部的空腔体积减小,空腔内的流体受到挤压而从振动片上的小孔喷出,形成射流,对近壁面的流动进行作用,防止或抑制了涡流对与壁面的相互作用,从而达到减小飞行器壁面阻力的作用。

全文目录

中文摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章引言  12-38
  1.1 流体测量与流体主动控制技术  12-19
  1.2 基于MEMS技术的流体测量与流体主动控制技术的研究进展  19-32
    1.2.1 国外研究现状及其分析  19-32
    1.2.2 国内研究现状及其分析  32
  1.3 本课题的意义及研究目标  32-33
  1.4 本论文的主要研究内容  33-34
  参考文献  34-38
第二章微型热剪切应力传感器和微型振动射流执行器的测量和控制原理  38-49
  2.1 基于热敏电阻的微型热剪切应力传感器的测量原理  38-42
  2.2 微型振动射流执行器的壁面减阻原理和驱动原理  42-46
    2.2.1 微型振动射流执行器在飞行器壁面减阻应用中的控制原理  42-44
    2.2.2 基于静电驱动的微型振动射流执行器的驱动原理  44-46
  2.3 微传感器，微执行器和控制电路组成的飞行器壁面减阻控制系统  46-47
  参考文献  47-49
第三章微型热剪切应力传感器的设计、制作与测试  49-76
  3.1 微型热剪切应力传感器的设计  49-60
    3.1.1 传感器的结构设计与仿真  49-54
    3.1.2 传感器材料的选择  54-60
      3.1.2.1 热敏元件材料  54-60
      3.1.2.2 绝热空腔横隔膜材料  60
  3.2 微型热剪切应力传感器的制作工艺  60-68
    3.2.1 传感器制作关键工艺研究  60-66
      3.2.1.1 低应力SiN_x薄膜的应力控制  60-63
      3.2.1.2 体硅腐蚀工艺  63-65
      3.2.1.3 Crystalbond 59芯片正面保护工艺研究  65-66
    3.2.2 传感器制作工艺流程  66-68
  3.3 微型热剪切应力传感器的测试  68-74
    3.3.1 温度电阻系数  68-69
    3.3.2 绝热性能测试  69-72
    3.3.3 响应频率和时间常数  72-73
    3.3.4 风洞实验  73-74
  参考文献  74-76
第四章微型振动射流执行器的设计、制作和测试  76-89
  4.1 微型振动射流执行器的结构设计  76-82
    4.1.1 执行器的设计和仿真  76-82
    4.1.2 执行器材料的选择  82
  4.2 微型振动射流执行器的制作工艺  82-85
    4.2.1 执行器制作关键工艺研究  82-83
    4.2.2 执行器制作工艺流程  83-85
  4.3 微型振动射流执行器的测试  85-88
    4.3.1 外加电压下执行器振动片的偏移位移  85-86
    4.3.2 显微镜下拍摄到的执行器一个周期内的上下振动  86-87
    4.3.3 后续工作  87-88
  参考文献  88-89
第五章结论  89-91
  5.1 结论  89-90
  5.2 后续工作  90-91
致谢  91-93
攻读硕士学位期间发表论文和所受奖励  93-94
学位论文评阅及答辩情况表  94

基于MEMS技术的流体测量和流体控制器件

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