微悬臂梁气体传感器研究Word格式文档下载.docx
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本文将就微悬臂梁气体传感器的墓前发展状况、原理、制作工艺、弯曲测量方式等几个方面进行分析。
正文：
一、 微悬臂梁气体传感器的发展
1858年，人们最早发现在对薄片金属基底进行镀膜时，基底本身会被发生弯曲变形。
尽管这种由于分子在界面上的吸附而导致的基底变形现象很早就被发现，但在当时并为引起太多的注意。
直到1943年Norton在他申请的一份专利中提出:
利用氢气在金属把表面的吸附效应来制造一种把/白金的双金属片氢传感器。
1969年Shaver用一根长100mm，宽5mm，厚125µ
m的钯/银双金属悬臂梁进行了实验，证实了Norton的想法。
1979年美国橡树岭国家实验室的Taylor等人用这一方法对更多的气体进行了实验:
他们用一根长100mm，单面镀有80nm金的镍材料悬臂梁研究了He，HZ，NH3，和HZS的吸附现象。
虽然陆续有实验对这种传感方法进行研究，但始终没有取得比较大的进展。
其主要原因在于:
用来传感的悬臂梁
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尺寸受限于当时的制造工艺水平，不能做的很微小。
AFM微悬臂梁的制造工艺日趋成熟后，利用微悬臂梁作为传感器的报道也越来越多。
Itoh等人在微悬臂梁上镀上一层二氧化锌薄层，利用不同于光学读出的压电弯曲检测单元的传感器。
Cleveland等人报道了当在AFM探针的尖端上有微小粒子沉积时，可以探测在微梁上由于纳克变化所带来的共振频率的改变。
Thundat等人对此问题进行了研究，结果显示:
当环境的温度、相对湿度发生变化时，微悬臂梁会产生相应的弯曲变形。
此外，当AFM处于动态的工作方式中时，环境的变化也会造成微悬臂梁的频移。
受此结果启发，Thundat等继续研究了汞蒸汽出现在环境中时微悬臂梁产生的频移。
自此以后，人们逐渐认识到，虽然在AFM的工作中这种“噪声”需要竭力避免，但在另一方面，它却可被当成一种灵敏的传感方法，这也正与之前Norton等人提出的想法相合。
于是，最初被用于AFM中的扫描探针成为了一种新型的传感器件。
接下来的几年内，
Thundat【2】研究小组和IBM的Lang研究小组以及UC Berkly的研究组对微悬臂梁作为传感器进行深入的研究，为这项技术的发展做出了巨大的贡献。
二、 微悬臂梁气体传感器的机理；
微悬臂梁气体传感器的基本结构是MEMS微悬臂梁。
微悬臂梁工作于谐振状态下,悬臂梁频率可用下式表示
EI
rA
l2
f=i
i 2pL2
式中fi为第i阶谐振频率;
L为悬臂梁长;
A为悬臂梁截面积;
E为悬臂梁材料杨氏模量;
I为惯性矩;
ρ为密度;
λ为第i阶模态常数。
对于尺寸固定、材料性能稳定的微悬臂梁而言,其谐振频率主要与密度,即质量相关。
微悬臂梁气体传感器是在微悬臂梁表面通过IC光刻工艺涂覆可吸附气体分子的敏感层,常用材料为SnO2,TiO2,ZnO,掺杂聚酰亚胺、聚异丁烯等。
敏感层通过化学物理原理可以实现对某一类或某一种气体的吸附,吸附量同环境气体
体积分数变化成线性关系。
微悬臂梁吸附气体分子,即改变了质量,谐振频率也随之发生改变。
通过检测谐振频率即可得知环境气体变化。
也可以通过测量其微小的弯曲量的改变来进行测量，从而可以得知空气内某种气体的含量。
三、微悬臂梁的设计和制作
微悬臂梁利用PZT的压电效应，在交流电压的作用下产生动态变形，即谐振。
假设微悬
臂梁在外加电压作用下产生的是纯弯曲，则其力学模型可以用下图表示。
在z向均布载荷f的作用下，微悬臂梁上的应力为
（L-x）2
sx,z= 2I fz
微悬臂梁的变形方程可以表示为
z（x）=
fx2（6L2-4Lx+x2）
24EI
式中L为梁的长度;
E和I则是梁的杨氏模量和截面惯性矩。
又根据压电材料的压电方程，在电场的作用下，PZT层中产生的应力则可以表示为
P=srd+Ec
式中P为极化强度;
E为电场强度;
d为压电应力系数（向量）;
c为介电系数（向量）。
PZT薄膜采用溶胶一凝胶旋涂而成，上下电极为Pt/X2.5Ti制成。
微悬臂梁的尺寸为970拼
mX30o拌m拜r以。
微悬臂梁利用体微机械加工技术制作。
出了微悬臂梁制作的主要步骤。
首先双面热生长510:
和LPCVDSi3N‘层，它们是微悬臂梁的最底层的材料，同时也是下一步和第6步的掩蔽;
第2步在背面的510:
和Si3N;
上形成图形，并用40环KOH在50OC下湿法腐蚀外露的Si至一定深度;
第3步是上下电极及压电层的形成，R/Ti溅射后利用Lift一
off技术形成上下电极图形，PZT溶胶一凝胶旋涂后在HCI和NH.F混合溶液作用下湿法腐蚀形成图形;
第4步利用PECVD技术淀积一层510:
，并形成梁上金表面和引线图形;
第5步应用蒸发和Li众一off技术形成引线和金表面;
第6步利用RIE从背面干法刻蚀剩下的Si，释放并形成微悬臂梁。
四、悬臂梁的弯曲测量
测量悬臂梁的弯曲可以使用许多方法，包括光学、压阻、压电、电容和电子隧穿【4】等方法。
3.1光学方法
光学方法广泛用于在检测AFM的微悬臂梁弯曲变形的实验中，包括光学干涉、光学梁倾斜和光杠杆等技术。
其中光杠杆法是相对简单也是使用最普遍的悬臂梁弯曲探测方法，垂直分辨力可达到10-10m。
该方法的基本原理如图3-1-1所示，半导体激光器发出的激光束在微悬臂梁表面反射后进入光电位置敏感器（PositionSensitiveDetector，PSD）的接收靶面，当微悬臂梁发生弯曲变形时，激光束随之发生的偏移，PSD将此偏移信息转化为相应的电信号输出，检测此输出信号即可实现对微悬臂梁变形的检测。
图3-1-1光杠杆测量微悬臂梁变形的示意图
在微悬臂梁表面性质均匀的前提下，微悬臂梁的弯曲变形可用一个圆弧R来表示来描述。
假设微悬臂梁的长度为1，扰度为△Z，PSD上光束的偏移量为△S，光臂长为L，通过简单
的几何分析，可得到以下关系:
△Z=l*△s/4L
根据对PSD的分辨率（小于0.1µ
m）以及典型的系统几何参数（l=200µ
m，L=40mm）的分析，该方法至少可探测出微悬臂梁端部0.Inm的变形值。
3.2压阻法
压阻效应是指半导体材料在应力作用下,禁带宽度发生变化,引起载流子的浓度和迁移率发生变化,从而使材料的电阻率发生变化。
在硅悬臂梁上的合适区域进行掺杂，悬臂梁弯曲
的时候，会引起掺杂区的电阻变化，因此，可以通过掺杂区的电阻变化来表征悬臂梁的偏转。
目前，显示出较强的压阻效应的材料是掺杂的单晶硅。
悬臂梁上掺杂区的电阻变化可用惠斯通电桥来检测。
压阻法的优点是其信号读出电路可以和CMOS工艺兼容，并且不受悬臂梁周
围介质的影响。
压阻法的缺点是读出信号过程中有电流流过悬臂梁，导致悬臂梁发热而产生附加的悬臂梁弯曲和电阻变化。
另一方面压阻法无法应用在液体环境中。
3.3压电法
当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就会产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；
当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；
当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；
晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
利用这种效应，在悬臂梁表面淀积压电材料（通常是ZnO），当悬臂梁弯曲时，在压电层就会产生感应电荷，感应电荷的多少就反映了悬臂梁的弯曲程度。
压电法的优缺点与压阻法的大致相同。
3.4电容法
电容法的测量原理是如果改变两块平行板之间的距离，则两块平行板之间的电容就会改变。
将悬臂梁作为可动的平行板，则悬臂梁弯曲的变化就可以通过电容的变化来表征。
3.5电子隧穿方法
电子隧穿己经应用于原子力显微镜测量微悬臂梁的弯曲。
当隧道尖端与微悬臂梁的距离在亚纳米量级时，在它们之间施加偏压V，会产生隧道电流。
这种方法具有非常高的灵敏度，能够测量出微悬臂梁端部10-4nm的变形量，但是对设备要求非常高，现在应用很少。
学习微悬臂梁气体传感器后端检测电路的设计；
结束语：
本文主要从微悬臂梁气体传感器的发展、原理、制作以及其弯曲测量方法等方面进行阐述、分析，知道其原理是通过在悬臂梁上涂一层气体敏感材料，根据气体敏感材料对气体的吸附改变质量形成弯曲或民率等的变化来实现对某种气体的测量。
含气敏材料的气体传感器是MEMS工艺引出的新的气体检测方案。
该方法灵敏度高,结构简单可靠,功耗低,加工成本低，相比其他方法更易于小型化和集成化。
进一步提高检测的灵敏度和高通量检测应该是未来发展的核心。
参考文献
【1】何道清，张禾和湛海云，传感器与传感技术，.北京:
科学出版社，2008.；
【2】周继明和江世明，传感技术与应用，长沙:
中南大学出版社，2005.；
【3】左伯莉，化学传感器原理与应用，北京:
清华大学出版社，2007；
【4】董永贵，传感技术与系统，北京:
清华大学出版社，2006.；
【5】李凯，博士毕业论文，合肥:
中国科学技术大学，2006.；
课程设计总结
根据本篇论文的创作，对悬臂梁式气体传感器有了更加深入的了解，理解了微悬臂梁气体传感器的敏感机理，理解微悬臂梁传感器的工作原理，知道了微悬臂梁气体传感器的表面修饰技术和MEMS制备工艺，并掌握其制备工艺与测试技术。
这对以后的学习将会有很大的帮助，但是这篇论文对传感器的研究还很肤浅，希望在以后的学习工作中可以继续深入。
在此特感谢太惠玲老师对我完成论文的支持和帮助。
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