纳米结构薄膜型气敏传感器的研究进展

薄膜型气敏器件对气体具有探测灵敏度高、响应时间快、制备成本较低、易于小型化等特点,并且适于制备微型传感器,因此成为近年来传感器研究的重点。将纳米结构材料制作成薄膜型气敏传感器,具有常规传感器不可替代的优点:纳米结构构成的固体材料具有庞大的界面,提供了大量气体通道,从而大幅度提高了灵敏度和降低了工作温度,并可缩小传感器的尺寸。文章主要介绍了当前国内外纳米结构薄膜型气敏传感器的研究现状,概述了几种常见的纳米结构单元薄膜的气敏特性,扼要地分析了今后纳米薄膜型传感器的研究趋势。     

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。     

TiO2纳米粒子增强的光纤损失模式共振折射率传感器

以多模光纤为基底来实现损失模式共振(LMR)折射率传感的灵敏度较低，在利用铟锡氧化物(ITO;In₂O₃和SnO₂的质量分数分别为90%和10%)激发光纤LMR传感的基础上，在ITO薄膜上静电组装二氧化钛(TiO₂)纳米粒子，实现折射率灵敏度的提升。使用Kretschman结构模型对传感器进行理论分析，仿真分析了LMR共振阶数与ITO薄膜厚度的关系，以及ITO作为LMR膜层实现折射率传感的可行性。通过在光纤侧壁磁控溅射ITO薄膜以产生LMR效应，制备ITO-LMR折射率传感器。通过折射率传感实验对ITO-LMR和TiO₂-ITO-LMR两种传感器进行性能测试，在1.3333～1.3840的折射率变化范围内，TiO₂-ITO-LMR传感器灵敏度可达1651.659 nm/RIU，相较于ITO-LMR折射率传感器，其灵敏度提升了3.058倍。     

电阻应变效应与电阻应变式传感器

 电阻应变式传感器是直接利用电阻应变片将应变转化为电阻变化的传感器,具有灵敏度高、稳定性好等优点,因此广泛应用于力矩、压力、加速度、重量等测量领域。一、电阻应变效应外力作用于金属或半导体材料,使其发生机械变形,此时金属或半导体材料的电阻值就会随之发生变化,这种现象称为“电阻应变效应”。对于一根金属电阻丝,设其电阻率为ρ、长度为l、横截面积为S,则在未受力时,金属电阻丝的原始电阻为R=ρl/S。当金属电阻丝受到拉力作用时将伸长dl,横截面积相应减少dS,电阻率改变dρ,从而引起金属电阻的变化dR=ρdl/S+ldρ/S-ρldS/S2。     

铝诱导层交换超薄多晶硅薄膜制备及压阻特性

超薄多晶硅薄膜具有优异的压敏特性。铝诱导层交换(ALILE)制备多晶硅薄膜具有成膜温度低薄膜性能优良等特点。利用ALILE方法在玻璃基底上低温条件下制备了50 nm超薄多晶硅(poly-Si)薄膜,并对薄膜微观结构及压阻特性进行了研究。Raman光谱在521 cm-1出现尖锐、对称的特征峰,表明超薄多晶硅薄膜晶化状态良好。此外,在拉曼光谱480 cm-1处没有明显出现a-Si的Raman特征峰也说明制备的poly-Si薄膜样品完全结晶;XRD光谱表明ALILE制备薄膜在(111)和(220)晶向择优生长,晶粒尺寸约5 μm;霍尔效应测试结果表明：ALILE制备薄膜为p型掺杂,空穴浓度为9×1018～6×1019 cm-3;压阻特性研究表明：ALILE超薄多晶硅薄膜应变系数(GF)达到了60以上,且与薄膜厚度相关;应变温度相关系数(TCGF)在-0.17～0%℃范围内;电阻温度相关系数(TCR)在-0.2～-0.1%℃范围内。ALILE超薄多晶硅薄膜具有GF大、TCGF小和TCR小等特点。因此,有望在压力传感器领域得到应用。     

基于薄包层极大倾角光纤光栅的灵敏度增强型振动传感器

提出了一种薄包层极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器,采用基于标准单模光纤的极大倾角光纤光栅,从理论上分析包层半径的减小对波导色散因子、包层模的有效折射率、轴向应变灵敏度因子、轴向应变灵敏度及模式阶数的影响,并进行数值仿真,为其振动传感增敏方法提供理论依据。然后使用氢氟酸腐蚀光纤包层,构成不同直径的极大倾角光纤光栅并进行相关振动传感实验。实验结果表明:在40~200 Hz的频率范围内,随着包层直径的减小,极大倾角光纤光栅振动传感器在C波段的同阶和不同阶TE/TM模加速度灵敏度逐渐增大,且两者之间具有较好的线性关系;其中,同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度分别可达到100.46 mV/g与88.68 mV/g,相对于标准直径极大倾角光纤光栅振动传感器分别提高了1.36倍、1.53倍;不同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度可达到159.35 mV/g与133.37 mV/g,分别提高了2.15倍、2.31倍。     

ZnO薄膜硅微压电矢量水听器

提出了一种基于ZnO压电薄膜的硅微压电矢量水听器,其核心部件是利用微电子机械系统(MEMS)技术制作的悬臂梁结构压电加速度计。由近似解析和有限元分析,得出加速度计的灵敏度和谐振频率,并在此基础上对其进行了优化设计。研制了MEMS压电加速度计,并装配后构成MEMS矢量水听器。测试结果表明:加速度灵敏度在20~1,200 Hz范围内约为0.83 mV/(m/s2)。经过液柱法测量,在1 kHz时,MEMS矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5 dB (ref.1V/μPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB以上。      

基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器

针对桥梁加速度传感器原位校准时标准传感器的选取问题,提出了一种基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器。通过力学模型分析传感器谐振频率与灵敏度,根据桥梁原位校准要求对传感器结构进行参数优化,并进行静应力分析、模态分析和谐响应分析,最后制作传感器实物并进行标定。实验结果表明：传感器谐振频率为460 Hz,灵敏度约为43 pm/g,横向干扰能力程度5.7%,可用于桥梁上加速度监测。     

基于金银合金薄膜的近红外表面等离子体共振传感器研究

利用淀积在玻璃衬底上的金银合金薄膜作为表面等离子体共振(SPR)芯片, 构建了Kretschmann结构的近红外波长检测型SPR传感器. 采用不同浓度的葡萄糖水溶液测试了金银合金薄膜SPR传感器的折射率灵敏度. 实验结果表明随着入射角从7.5°增大到 9.5°, SPR吸收峰的半高峰宽从292.8 nm 减小到 131.4 nm, 共振波长从 1215 nm蓝移到 767.7 nm, 折射率灵敏度从35648.3 nm/RIU 减小到 9363.6 nm/RIU.在相同的初始共振波长(λ_R)下获得的金银合金薄膜SPR折射率灵敏度高于纯金膜(纯金膜在λ_R=1215 nm下的折射率灵敏度为29793.9 nm/RIU). 利用1 μmol/L的牛血清蛋白(BSA)水溶液测试了传感器对蛋白质吸附的响应.结果表明, BSA分子吸附使得金银合金薄膜SPR吸收峰红移了12.1 nm而纯金膜SPR吸收峰仅红移了9.5 nm. 实验结果还表明, 在相同λ_R下, 金银合金薄膜SPR吸收峰的半高峰宽大于纯金膜的半高峰宽, 因此其光谱分辨率比纯金膜SPR传感器低. 关键词： 金银合金薄膜 表面等离子体共振 波长检测型 高灵敏度     

电阻应变式传感器原理及其应用举例

电阻式应变传感器应用广泛, 可将位移、 压力、 加速度等非电物理量转换成电阻变化, 从而进行信息采 集. 利用大学物理和物理实验课程中包含的基础知识, 分析电阻应变式传感器的原理并介绍实际使用的典型实例, 以期为大学物理教学提供一个综合的应用型案例     

微米光栅加速度计的加工与性能研究

介绍了一种以微米衍射光栅为敏感元件的微机电加速度计敏感头的加工和性能。硅质量块底部加工有铝反射膜,透明玻璃基底上制作有金微米光栅,中间为空气腔,经硅玻璃阳极键合,构成敏感头的核心敏感部件。光源透过透明基底,照射在光栅上,在反射场内会产生一系列衍射级次,且各级次衍射光强与外界加速度之间呈函数关系。完成了微米光栅加速度计敏感头的加工,搭建了实验测试平台,完成了加速度计的灵敏度以及静电驱动性能测试。为未来新型集成式微米光栅加速度计设计和加工提供参考。     

Pressure effects in AlAs/Inx Ga1-xAs/GaAs resonant tunnelling diodes for application in micromachined sensors

This paper reports the current-voltage characteristics of [001]-oriented AlAs/InxGa1-xAs/GaAs resonant tunnelling diodes （RTDs） as a function of uniaxial external stress applied parallel to the [110] and the [1^-10] orientations, and the output characteristics of the GaAs pressure sensor based on the pressure effect on the RTDs. Under [110] stress, the resonance peak voltages of the RTDs shift to more positive voltages. For [1^-10] stress, the peaks shift toward more negative voltages. The resonance peak voltage is linearly dependent on the [110] and [1^-0] stresses and the linear sensitivities are up to 0.69 mV/MPa, -0.69 mV/MPa respectively. For the pressure sensor, the linear sensitivity is up to 0.37 mV/kPa.     

适用于硅微谐振器件测量的光纤位移传感器研究

对一种适用于硅微机械谐振器件测量的光纤位移传感器进行了研究,该光纤位移传感器探头采用了单根光纤探测形式和光纤“X”耦合器结构,在微弱光电传感信号处理上采用了“锁相放大器”提取方案,可以实现对静态位移和振动位移两种场合进行测量.对该传感器的实测结果表明:该传感器测量范围为0～100 μm,测量灵敏度3.95 mV/μm,精度等级优于1%,重复性优于0.5%.为作为应用实例,运用该传感系统对一种微悬臂梁硅微谐振器件进行了测量,成功提取了硅微谐振器件的微弱谐振信号,证实了该传感器可以实现对硅微谐振器件的非接触和无损测量,并具有非接触、易调试、高灵敏度等优点.     

Simulation and fabrication of carbon nanotubes field emission pressure sensors

A novel field emission pressure sensor has been achieved utilizing carbon nanotubes (CNTs) as the electron source. The sensor consists of the anode sensing film fabricated by wet etching process and multi-wall carbon nanotubes (MWNTs) cathode in the micro-vacuum chamber. MWNTs on the silicon substrate were grown by thermal CVD. The prototype pressure sensor has a measured sensitivity of about 0.17-0.77 nA/Pa (101-550 KPa). The work shows the potential use of CNTs-based field-emitter in microsensors, such as accelerometers and tactile sensors.     

All-fibre optical system for exciting and detecting the vibration of silicon microresonator sensors

An all-fibre optical system for optical interrogation and detection of the vibrations of a silicon microresonator is reported. Metal-coated silicon microresonators are excited by intensity modulated laser light delivered through an optical fibre, while the vibration of the resonators is detected by an optical fibre interferometer. Measurements have shown that an average optical power of 10 μW is sufficient to maintain the flexural vibration of the resonator. When the resonator is used as a pressure sensor, its resonant frequency changes from 62 kHz to 130 kHz as the pressure varies from -0°6 bar to 1 bar (gauge). A silicon resonator with 700 nm aluminium coating functions as a temperature sensor, showing a frequency shift from 262 kHz to 251 kHz when the temperature changes from 25 °C to 80 °C.     

强度调制的啁啾光纤光栅加速度传感器

设计了一种基于啁啾光纤布拉格光栅的新型加速度传感器,该传感器主要由矩形悬臂梁构成的传感机构和光纤光谱仪及光电探测器组成。导出了啁啾光纤布拉格光栅的反射谱带宽与加速度的关系;通过光谱仪检测啁啾光纤布拉格光栅反射谱的带宽或检测光电探测器输出的电压,即可获得加速度的大小。实验结果表明,该啁啾光纤布拉格光栅反射谱带宽及光电探测器输出的电压对温度变化不敏感,且在0~700m/s2测量范围内,反射谱带宽与加速度间具有良好的线性关系。由于反射谱带宽展宽造成了光纤布拉格光栅反射率的降低,因此光电探测器输出电压的线性响应范围只能达到0~35 m/s2,带宽和电压灵敏度分别达到0.005 6nm·m-1·s-2和0.785 6m V·m-1·s-2。     

基于激光直写的微流光学触摸传感阵列

设计并制作了一种基于激光直写技术的光学触摸传感器件。该器件采用光学微流结构实现对外加压力的连续比例测量。器件制作采用紫外激光直写技术配合高精度平移台实现,整体工艺过程在3min内完成。对所设计的传感器件的性能测试表明,光强信号随外力变化的曲线平滑,实测灵敏度为0.995mV/kPa。同时设计并制作了基于传感单元的阵列结构,不仅消除了光学累积误差,而且对集成化触摸传感的应用具有优势。     

High-sensitivity,fiber-optic,flexural disk hydrophone with reduced acceleration response

Abstract

A hydrophone consisting of a hollow cylinder whose flexible, circular end plates are bonded to pairs of pat, spiral wound coils of optical fiber is described. When the end plate/disk is deformed due to a pressure difference, the outer and inner fiber coils experience opposite strains resulting in a “push—pull” optical path length difference which is detected in an all-fiber Michelson interferometer. The close proximity of the interferometric fiber coils, separated by the thin thermally conducting end plate, rejects thermal gradient-induced signals. The addition of a second identical end plate and fiber coil pair at the opposite end of the cylinder will double the acoustic sensitivity while canceling acceleration induced signals. The calculated and measured optical strain of a single simply supported plate, single-coil sensor (8.0 cm diameter, 3.0 mm thickness) using static pressure, acoustic pressure, and acceleration are in good agreement and yield a sensitivity of 0.21 rad/Pa (ΔΦ/ΦΔP = -301 dB re I μPa-1) below its resonance frequency of 3 kHz. The calculated and measured strain for a dual clamped disk (4.5 cm diameter, 1.0 mm thickness) acceleration-canceling sensor with four 8-m coils are in good agreement also and yield a sensitivity of 1.0 rad/Pa (ΔΦ/ΦpΔP = -291 dB re 1 μPa^?1) below the disk resonance frequency of 4.5 kHz. These are the highest fiber-optic, omnidirectional hydrophone sensitivities reported to date.