微悬臂梁气体传感器研究
悬臂梁电阻应变综合测量实验总结与体会
悬臂梁电阻应变综合测量实验总结与体会一、实验目的二、实验原理三、实验步骤四、实验结果与分析五、误差分析六、实验体会一、实验目的本次悬臂梁电阻应变综合测量实验的主要目的是通过对悬臂梁在受力情况下电阻值和应变值的测量，来掌握电阻应变片的基本原理和测量方法，并学习如何进行数据处理和误差分析，提高实验操作能力和数据处理能力。
二、实验原理1. 悬臂梁受力分析在本次实验中，我们使用了一根长度为L，截面积为A，杨氏模量为E 的金属杆作为悬臂梁。
当该杆受到外力F时，由于其自身刚度限制，会发生形变。
此时，在距离支点x处处取一个微小长度dx，在这个微小长度内，由于形变而产生的微小位移dy可以表示为：dy = (F * x / EI) * dx^2其中EI是弯曲刚度系数。
2. 应变计原理应变计是一种利用金属电阻率随应变而发生改变来进行应变测量的传感器。
在本次实验中，我们使用的是电阻应变片。
当应变计受到外力而发生形变时，其内部的电阻值也会随之发生变化。
根据欧姆定律，电阻值和电流、电压之间的关系为：R = V / I由此可以得到应变计输出的电压与其内部电阻值之间的关系：V = R * I在本次实验中，我们使用了一个称为“维氏桥”的电路来测量应变计输出的电压，并通过计算来得到应变值。
三、实验步骤1. 实验器材准备：悬臂梁、应变计、维氏桥等。
2. 实验前准备：将悬臂梁固定在实验台上，并将应变计粘贴在悬臂梁上。
3. 测量初始长度：使用游标卡尺等工具测量悬臂梁初始长度L0。
4. 测量外力：使用天平等工具测量施加在悬臂梁上的外力F。
5. 测量电阻值：通过连接维氏桥和应变计，测量应变计输出的电压，并根据维氏桥的原理得出应变计内部电阻值R。
6. 测量应变值：根据应变计输出的电压和内部电阻值，计算出应变值。
7. 测量位移：通过连接位移传感器等工具，测量悬臂梁在受力情况下的微小位移。
8. 数据处理：根据测量结果，计算出悬臂梁的弯曲刚度系数EI，并绘制出应变与位移、应变与电阻值之间的关系图。
一种微悬臂梁气体传感器及其制作方法
一、概述随着科技的不断发展，传感器技术在各个领域中的应用也在不断拓展。
其中，气体传感器作为一种重要的传感器类型，在环保监测、工业控制、医疗诊断等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在介绍一种新型的微悬臂梁气体传感器及其制作方法，希望能为相关研究和应用提供参考。
二、微悬臂梁气体传感器的原理1. 微悬臂梁结构微悬臂梁气体传感器是一种基于微纳技术的传感器，其主要结构包括悬臂梁、传感层和敏感器。
其中，悬臂梁是传感器的关键部件，其主要作用是在气体作用下发生微小的位移，从而实现对气体浓度的检测。
2. 工作原理当待测气体进入传感器内部时，气体分子与传感层发生作用，使传感层发生变化，从而导致悬臂梁产生微小位移。
这种微小位移可以通过传感器测量装置进行精确测量，最终实现对气体浓度的检测。
三、制作微悬臂梁气体传感器的方法1. 制备悬臂梁需要选择合适的材料，如硅、玻璃等，通过光刻、腐蚀等工艺制备出悬臂梁的结构。
在此过程中，需要严格控制工艺参数，确保悬臂梁的结构稳定、尺寸精确。
2. 涂覆传感层传感层的选择和涂覆工艺对传感器的性能有着重要影响。
在选用合适的传感层材料后，需要通过旋涂、溅射等工艺将传感层均匀涂覆在悬臂梁上，并进行后续的固化处理，以确保传感层的稳定性和传感性能。
3. 敏感器的组装与调试将制备好的悬臂梁和传感层与检测电路等部件组装在一起，形成完整的微悬臂梁气体传感器。
随后，通过精密的调试和校准，使其达到预期的性能指标。
四、微悬臂梁气体传感器的优势1. 高灵敏度由于微悬臂梁的微小结构特性，使传感器对气体浓度具有较高的灵敏度，可以实现对于微小浓度变化的准确检测。
2. 快速响应微悬臂梁气体传感器在气体作用下能产生迅速的微小位移，使得传感器具有快速响应的特性，适用于对气体浓度快速变化的应用场景。
3. 稳定性高采用微纳制造工艺制备的微悬臂梁传感器具有结构紧凑、稳定性高的特点，能够长期稳定地工作在各种环境条件下。
五、微悬臂梁气体传感器的应用展望基于其优越的性能特点，微悬臂梁气体传感器在环境监测、医疗诊断、工业生产等领域具有广泛的应用前景。
微悬臂梁结构氢气传感器的制作研究
!
引言
随 着煤、 石油 等不 可再 生资 源 的 日益 减 少， 寻找
氢 气传 感器 ， 它是 将 , - , . 技 术 与光 纤 传 感技 术 相 结 合， 使 其在 具有 常规 光纤 氢 传感 器 特 征的 同 时， 还 具备 , - , . 器 件 体 积 小 、 响 应 快、 易集成、 稳 定性 好、 成本 低、 易批 量生 产等 特点。
［ %］ #$$ 倍于 自 身 体 积 的 氢 气 。 吸 入 的 氢 气 与 !" 发
生可逆反应， 生 成 氢 化 物， 从而引 起晶格常数 的变 化 。在吸 氢达 到平 衡 状 态时 ， ! 相 的 !" 膜 晶 格 常 数 比 纯 !" 膜大 % & ， 晶 格 常 数 的 增 大 会 引 起 !" 膜 体 积 的明 显膨胀 。对 于细 长形 状的 !" 膜 而言 ， 体积的 改 变主 要 体 现 在 长 度 方 向 的 伸 长 变 形 。 由 于 衬 底 这 样 !" 膜 的变 ’ ( ) ’ * 薄 膜和 +, 基 底均 不吸 收氢 气， 形 将 驱 动整 个 悬 臂 梁 结 构发 生 弯 曲 ， 从而压缩贴于 悬 臂梁 上的光 栅栅 距。 由布 拉格 方程 可知 !- . ! " （ /） 式中 ： ! 为光纤模式 ! 为 中 心 反 射 波 长， " 为栅距， 的有 效折 射率 。当 栅 距 " 发 生 改变 时 ， 光栅的发射 波长 就会 发 生 改 变 。由 理 论 推 导 可 知 ， 光纤布拉格
微 悬 臂 梁 结 构 氢 气 传 感 器 的 制 作 研 究
邱显涛， 陈吉安
（上海交通大学 微纳米科学技术研究院 薄膜与微细技术教育部重点实验室， 上海 !" "" *" ）
用于痕量胺类同系物检测的谐振式微悬臂梁传感器
基 于 微 机 电 系 统 （ ｃｏ ｌ ｔ Ｍ ｃ ａｉａ Ｍｉｒ Ｅｅ ｒ ｅｈ ｎｃｌ ｃｏ
势 Ｊ ， 但鲜见将谐振式微悬臂梁传感 器用 于胺类
物质 检测 的报 道 。 根据 质 量 型化 学 传感 器 的工 作原 理 ， 质量 型 在 换能 器种 类及规 格 一 定 的情 况下 ， 增 加 敏感 薄膜 若
【Ｊ ｅ
Ｆ 同 Ｒ
（） ｔ
用 于痕量 胺类 同系物 检测 的谐振 式硅 微机 械悬 臂梁 使用 电热 激励 、 阻检测 ， 压 激励 和检测 电阻均集
成在 悬臂 梁之 上 ， 长度 、 宽度 和 厚 度 分别月 ０１
传 感 技 术 学 报
Ｃ Ｎ Ｓ ＯＵ ＡＬ ＯＦ Ｓ Ｎ Ｏ ＮＤ ＡＣ ＵＡ ＯＲＳ ＨＩ Ｅ Ｅ Ｊ ＲＮ Ｅ Ｓ ＲＳ Ａ Ｔ Ｔ
Ｖ０ ． ４ Ｎｏ． １２ ９
Ｓ ｐ． ０１ ｅ ２ １
Ｄｅ ｅ ｔ ｎ ｏ ａ ｅＡｍｉ ｅ Ｈｏ ｌｇ ｅ ｔ ｓ ｎ ｎ ｉｒ － ｎ ｉ ｖ ｒ Ｓ ｎ ｏ ｓ ｔ ｃｉ ｆＴｒ ｃ ｏ ｎ ｍｏ ｏ ｕ ｓ ｗｉ Ｒｅ ｏ ａ ｔＭ ｃ ｏ Ｃａ ｔ ｅ ｅ ｅ ｓ ｒ ｈ ｌ
Ｓ Ｍｓ 、 Ａ ） 聚合 物 以及 碳 纳 米 管 等 。但 上 述 敏 感 材 料 在 比表 面积 、 活性 位点 数量 、 稳定性 等方 面存 在一 定
（） ｄ 正面刻蚀 ： 用光刻胶做掩模 ， 使用感应耦合 等离子 体深刻 蚀 （ｎｕｔｅ ｏｐ ｄＰ ｓ ａＤ ｅ Ｉｄｃｖｌ Ｃｕ ｌ ｌ ｍ ｅ ｉ ｙ ｅ ａ ｐ
本文 研究 采用先 将羧 基基 团修 饰 于 Ｓ Ａ一 ５介 Ｂ １ 孔 材料 中 ， 后将 该 功 能化 介 孔材 料 负 载 于 集 成谐 然
表面应力对微悬臂梁传感器本征频率的影响
表面应力对微悬臂梁传感器本征频率的影响1李凯，张青川†，伍小平中国科学技术大学，中科院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 (230027)E-mail：zhangqc@摘要：在对微悬臂梁传感器本征频率的分析中，一般都忽略了表面应力的影响，由此计算出的吸附质量可能是不精确的。
为此，本文从表面应力和单位表面自由能的关系出发，把表面自由能算入微悬臂梁运动的总能量中，根据哈密顿原理推导出微悬臂梁运动的控制微分方程，得到了任意阶本征频率的解析解。
分析表明：表面应力对微悬臂梁传感器本征频率的影响是由表面弹性常数决定的,当表面应力与表面应变无关时，这种影响可以不考虑，但在一般情况下这种影响是不可忽略的。
关键词：表面应力, 表面自由能, 微悬臂梁, 本征频率1. 引言原子力显微镜[1]发明以来，微悬臂梁传感技术[2]得到了迅速的发展。
将微悬臂梁表面进行特殊的修饰处理之后，其可将特定的外部信号转化为自身的机械响应（图1），监测这种响应便可实现传感。
实验报道了此技术在温度探测[3],非制冷红外成像[4]，化学气体检测[5]，爆炸物监测[6],DNA双链杂交[7]，抗原-抗体配对结合[8],蛋白质构象变化[9]等涉及物理，化学和生物领域中的应用。
微悬臂梁传感器工作的方式有两种，一种是静态的：检测传感过程中微悬臂梁产生的静态弯曲变形实现传感（图 1.a）。
另一种是动态的：检测传感过程中微悬臂梁振动的本征频率变化实现传感（图 1.b）。
相对于静态检测方式，动态检测方法无需对系统进行标定，抗噪声能力比较强。
实验已报道了用此方法可探测到10-18g量级的质量改变[10]。
在对动态检测方式的分析中，一般都不考虑表面应力对本征频率的影响，但也有报道[11]指出这种做法是不合适的。
有关这个问题的分析虽然不多，但其对于准确的解释现有的实验结果却是很重要的。
Chen等人[11]采用振弦模型进行分析：用一根两端固定的弦代替微悬臂梁，将表面应力等效为弦的张力，通过求解弦的运动来分析表面应力对本征频率的影响。
【国家自然科学基金】_微悬臂梁_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140729
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53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93
振动控制 抗原抗体 微纳器件 微电子机械系统 微机电系统(mems) 微悬臂梁模型 微加速度计 微力传感器 异质薄膜卷膜 应变效应 平台 多悬臂梁-单质量块 基因芯片 固有频率 发电机 反铁电薄膜(plzt) 双层结构 双层悬臂梁量热计 压电微悬臂梁 单层压电微执行器 动态特性的测试 动态特性 力学行为 冲击激励 偶应力理论 低温 优化设计模拟 优化设计 仿真分析 两变量方法 三维微触觉力传感器 三层材料梁 tini基形状记忆合金薄膜 soi晶圆 si微细加工技术 sige纳米环 mesfet mems测试 gaas dna ansys仿真
科研热词 推荐指数 微悬臂梁 7 片上磁分离 2 敏感层 2 免疫传感器 2 高灵敏度 1 遥控器 1 选择性探测 1 谐振器 1 表面修饰 1 聚甲基丙烯酸环氧丙酯磁微球 1 结构参数 1 红外探测器 1 碳纳米管 1 硒化镉量子点标记的磁微球 1 痕量爆炸物探测 1 电磁驱动 1 生化传感 1 灵敏度 1 气体传感器 1 正交试验 1 横向效应 1 极差分析 1 方差分析 1 接触可靠性 1 折射率 1 折叠梁 1 悬臂梁 1 微继电器 1 微硅梁 1 微电铸 1 微电子机械系统 1 微机电系统(mems) 1 微机电系统 1 微机械技术 1 微执行器 1 微加速度计 1 微加速度开关 1 微力传感器 1 建模 1 失效模式 1 可靠性 1 发电装置 1 发电 1 原子力显微镜(afm) 1 原子力显微镜 1 压阻效应 1 压阻式 1 压电系数 1 压电振子 1 压电悬臂梁 1 压电 1 动态模式 1
平面内谐振式微悬臂梁生化传感器的设计与制造
待测 物质 ． 并将 因吸 附 而 引起 的 悬臂 梁等 效 质 量 的
改变 转换 为谐 振 频 率 的 变 化 ＿ 。该 方 法 在 高 性 能 ２ Ｊ 现场 生化 监控 和识 别领 域 有着 光 明的前 途 。
构上间 隙很 窄 ， 用 于液 体环 境 中时 ， 面 临的 液体 在 其
低频 率 的平 面外模 态 。
效质 量通 常远 远小 于悬 臂 梁 有 效 质 量 ｍ舭 但 是 ，
如后 面 的第 ３部分所 述 。 在液 体介质 中振 动 时 ， 需要
考 虑这一 项 。
在 流体 中 ， 谐振 式传 感 器 的 Ｑ值 取 决 于系 统 的
速度成正 比的阻尼力 ＿ 。。这种作 用会强烈 地影响谐 ９ 。
振器 的动态响应 ， 尤其是悬臂梁 的谐振频率 ¨ ：
卜 ＋ 斋 ｌ Ｌ ｍ ｇ ２
的质 量灵 敏度 的表达 式 为 ：
ｓ一 一
、
子 注入 的方式分 别埋 置于 两个微 梁 中。微梁 与支撑 梁 的距离 经过优 化 ， 使得悬 臂梁结 构平 面 内谐 振 时 ， 质 量块正 向平 动与 反 向转 动 相 抵 消 ， 而实 现 了微 从 梁 在轴 向 的直 拉直 压 。当周期性 脉 冲 电流施 加在 加 热 电阻上 时 ， 微梁会 在轴 向上周 期性 地受热 膨胀 ． 从 而使质 量块结 构在 平面 内运 动 。另 一侧 的则微 梁会 相应地 在轴 向上周 期 性 地 被压 缩 ， 中的 压 敏 电阻 其
Ａ ｓ ａ ｔＡ ｈ ｈＱ ｆｃｏ（ ｕ ｌｙｆ ｔ ）ｎｐａｅｍ ｄ ｅｏ ａ ｔ ａ ｔｅｅ ｅ ｓｒｉ ｄｖｌｐｄｆｒｒａ ｔ ｅｂｏ ｂ ｔ ｃ ： ｉ — ｔ ｑ ａ ｔ— ｃｏ ｉ－ｌ － ｏ ｅｒｓｎ ｎ ｃｎｉ ｖｒｓｎ ｏ ｓ ｅｅ ｅ ｏ ｅｌ ｉ ｉ ｒ ｇ ａ ｒ ｉ ａ ｒ ｎ ｌ ｏ —ｍ ／
飞秒激光加工不锈钢微型悬臂梁的工艺研究
飞秒激光加工不锈钢微型悬臂梁的工艺研究王英;李玉华;王新林;廖常锐;陆培祥【摘要】为了研究飞秒激光对不锈钢材料的加工工艺,采用基于飞秒激光材料烧蚀的微细加工方法,深入研究了飞秒激光高效高质量微细加工不锈钢材料的工艺条件与参量优化,并应用于微型不锈钢悬臂梁的制作.分析了激光能量密度、激光扫描速度、重复扫描次数对加工形貌和蚀除速率的影响,制作出了高质量的微米量级的不锈钢微型悬臂梁.结果表明,飞秒激光微细加工是一种极具前途与极具柔性的微机电系统器件加工手段.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)003【总页数】4页(P347-350)【关键词】激光技术;飞秒激光;微加工;微型悬臂梁;参量优化【作者】王英;李玉华;王新林;廖常锐;陆培祥【作者单位】华中科技大学,光电子科学与工程学院,武汉光电国家实验室,武汉,430074;华中科技大学,光电子科学与工程学院,武汉光电国家实验室,武汉,430074;南华大学,电气工程学院,衡阳,421001;华中科技大学,光电子科学与工程学院,武汉光电国家实验室,武汉,430074;华中科技大学,光电子科学与工程学院,武汉光电国家实验室,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TG665;TN249引言微型悬臂梁以其结构相对简单、应用广泛与高性能的特点成为了一种典型的微型传感与激励器件，在微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)和微传感系统中被广泛使用。
在化学气体探测分析[1]、生化探测[2-4]以及其它一些精密分析测量领域[5]正受到越来越多的关注。
更小尺寸的微悬臂梁在灵敏度方面显露出了一定的优势[6]，因此，微加工手段与加工工艺对提高微悬臂梁的性能有重要意义。
目前，制备微型悬臂梁大多以硅基材料或聚合物材料为主，而金属微型悬臂梁因其优良的导电性与机械、力学性能，在许多应用中会显示出更大的优越性[7-8]。
微悬臂梁谐振式气体传感器研究进展
传感 器与微系统（ ｒ ｓｕｅ ａｄ ｉ ｏ ｓｍ Ｔｃｎｌ ｉ ） Ｔａ ｄｃｒ ｎ ｃ ｓ ｔ ｅｈｏ ｇ ｓ ｎ Ｍ ｒ ｙｅ ｏｅ
评 论
微 悬 臂 梁 谐 振 式 气 体 传 感 器 研 究 进 展
高 伟 ，董 瑛 ，尤 政
（ 华 大 学 精 密 仪 器 与机 械 学 系 ， 京 １０ ８ ） 清 北 ０ ０４
摘
要 ：微机械谐振式传感器 已经成 为微 型机 电系统（ ＭＳ 领域 的研究 热点 。讨论 了微悬臂梁 谐振式 ＭＥ ）
气体传感 器的工作原理 ， 绍微 悬臂梁表面修饰 的关键技术 、 介 主要方法 和基 于微 悬臂梁的谐振式 气体传感 器领域的研究状况 以及近五年 以来该 领域 的研究 进展 ， 对基 于微悬臂 梁的谐振式 气体传感 器 的发展方 并
式气体传感器 。与此 同时 ， 随着 原子力 显微镜 （ Ｆ 的发 Ａ Ｍ） 展 ， 于微悬 臂梁的传感 器获得 了极 大的发 展。大量 的基 基
于悬臂梁 的压力传感 器 、 加速度 计 、 陀螺 、 质量 流量传 感器
不断涌现 。将 微 悬 臂 梁 用 于气 体 检 测 的研 究 自 ２ ０世 纪 ９ ０年代 以来 得 到广 泛 开 展 ， 多 样 性 和 灵 敏 度 最 先 由 其 Ｔ ｕ ｄｔ ｈ ｎａ Ｔ等人 和 Ｂ ｒｅ ａｎｓＪＲ等人 阐述 。由于有 比其 他微机械平台 （ ， Ｃ 和 Ｓ Ｗ 等设备 ） 如 ＱＭ Ａ 更高的灵敏度 ， 同 时， 制造工艺 与 Ｉ 艺兼容 ， 于微悬 臂梁 的谐 振式化 学 ｃ工 基
ｆ ｎ ｔ ｎ ｌ ａ ｉｎ ａ ｅ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ Ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｔｔ ｓ ｏ ｃ ｏ ａ ｔ ｅ ｅ ｅ ｏ ａ ｔ ｇ ｓ ｓ ｎ ｏ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ａｃ ｕ ｃ ｉ ａ ｉ ｔ ｒ ｎｒ ｕ ｅ ． ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｓａｕ ｆ ｍｉｒ ｃ ｎ ｉ ｖ ｒ ｒ ｓ ｎ ｎ ａ ｅ ｓ ｒ ａ ｄ‘ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｚ ｏ ｏ ｌ ｈ
【国家自然科学基金】_压电微悬臂梁_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
科研热词 微悬臂梁 遥控器 敏感层 折叠梁 悬臂梁 微执行器 微力传感器 建模 发电装置 发电 原子力显微镜 压电系数 压电振子 压电悬臂梁 压电 动态检测 供电 pzt薄膜 pt/pzt/pt薄膜 mems
2014年 科研热词 逆压电效应 输出电压 测试方法 正压电效应 振动 微能源 微机电系统(mems) 压电转换 压电薄膜 压电系数 推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
2011年 科研热词 能量采集 静态弯曲 溶胶-凝胶法 气体传感器 模态分析 有限元法 悬臂梁 微机电系统 微悬臂梁 吸附势能 同步电荷提取电路 厚膜 压电效应 压电微悬臂梁 压电发电机 压电发电 压电分析 pzt块材 pzt mems ansys 推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4
科研热词 超级电容器 自主控制 快速充电电路 压电发电机
推荐指数 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7
科研热词 静态模型 致动器 致动力 有限数 2 2 2 2 2 2 2
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
MEMS 气体传感器简介
1、 Based on the gas self photoacoustic spectroscopy and optical properties of MEMS gas sensor
1.1气体声光效应法 气体的光声效应(photoacoustic spectroscopy)早在1880 年就由贝尔发现,但直到20世纪80年代,随着激光器和高灵敏麦克 风技术的成熟, 才在气体传感器领域得到研究。 光声气体传感器由调制光源（modulated light source）、 光声池（photoacoustic cell ）、高灵敏麦克风（High sensitive microphone ）系统3个主要部分组成(如图1) 。
4、高场非对称波形离子迁移谱(Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry )技术气体传感器
FA IMS技术是基于离子迁移谱技术( IMS)发展而来, 原理如图4。载 气与样品混合电离后经过离子门送到离子飘移区,在高压(大于11 000V / cm)交变电场的作用下,不同离子的迁移速度为非线性(nonlinear)变化, 这种变化与离子自身特性有关,因此,高电场可以区分低电场迁移相近的 离子。对于交变电场再增加一个直流偏置电压,抵消待检测气体离子的高 电场迁移效果,即可使得特定离子通过飘移区达到检测电极。在样品检测 过程中对直流偏置电压进行扫描即可分析样品气体中的成分。
图1 光声效应气体传感器结构图
The principle of process:
1)特定调制频率的光源照射气体,使气体分子处于激发态; 2)受激的气体分子以碰撞的方式释放吸收的能量; 3)气体碰撞产生热效应; 4)气体受热膨胀产生热声波,其频率与调制光频率相同;
悬臂梁实验实验报告 概述及报告范文
悬臂梁实验实验报告概述及报告范文1. 引言1.1 概述悬臂梁实验是力学实验中的一种常见实验，通过对悬臂梁在不同负载下的应变和挠度进行测量，探究材料在受力情况下的变形特性。
本实验旨在了解和分析悬臂梁的弯曲应力与挠度关系，并评估负载测试结果。
通过这次实验，我们可以获得有关材料力学性能以及结构设计优化的有用信息。
1.2 文章结构本文将按照以下结构展开讨论：引言、实验设置、数据分析与结果讨论、结果和讨论以及结论。
其中，引言部分将对实验目的和整体内容作简要介绍；实验设置部分将详细描述所使用的材料、设备和具体的实验步骤；数据分析与结果讨论部分将从数据收集与处理、弯曲应力与挠度关系以及负载测试结果等方面进行深入探讨；结果和讨论部分将总结并对比分析实验结果，并提出其意义和启示；最后，在结论部分将总结整个实验过程，并给出研究建议和展望，同时分享个人对此次实验的心得与体会。
1.3 目的本实验的主要目的是研究悬臂梁在受力情况下的弯曲应力与挠度关系，并评估负载测试结果。
通过实测数据的收集和处理，我们将分析不同负载条件下材料的变形特性，并探讨悬臂梁结构设计中可能存在的问题和优化方向。
此外，这次实验也将加深我们对力学理论与实际应用的理解，并提供一个综合运用知识和技能的机会。
2. 实验设置2.1 材料和设备:本实验所使用的材料包括悬臂梁、各类测力传感器、支撑架和负载施加装置等。
悬臂梁选用了具有一定强度和刚性的金属材料，以保证在负载作用下能够稳定承受力量，同时要求表面光滑均匀，以减小摩擦力的影响。
实验中我们选择了一种常见的钢材作为主要材料，其具有良好的机械性能和易于加工的特点。
测力传感器是实现对悬臂梁上各点产生应力及变形进行监测与记录的核心设备。
在本次实验中我们采用了高精度的压电式测力传感器，该传感器能够将受到的压力转换成相应的电信号输出，并且具有较小的非线性误差和较高的灵敏度。
支撑架主要用来固定悬臂梁并提供稳定支撑，在本次实验中我们采用了两个底座分别用螺栓固定在工作台上，并通过调节螺丝使其与水平面垂直。
悬臂梁振动分析及其在传感器设计中的应用
悬臂梁振动分析及其在传感器设计中的应用悬臂梁是一种常见的结构，在工程领域中有着广泛的应用。
悬臂梁的振动特性对于传感器的设计和性能具有重要影响。
本文将从振动分析的角度探讨悬臂梁的特性以及其在传感器设计中的应用。
首先，我们来了解一下悬臂梁的基本结构和振动原理。
悬臂梁是一种只有一端固定支撑的梁结构，另一端悬空。
当悬臂梁受到外力作用时，会发生振动。
振动的频率和振幅取决于悬臂梁的几何形状、材料性质以及外力的大小和频率。
悬臂梁的振动可以分为自由振动和强迫振动两种情况。
自由振动是指悬臂梁在无外力作用下的振动，其频率由悬臂梁的质量和刚度决定。
强迫振动是指悬臂梁在外力作用下的振动，外力的频率与悬臂梁的固有频率相近时，会出现共振现象，振幅会显著增大。
悬臂梁的振动特性对于传感器的设计和性能具有重要影响。
传感器是一种用于检测和测量物理量的装置，常见的传感器有压力传感器、加速度传感器等。
在传感器的设计中，需要考虑到悬臂梁的振动特性，以保证传感器的准确度和灵敏度。
首先，悬臂梁的振动频率可以用来设计传感器的工作频率范围。
传感器的工作频率范围应与悬臂梁的固有频率相匹配，以保证传感器对于特定频率的外力具有较高的灵敏度。
例如，在设计加速度传感器时，可以选择悬臂梁的固有频率与待测加速度信号的频率相近，这样可以提高传感器对加速度信号的检测灵敏度。
其次，悬臂梁的振动振幅可以用来设计传感器的灵敏度。
悬臂梁的振动振幅与外力的大小成正比，因此可以通过测量悬臂梁的振动振幅来确定外力的大小。
在传感器设计中，可以利用悬臂梁的振动振幅来测量压力、力量等物理量的大小。
例如，在设计压力传感器时，可以将待测压力作用于悬臂梁上，通过测量悬臂梁的振动振幅来确定压力的大小。
此外，悬臂梁的振动特性还可以用来设计传感器的响应时间。
悬臂梁的振动响应时间取决于其振动的衰减速度，衰减速度越快，响应时间越短。
在传感器设计中，如果需要快速响应外力的变化，可以选择悬臂梁的材料和几何形状以使其振动衰减速度增加。
新型MEMS和NEMS有机气体传感器的研究
新型MEMS和NEMS有机气体传感器的研究一、本文概述随着现代社会对环境保护和空气质量监控需求的日益增长，有机气体传感器在环境监测、工业安全、医疗诊断等领域的应用越来越广泛。
新型微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）有机气体传感器因其具有体积小、功耗低、响应速度快、灵敏度高和可大规模集成等优势，成为当前研究的热点。
本文旨在探讨新型MEMS和NEMS有机气体传感器的研究现状、发展趋势及其在实际应用中的挑战和前景。
本文将首先介绍MEMS和NEMS传感器的基本原理和分类，分析其在有机气体检测方面的独特优势。
随后，综述当前国内外在新型MEMS 和NEMS有机气体传感器研究方面的主要成果和进展，包括传感器材料、结构设计、制造工艺以及性能测试等方面的研究现状。
在此基础上，本文将进一步探讨新型MEMS和NEMS有机气体传感器在实际应用中面临的挑战，如环境适应性、长期稳定性、交叉敏感性等问题，并提出相应的解决方案和发展方向。
本文将展望新型MEMS和NEMS有机气体传感器在环境保护、工业安全、医疗诊断等领域的应用前景，以及其在未来纳米科技、物联网和等新兴领域中的潜在应用。
通过本文的研究，旨在为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示，推动新型MEMS和NEMS有机气体传感器技术的进一步发展。
二、MEMS和NEMS气体传感器的基本原理微型电子机械系统（MEMS）和纳米电子机械系统（NEMS）气体传感器的基本工作原理主要基于传感器与被测气体之间的相互作用。
这些传感器通常包含一个或多个微型或纳米级的机械结构，如悬臂梁、膜片或谐振器，它们可以通过电学、光学或热学等手段进行读出。
当传感器暴露在待测气体环境中时，气体分子会与传感器的敏感元件发生相互作用，如吸附、解吸、化学反应等。
这些相互作用会改变敏感元件的机械性质，如质量、刚度或谐振频率等。
这些变化可以通过电学或光学手段进行检测，并转换为气体浓度或类型的信息。
基于纳米材料的气体传感器设计与性能研究
基于纳米材料的气体传感器设计与性能研究气体传感器是一种能够监测环境中气体浓度的重要设备，具有广泛的应用领域，如环境监测、医疗诊断、食品安全等。
随着纳米技术的发展，基于纳米材料的气体传感器因其灵敏度高、响应速度快等优点受到了广泛关注。
首先，本文将介绍纳米材料在气体传感器中的应用。
纳米材料具有高比表面积和独特的电子结构，在气体传感器设计中能够增强传感器的灵敏度和选择性。
常见的纳米材料包括金属氧化物纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等。
这些纳米材料的特殊性质使其成为理想的气体传感器材料。
其次，本文将探讨基于纳米材料的气体传感器的设计原理。
传感器的设计需要考虑到气体吸附和解吸的过程，以及纳米材料与气体分子之间的相互作用。
通过调控纳米材料的结构和表面性质，可以实现对特定气体的高灵敏度检测。
同时，采用纳米材料还能够提高传感器的稳定性和寿命。
接着，本文将介绍基于纳米材料的气体传感器的性能研究方法。
性能评价是衡量气体传感器优劣的关键指标，包括灵敏度、选择性、响应速度、稳定性等。
实验方法主要包括传感器制备、气体测试和性能评价等步骤。
通过实验研究，可以深入了解纳米材料传感器的工作机制和性能特点。
最后，本文将总结基于纳米材料的气体传感器的研究现状和发展趋势。
当前，纳米材料在气体传感器领域已取得了一系列重要进展，但仍面临着一些挑战，如传感器的稳定性、成本及大规模制备等。
未来的研究方向包括开发新型纳米材料、优化传感器结构、提高传感器性能等方面，以满足不同应用场景对气体传感器的需求。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，是一个具有重要科学意义和应用价值的研究领域。
通过深入探讨纳米材料在气体传感器中的应用原理、设计方法和性能评价，可以为气体传感器的发展提供新思路和技术支持，推动传感器技术的进步和应用。
低频微振检测MEMS传感器悬臂结构设计及仿真
低频微振检测MEMS传感器悬臂结构设计及仿真【摘要】：针对传统有线微振检测传感器故障几率高、测试成本高的问题，基于MEMS制造技术，设计并制造了无线微振检测传感器。
设计实验系统研究其动态特性，实验结果表示，该检测传感器的动态响应速度比较快，并且具备良好的重复稳定性、良好线性度，能够实现低频振动测试。
【关键词】：低频微振检测；MEMS传感器；悬臂结构；仿真低频微振检测MEMS传感器以梁结构作为核心部分，具有较高的过载功率和在线检测功能。
本文分析其谐振特性，给出MEMS仿真加工工艺，为实际生产加工[1]提供理论依据。
1工作原理为了使谐振器能够不断振动，要使用合适的激励方式。
在传感器设计中的激励方式包括静电激励、电磁激励、电热激励、压电激励、光热激励等。
为了能够对梁振动频率进行实时检测，拾振方式包括电磁、电容、压电、光信号和压阻等。
本文使用电热激励驱动，压阻拾振方式进行检测。
电热激励的方法比较容易被控制、结构简单，是基于梁的热膨胀原理。
激振电阻能够产生热量，在梁长度和法向构成温度梯度，法向温度梯度导致梁在法向上膨胀梯度，能够使梁产生弯曲变形。
所以，对热激励电阻施加变焦电压，梁能够产生交变温度应力，从而使悬臂梁出现振动，梁上的幅值和应力是最大化。
在悬臂梁根部表面实现拾振电桥的设计，对悬臂谐振器谐振导致的应力变化检查，从而检测谐振信号[2]，微悬臂梁谐振频率为：公式中的E指的是梁的杨氏模量，指的是梁密度，I指的是梁的截面惯量矩，A指的是梁的横截面积，L为梁的长度。
2结构设计2.1微热板的制备工艺在单晶硅表面通过低压化学气相沉积技术和热氧化技术制作Si3N4和SiO2薄膜，对两者进行控制，使微热板压力得到降低。
然后实现铂薄膜的制作，刻蚀图形化铂薄膜加热电阻，通过等离子体使化学气相沉积（PECVD）在硅片正面实现SiO2钝化层的沉积，并且制作引出电极。
通过背面湿法去除异性腐蚀多余的硅材料，固支边和微热板利用相同材料的微型梁相互连接，制作工艺为：（1）热氧化SiO2。
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微悬臂梁气体传感器研究摘要：气体检测在人们生产生活中的应用十分广泛,特别是在安全生产方面, 气体传感器作为一大类对各种气体敏感的器件，能检测各种气体的成分和浓度，所以被广泛应用于诸多领域，微悬臂梁拥有其特有的优点，而且用它做成的传感器灵敏度非常高，使得微悬臂梁在制作微传感器方面得到了广泛的运用。
本文将就微悬臂梁气体传感器的目前发展状况、原理、制作工艺、弯曲测量方式和应用等几个方面进行分析。
关键词：悬臂梁气体传感器MEMS 压电谐振引言：气体检测在人们生产生活中的应用十分广泛,特别是在安全生产方面, 气体传感器作为一大类对各种气体敏感的器件，能检测各种气体的成分和浓度，所以被广泛应用于探测各种有毒有害气体，各种可燃性气体，温室效应气体和污染环境气体;检测和监控汽车尾气、工业废气探测与分析食品的气味和人的呼气以了解食品的新鲜度及人体的健康状况。
气体传感器直接关系到人们的生命财产安全。
目前MEMS气敏传感器分为硅微结构气敏传感器和硅基微结构气敏传感器两大类，包括MOSFET型、固体电解质型、金属氧化物型和谐振型等。
其中谐振式微梁传感器属于质量敏感传感器，其灵敏度极高，理论上最小检测质量可以达到1.4xlo一229[‘2〕，成为研究热点之一。
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125µm 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f=i式中f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; Ii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()2,2x z L x fz Iσ-=微悬臂梁的变形方程可以表示为 ()()2226424fx L Lx x z x EI -+=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 d E σχ=+式中P 为极化强度;E 为电场强度;d 为压电应力系数(向量);χ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(Position Sensitive Detector，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0.1µm)以及典型的系统几何参数(l=200µm，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10-4 nm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。