微型红外光声气体传感器的MEMS化设计与应用研究

本研究论文深入探讨了微型红外光声气体传感器的前沿技术，主要针对MEMS（微机电系统）化光声气敏传感器的开发和应用。作者王建业，以微电子学与固体电子学专业硕士身份，由导师黄宜平指导，针对复旦大学的科研背景进行研究。 论文首先介绍了红外光声气敏传感器的基本原理，其利用气体的特征光谱进行测量，具备高灵敏度、精度、长寿命周期和选择性等特点，尤其适用于环境监测、反恐等领域。然而，传统红外光声传感器由于体积较大，难以实现微型化、智能化和网络化，因此，论文着重研究了如何通过MEMS技术来缩小传感器尺寸并提升其性能。 论文的核心内容包括： 1. 光声信号模拟及一维近似模型：作者采用有限元法模拟了光声腔内光声信号的分布，并提出了光声腔可近似为一维光声腔的原则，改进了一维谐振式光声传感器的LC电路模型，便于快速计算光声腔的特性如结构参数、品质因数和共振频率，同时直观展示了光声信号受气体浓度、温度和结构参数变化的影响。 2. 一维谐振式MEMS光声腔设计与制作：结合数学理论和模拟结果，设计了一种微型的谐振式光声腔，并通过微机械加工技术成功实现。 3. 非谐振式光声传感器研究：论文比较了谐振式和非谐振式光声腔的优缺点，设计了一种全MEMS化的非谐振式传感器系统，实验表明光源强度和调制频率对光声信号有显著影响，且在特定条件下可以获得最大信号。此外，还研究了非谐振式传感器对二氧化碳气体的响应，指出腔体密封性对其性能的重要性。 4. 小型红外吸收-光声气体传感器：针对非谐振式传感器的局限性，论文将红外吸收传感器的开放性优势与光声传感器结合，设计了一种高性能的气体探测系统，专门针对CO2和SO2气体检测，具有较高的灵敏度，例如对0.0146mV/ppm的CO2气体响应。 这篇硕士论文不仅详细探讨了MEMS化光声气体传感器的设计方法，而且还涵盖了从理论模型到实际制作的关键步骤，以及不同类型的光声传感器在实际应用中的性能优化策略，为微型气体传感器的未来发展提供了有价值的研究成果。