基于AlN薄膜的射频液体粘度传感器

作     者：詹堃 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张万里

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：MEMS 粘度传感器 氮化铝薄膜 兰姆波 

摘      要：液体粘度作为液体性质的重要物理参数之一,它在无标签化学检测、工业生产、能源动力、生物健康等领域的应用尤为广泛。目前,对于液体粘度检测最普遍的方法有以下几种:毛细管法,落球法,旋转桶法等等。但是这些方法都需要较大体积的运动部件或者动力源,不符合传感器的发展趋势。声波液体粘度传感器凭借着高灵敏度、体积小、成本低等特点,逐渐成为液体粘度测量的重要手段。基于液体粘度测量的目的,设计了带保护层的兰姆波液体粘度传感器,利用高阶兰姆波的特殊振动模态,实现对液体粘度的测量,增强了器件的可靠性。本文基于氮化铝(AlN)压电薄膜,对液体粘度传感器的设计与制备进行研究,主要研究内容为:1.分析了液体机械参数与声波的波速、衰减之间的关系,探讨了将高阶兰姆波应用于液体粘度检测的可行性。通过建模仿真,研究了不同衬底厚度下器件的振动模态以及粒子的运动情况,找到了适用于液体粘度传感的振动模态。2.根据仿真的结果,设计了带SiO保护层的兰姆波液体粘度传感器,这种设计能对传感器的叉指电极进行保护,增大传感器的适用环境,在较长时间下依然保持传感器的良好性能。然后基于MEMS工艺制备粘度传感器。3.搭建传感器测试系统,对传感器的粘度感知能力进行测试。在粘度测试中,传感器具有辨别不同粘度的甘油溶液的能力,并且传感器的频率响应与特定粘度范围内的粘度值具有线性关系,其粘度频率系数为-182.6ppm/mPa·s,灵敏度为-58.26KHz/mPa·s,最大误差为0.34%。测试结果说明该液体粘度传感器具有较好的性能,为后续的进一步研究提供了指导。