基于兰姆波谐振MEMS阵列的无喷嘴微液滴喷射研究

本文基于微机电（MEMS）兰姆波谐振器（LWR）,设计了一种可在1微升液体中聚焦声波的压电声波执行器件,实现了皮升级液滴的生成和无喷嘴喷射。该压电声波执行器由8个谐振频率为247.6 MHz的LWR组成,通过物理场有限元仿真计算,设计了可在中心50μm区域内实现声波聚焦的器件结构。在实验中,通过制作的声波聚焦器件,观察到在1微升液体表面生成并喷射出皮升级小液滴现象。通过对输入功率的控制,可以实现单液滴喷射、多液滴连续喷射、以及局部沸腾多向喷射。液滴喷射系统利用声波聚焦产生的声流体效应实现无喷嘴的液滴喷射,在多个工程领域尤其是微流控方向有广阔的应用前景,如多向液滴喷射、细胞位置操控等。     

面向物联网监测节点的集成式微流控传感芯片

水环境中的重金属污染具有很高的毒性和不可降解性,对公众健康和生态环境构成了巨大威胁.但大多数现有的检测方法需要大型仪器和人工处理,即便是在线监测系统,也由于其尺寸大、价格高而难以大规模应用.本文基于MEMS加工工艺,设计并制造了一种体积小、自动化的重金属离子检测芯片.通过lift-off工艺,将三电极电化学传感器集成至数字微流控芯片上.实验结果表明,该芯片可以实现样品的自动输运和铅离子的电化学传感检测.将来,通过进一步减小控制系统的尺寸和适当的封装,可以将其制成一个微型传感节点,为物联网的分布式监视提供潜在的解决方案.     

基于薄膜体声波谐振器的柔性有机挥发性气体传感器

本文制造了一种基于薄膜压电体声波谐振器的柔性有机挥发性（VOCs）气体传感器。通过转移印刷的方法,柔性体声波谐振器的电极与压电层采用的无机材料薄膜被从硅衬底上转移到超薄的聚酰亚胺基底上。该柔性谐振器的品质因数达到了1920,且在2.5 mm的弯曲半径下仅有相对于基频十万分之一左右的频率偏移。谐振器表现出了对于环己烷与乙醇气体良好的频率响应特性,且通过在器件表面修饰聚异丁烯（PIB）薄膜作为气体吸附材料,使得器件对于环己烷的响应提升了10倍以上。该柔性VOC气体传感器具有尺寸小,质量轻,机械柔性好的优点,在可穿戴环境检测设备,健康监测设备,食品变质检测的电子标签等领域有着广泛的应用前景。     

基于压电式微机械超声换能器阵列的无线能量传输设计

利用氮化铝薄膜压电微机械换能器(PMUT)的生物兼容和CMOS电路兼容特性，提出了一种基于上述换能器阵列的声学无线能量传输方法。为了得到最佳的输出性能，对PMUT的结构进行了优化设计，采用派瑞林封装保护PMUT的空腔和表面结构，分析了PMUT在不同介质中的电学和频率性能，采用高密度并联阵列降低器件阻抗、提高了总输出电流，对PMUT及其应用电路进行了设计与仿真。PMUT在压电薄膜层与钼底电极厚度比在2∶3至1∶2,顶电极与空腔半径比为0.7时获得最大输出性能，当空腔半径控制在35μm至43μm时，PMUT在水中的谐振频率约为2 MHz。本研究为设计高灵敏度、小型化、无毒无铅的无线能量传输系统提供了一种高集成度、高生物兼容的解决方案。     

高品质因数压电驱动氮化铝基悬臂梁微谐振器

针对当前压电驱动悬臂梁谐振器存在加工工艺复杂、成本较高的问题，该文提出了一种基于氮化铝支撑层的新型压电驱动悬臂梁层叠结构，它不仅能有效降低加工难度，还能在实现器件小型化的同时保持较高的品质因数。该文通过理论分析研究了固定频率下谐振器品质因数与器件尺寸设计的关系，并对比了不同支撑层材料对谐振器品质因数的影响。通过实验研究了电极尺寸设计对谐振器在真空中性能的影响，从而确定了工作在面外弯曲振动模式的压电驱动氮化铝基悬臂梁谐振器的最优设计。测试结果表明，在电极宽度占比为1,长度占比为2/3时，该谐振器表现出最好的性能，其品质因数为7 786,谐振频率为63.44 kHz,运动阻抗为66.70 kΩ。