1 深圳信息职业技术学院智能制造与装备学院，广东 深圳 518172
2 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室深圳市超快激光微纳制造重点实验室， 广东 深圳 518060
3 深圳职业技术大学电子与通信工程学院，广东 深圳 518055
为了快速检测氢气泄漏，迫切需要开发一种更安全、浓度检测下限更低的氢气传感器。将镀有钯膜的微悬臂梁探针与单模光纤端面进行组装，设计了一种易制备且低成本的光纤氢气传感器。实验结果表明，该传感器具有超高的氢气响应灵敏度，约为-9.887 μm/%，同时具有低至1.76×10-3%的超低检测下限和优异的重复性。在痕量氢气体积分数条件下，该传感器对氢气体积分数表现出优异的线性响应，这对痕量气体检测具有重要意义，使其在氢能源电池、核电站和太空探索中具有重要的应用价值。
光纤传感器 氢气检测 微悬臂梁 钯膜 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2306007
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic and Information Engineering, Tiangong University, Tianjin 300380, China
2 Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
Microcantilever is one of the most popular miniaturized structures in micro-electromechanical systems (MEMS). Sensors based on microcantilever are ideal for biochemical detection, since they have high sensitivity, high throughput, good specification, fast response, thus have attracted extensive attentions. A number of devices that are based on static deflections or shifts of resonant frequency of the cantilevers responding to analyte attachment have been demonstrated. This review comprehensively presents state of art of microcantilever sensors working in gaseous and aqueous environments and highlights the challenges and opportunities of microcantilever biochemical sensors.Microcantilever is one of the most popular miniaturized structures in micro-electromechanical systems (MEMS). Sensors based on microcantilever are ideal for biochemical detection, since they have high sensitivity, high throughput, good specification, fast response, thus have attracted extensive attentions. A number of devices that are based on static deflections or shifts of resonant frequency of the cantilevers responding to analyte attachment have been demonstrated. This review comprehensively presents state of art of microcantilever sensors working in gaseous and aqueous environments and highlights the challenges and opportunities of microcantilever biochemical sensors.
microcantilever sensor biochemical detection MEMS Journal of Semiconductors
2023, 44(2): 023105
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 中国环境管理干部学院现代化教学中心, 河北 秦皇岛 066000
设计并实现了一种基于微悬臂梁焦平面阵列的凝视型激光告警系统。该系统通过微悬臂梁焦平面阵列及成像CCD来实现对入射激光的精确定向。入射激光通过红外镜头辐射到微悬臂梁焦平面阵列时会使微悬臂梁发生变形，通过光读出系统将这种变化成像在CCD上就可以判断出激光的入射方向。实验结果表明：镜头焦距为60 mm、微悬臂梁面元为80 μm×100 μm时，告警系统的视场角为±15°，分辨率可达到0.5°。此告警系统视场角大、定向精度高，并且避免了激光对CCD的干扰及损坏。
测量 激光技术 激光告警 微悬臂梁焦平面阵列 光学读出
清华大学 精密仪器与机械学系 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法，并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片，在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽，凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上，梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明，虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2，但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测，通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用，避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置，实验测得微梁的位移变化为650 nm。
位移测量 集成双光栅干涉法 图像测量 微悬臂梁 扩量程 displacement measurement integrated dual grating interferometry image measurement microcantilever extended range
1 中国科学院微电子研究所， 北京 100029
2 中国传媒大学光电学系， 北京 100024
双材料梁因其良好的热机械特性作为敏感部件被广泛用于热能传感器中.采用微电子工艺实现的双材料梁通常由金属和非金属作为主要功能材料构成，若两层材料之间粘附性差，则需加入一层粘附材料.根据材料力学热应力和弯拉组合理论，建立了用于分析具有中间粘附层的复合双材料(即三层材料)微悬臂梁的关于材料物理参数、结构尺寸与梁受热弯曲产生转角关系模型；利用此模型和工艺中常用材料，研究了三层材料微悬臂梁的材料选取、各层材料厚度匹配等优化设计问题.通过对像元仿真和对硅工艺制造的红外焦平面阵列(IRFPA)芯片进行测试，验证了模型的正确、合理和适用性.
微电子机械系统 红外焦平面阵列像元 三层材料梁 粘附层 微悬臂梁模型 micro-electro mechanical systems (MEMS) IRFPA pixel tri-layer material cantilever adhesion layer microcantilever model
北京大学 微电子学系, 微电子器件与电路教育部重点实验室, 北京 100871
针对非制冷微悬臂梁电容式红外探测器, 设计了一款焦平面读出电路.根据电路噪声建模与分析, 对电路进行了优化设计以抑制噪声.采用0.35μm 的CMOS工艺设计, 制造了16×16读出电路原型.测试结果表明, 5V电源电压、50Hz帧频下电路总功耗为16.5mW, 典型工作模式下线性度为99.2%, 通道一致性大于97%, 等效输入噪声电荷小于150e.
非制冷 红外焦平面阵列 微悬臂梁 读出电路 uncooled infrared focal plane array(IRFPA) microcantilever readout integrated circuit(ROIC)
1 中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 230027
2 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
在刀口滤波光学读出方法的基础上, 讨论了反光板弯曲的情况下, 刀口滤波方法的光学检测灵敏度与反光板 长度之间的关系.分析表明, 在反光板曲率半径一定的情况下, 光学检测灵敏度首先随着反光板长度的增加而增 大, 达到最大值后随着反光板长度的增加而减小.对于不同曲率半径和长度的反光板, 分析给出反光板长度 L 和曲 率半径 R 在满足 L 2 /R=λ ( λ 为照明光波长)时, 光学检测灵敏度达到最大值.实验测量了已制作的像素尺寸分别 为200μm, 120μm和60μmFPA的光学检测灵敏度, 其实验结果和理论分析一致.
非制冷红外成像 双材料微悬臂梁 光学读出 焦平面阵列 uncooled infrared imaging bi-microcantilever optical readout FPA
对复合层微悬臂梁红外探测器进行了理论分析,并建立了相应的理论模型,实验研究了在硅基底上生长碳纳米管的吸热特性,优化设计了一种生长有碳纳米管的三层硅微悬臂梁谐振式红外探测器。该探测器基于复合层微悬臂梁的谐振频率随着微悬臂梁温度的改变发生漂移的特性,在一定的红外辐射下,微悬臂梁的温度会随着辐射光强的强弱而发生变化,从而根据微悬臂梁谐振频率的漂移而感知温度变化实现对辐射光的探测,利用碳纳米管的红外吸收特性,在二层微悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸收层,提高了微悬臂梁探测器的红外吸收性能。研究表明
探测器 红外 微悬臂梁 红外吸收 碳纳米管
1 西安交通大学电气工程学院,西安 710049
2 西安理工大学理学院,西安 710048
对基于微悬臂梁的光学和红外探测技术进行了理论分析，并建立了相应的理论模型，在此基础上对该类探测器进行了优化设计，包括:微悬臂梁材料的优化选择、金属镀膜材料及厚度的优化选择以及光辐射吸收层材料的选择。最终给出了一种新型的三层结构微悬臂梁探测器，理论上这种新型结构的探测器比现报道的同类探测器灵敏度高出20多倍，噪声等效功率降低了85%～70%。
微悬臂梁 探测器 光辐射 优化设计
