Su-8膠光彈性微力傳感器的研究.pdf

1、隨著對(duì)微納米領(lǐng)域科學(xué)研究的不斷深入，獲取微納米尺度下物體的力學(xué)信息已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。微力傳感器作為MEMS領(lǐng)域中一種重要的微傳感器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微納米尺度下物體的力的測(cè)量，被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域，并有效地幫助了這些學(xué)科取得創(chuàng)新與進(jìn)展。因此，設(shè)計(jì)一款具有工藝簡(jiǎn)單、周期短、成本低，同時(shí)靈敏度高、生物兼容性優(yōu)良、功耗小等特點(diǎn)的微力傳感器有著重要的意義。
　　SU-8膠是一種環(huán)氧樹(shù)脂型光刻膠，由于其優(yōu)良的機(jī)械特性、

2、加工特性以及生物兼容性，被廣泛地應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域。同時(shí)，作為一種光彈性材料，SU-8膠具有良好的光彈性性能。當(dāng)SU-8膠的內(nèi)部存在應(yīng)力時(shí)，光束透過(guò)后由于光彈性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。光彈性作為一種有效分析和解決光彈性材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力的非接觸式實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，在工程、材料、醫(yī)學(xué)等宏觀領(lǐng)域得到了應(yīng)用，而在MEMS領(lǐng)域的研究卻少有報(bào)道。
　　本文提出了一種基于光彈性原理的微力測(cè)量方法，并基于該方法利用SU-8膠的光彈性效應(yīng)完成了微力傳感器的設(shè)

3、計(jì)與制作。
　　首先，本文對(duì)光彈性原理進(jìn)行了分析，并對(duì)基于光彈性原理的微力測(cè)量方法進(jìn)行了理論驗(yàn)證，對(duì)傳感器微力測(cè)量系統(tǒng)光路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
　　其次，對(duì)SU-8膠的光彈性性能進(jìn)行了研究。其中，獲取SU-8膠應(yīng)力光學(xué)系數(shù)是研究的關(guān)鍵所在。因此，本文設(shè)計(jì)、搭建了SU-8膠光彈性顯微測(cè)量光路，并推導(dǎo)了其應(yīng)力光學(xué)系數(shù)的計(jì)算公式。然后，對(duì)通過(guò)MEMS工藝制作得到的SU-8膠試樣進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，完成了SU-8膠應(yīng)力光學(xué)系數(shù)的測(cè)量，其測(cè)量值為

4、(3.007±0.081)×10-11 m2/N，為微力傳感器的設(shè)計(jì)與制作奠定了基礎(chǔ)。
　　最后，依照所提出微力測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了微力傳感器的結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行了仿真，通過(guò)微制造工藝完成了傳感器的制作，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在建立接收光信號(hào)與光彈性微力傳感器受力關(guān)系的基礎(chǔ)上，搭建了傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，在SU-8膠材料光彈性條紋的單個(gè)半級(jí)數(shù)范圍內(nèi)完成了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的傳感器的測(cè)量區(qū)間為0～3000μN(yùn)，力的靈敏度