基于多铁纳米纤维的微传感器的稳健设计理论与方法研究

Multiferroic materials possess electric and magnetic ordering simultaneously that couple the electric and magnetic fields, making it promising for a wide range of applications. Multiferroic materials can be designed as multifunctional devices, which are the advance technology in MEMS area. In this project, the effect of multiferroic nanofiber size, arrange orientation, and mechanic parameter on the performances of electromechanical, magnetomechanical, and magnetoelectric coupling will be studied detailedly. On base of these, the principle of piezoelectric microsensors, structure design, and performance simulation calculations will be investigated systematically. Then the basic theories and modeling methods of robust design for microsensor based on multiferroic nanofibers will be studied. The Static characteristics (such as Sensitivity and it's variation ) and dynamic characteristics (such as Frequency response) of microsensor is regarded as the target function of robust design and the various basic elements of robust model for microsensor are analyzed including both controlled (such as structure parameters and their variation) and uncontrolled factors (such as mechanic parameters of multiferroic nanofibers ). The micro-fabricating tests of a sensor will be completed in term of the methods and equipment of lithography, ICP etching, Sputtering, PECVD and so on. At last, the influence of different factors of processing technology in manufacturing on the surface microstructure and fabrication quality is analyzed and the test results will be shown.

利用多铁材料的极化有序、磁化有序和磁电耦合等特性，设计智能和多功能微器件，是MEMS领域的前沿课题，具有重大科学意义和广阔应用前景。结合多铁纳米纤维的结构尺寸、排列方式及其力学参数对其力电、力磁、磁电耦合性能的相互影响关系，进行压力微传感器的原理与结构设计、性能仿真计算、基底及电极材料试验分析；在此基础上，研究微传感器的稳健设计理论与建模方法，以其静态特性（如灵敏度及其变差）和动态特性（如频率响应及其变差）为稳健优化设计的质量特性指标，设计中同时考虑可控因素（如尺寸参数及其变差）与不可控因素（如纳米纤维的力学性能参数）对质量特性的影响，发展基于随机模型的微传感器稳健设计的一般原理与方法；利用光刻、刻蚀、淀积、溅射和键合等微加工设备，进行微传感器的微加工工艺试验，探讨各工艺参数对表面形貌及加工质量的影响；并对加工出的微传感器样品进行测试研究，为其应用提供理论依据、技术支撑和应用范例。

信息技术是建立在信息获取、信息传输、和信息处理三大基础之上的技术，与之相对应的就是传感器技术、通讯技术和计算机技术。目前，通讯技术和计算机技术已取得突破性进展，而作为信息系统最前端的传感器技术的发展相对滞后。所以，发展集成化、微型化、智能化、多功能化的传感器是现代传感器技术发展的主流方向，而敏感材料是传感器技术的关键之一。多铁材料具有铁电、压电、铁磁等多种性能，本项目利用多铁材料的极化有序、磁化有序和磁电耦合等特性，设计研发新型微传感器，是MEMS领域的前沿课题，具有重大科学意义和广阔应用前景。.本项目主要完成了以下研究工作：a）利用静电纺丝方法成功制备了近于平行排列的BFO和PZT纳米纤维，并对其性能进行了表征；b）完成了MEMS压力传感器的结构设计及性能仿真研究；c)完成了MEMS器件的稳健设计原理研究与算法开发，并给出多个算例；d）对基于纳米纤维的MEMS传感器的微加工工艺试验进行研究，成功制作样片；e）开发和搭建测试平台，对传感器样片进行了性能测试与分析。.取得的研究成果包括：1.研究分析了各种试验参数对制备BFO和PZT纳米纤维的结构尺寸、排列情况及其力学参数的影响，给出了最佳的试验参数数据；2.通过对MEMS压力微传感器的设计和性能仿真分析，给出了膜片的合理参数尺寸；3.研究了基于随机模型、容差模型和模糊模型的微器件的稳健设计建模方法，给出多个算例的稳健设计的建模过程和算例结果；4.通过光刻、ICP刻蚀、淀积和溅射等微加工工艺试验和改进研究，给出较合理的工艺流程和刻蚀数据；5.设计了不同结构的传感器，并完成了多个样片的制作；6.利用自开发的测试平台，并对加工出的样品进行了测试研究。.综上所述，本项目的研究和结果为多铁纳米纤维传感器的进一步推广应用提供了必要的理论依据、技术支撑和应用范例。.