基于MEMS CAD的加工工艺仿真研究

在MEMS设计中需要解决工艺设计的问题,基于MEMS CAD软件对MEMS关键加工工艺进行仿真研究,对于MEMS工艺水平的提高有着重要的意义。本文首先探讨了MEMS加工工艺种类和工艺建模,然后以单晶硅各向异性腐蚀为例,借助MEMS CAD软件ACES对硅的湿法腐蚀工艺情况进行了仿真,其仿真结果对于基于MEMS CAD加工工艺进一步研究有一定的参考价值。     

低驱动电压k波段电容耦合式RFMEMS开关的设计

设计了一种低驱动电压的电容耦合式射频微机械(RF MEMS)开关.RF MEMS开关采用共面波导传输线,双电极驱动,悬空金属膜采用弹性折叠梁支撑.使用MEMS CAD软件CoventorWare、微波CAD软件HFSS,分别仿真了开关的力学性能和电磁性能,仿真结果表明:开关的驱动电压为2.5V,满足低驱动电压的设计目标;开关开态的插入损耗约为0.23 dB@20 GHz,关态的隔离度约为18.1 dB@20 GHz.最后给出了这种RF MEMS开关的微制造工艺.     

基于IP库的MEMS设计系统

针对MEMS设计系统中机械性能仿真不足、设计与加工脱节、缺少工艺验证等问题,借鉴了IC设计可重用思想,引入了具有知识产权的功能模块--IP的概念,提出了基于IP库的MEMS设计方法.该方法是Top-Down和Bottom-Up设计相结合的方法,其核心是MEMS IP库,关键技术包括IP库、虚拟工艺、虚拟运行等,分别对应IP管理、工艺级仿真系统以及器件行为级仿真系统.最后以电容式微加速度计设计为例,对双梁、四梁、疏齿等6种不同的结构分别进行了设计仿真、流水加工,封装和测试的过程,完成了器件从设计到成品的整个流程,验证了本文提出的设计方法和设计系统的有效性和正确性.     

MEMS降阶宏模型仿真平台研究

随着MEMS系统级设计成为研究的热点,MEMS系统级CAD的开发日益重要.论文介绍了一种基于降阶宏模型MEMS系统级仿真平台,通过有限元方法提取MEMS器件几何物理数据.建立MEMS器件有限元模型.利用Krylov子空间算法缩聚自由度建立宏模型,通过系统级仿真平台对此进行系统级仿真. 整个流程通过VC++编译器调用ANSYS、嵌入封装的算法动态链接库、集成SIMULINK系统仿真器完成.并用双端固支梁实例对所有模块加以验证,仿真结果准确,计算效率较高.     

KOH湿法腐蚀中防金属腐蚀工艺研究

介绍了一种采用PROTEK材料作为保护层,在MEMS器件体硅湿法腐蚀加工工艺中保护金属电极的新工艺。采用这种新的工艺可以在MEMS体硅工艺传感器的加工过程中,完成所有IC工艺的加工后再进行MEMS体硅工艺的加工。实验结果表明:采用这种新的材料进行KOH腐蚀工艺的金属表面保护,既可以提高工艺加工效率,又可以提高工艺加工质量。该工艺可以广泛应用于MEMS体硅工艺中KOH湿法腐蚀的工艺加工,也可以应用于光电子器件的工艺加工。     

基于窄带水平集的三维平面工艺模拟系统

表面工艺是MEMS制造的一种重要方法,实现其加工过程的计算机仿真可以为相关MEMS工艺研究和器件开发提供技术支持,减少相关MEMS产品的开发成本,缩短其开发周期.基于窄带水平集算法完成了表面加工工艺的三维表面工艺模拟系统.窄带水平集算法稳定,计算速度快处理拓扑变形非常灵活,本文将其应用于该软件仿真系统中,并进行了一列的仿真实验,将仿真结果与实际的流片电镜图对比,验证了仿真系统的精确性.     

基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作

惯性开关是一种感受惯性加速度,执行开关机械动作的精密惯性装置.选用典型的"弹簧-质量-阻尼"结构,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g值(1gn～30gn)微惯性开关.惯性敏感单元由一个方形质量块和支撑它的两根螺旋梁组成,采用ANSYS有限元软件对其进行了仿真分析.采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术,包括KOH腐蚀...     

MEMS薄膜热流传感器研制

基于微加工技术设计制备了一种微机电系统(MEMS)薄膜热流传感器。采用COMSOL软件,对不同结构参数MEMS薄膜热流计进行仿真模拟,通过对仿真结果对比和分析,优化热流传感器的设计参数。根据优化的设计参数利用MEMS工艺制备薄膜热流计。搭建了标定系统,对所制备的MEMS薄膜热流计进行性能测试和标定。实验结果表明:薄膜热流计的电压输出响应曲线的变化趋势和仿真结果一致,此外,薄膜热流计的输出电压和热流密度呈良好的线性关系。     

三维轻量化模型在制造工艺上的应用

由于工艺数据比设计数据更加庞大,同时在产品设计过程使用众多的三维设计软件,工艺如何和三维CAD进行集成,工艺如何基于三维CAD进行加工工艺设计和装配工艺设计,如何利用三维模型的信息完整、可视的独特优势提高工艺编制的质量和效率,并实现产品模型信息的统一,对于数字化制造具有重要意义。文中重点描述使用三维轻量化技术实现工艺设计的原则和应用场景。     

针对不同类型热敏MEMS器件的高性能前置放大器设计

针对不同应用的热敏MEMS器件的界面电路设计高性能放大器,提出建立与CMOS工艺兼容的热敏MEMS器件前置放大器的IP库的概念。通过提取相关热敏器件的典型参数,设计低功耗、低噪声且分别符合精度和速度等特殊要求的前置放大器,对3种不同结构的放大器进行分析研究,并利用Cadence软件,基于CSMC 0.5μm标准CMOS工艺库进行设计仿真。仿真结果表明:3种不同结构的放大器可以用于相应性能要求的热敏MEMS器件中。     

基于MEMS技术的异平面空心金属微针

MEMS微针的一个重要应用是透皮给药.文中提出了一种基于MEMS技术的异平面空心金属微针.该微针首先利用硅(100)面刻蚀技术在硅片上刻蚀出深度为330μm的倒四棱锥,然后采用电镀技术电镀出壁厚为50μm的空心金属倒四棱锥.从背面开出微流道并去除残余硅,就得到了倾斜角度为70.6°的异平面金属空心微针.最后采用ANSYS有限元仿真软件建立微针模型,验证了微针具有足够的强度.     

基于晶格结构的单晶硅异向腐蚀的计算机模拟

单晶硅异向腐蚀技术是制造三维MEMS微结构的重要加工技术。由于单晶硅异向腐蚀加工过程具有低成本和可用于大批量生产的特点,因而得到了广泛的应用。但由于加工是在微米/纳米尺度上进行,使得加工过程难以控制,加工结果难以观测,因此传统的MEMS微结构的研制需要经过反复的试制和修改过程,使得研制周期长、生产质量难以保证。引入加工过程计算机模拟技术,可望大大地缩短MEMS微结构的研制周期,提高其产品质量。文章在研究单晶硅异向腐蚀机制的基础上,建立了基于晶格结构的腐蚀过程模型,模型较好地解决了模拟过程中高时空复杂性的关键技术问题,可在微机上运行,并取得了良好的模拟效果。     

一种基于SOI的集成光波导耦合系统的设计与制备

根据锥形光纤与平面环型微腔耦合原理,使用L-Edit版图设计软件设计并优化了锥形光波导与微腔耦合系统。利用MEMS工艺对SOI圆晶片进行加工,从而实现了锥形光波导与跑道型以及环型光波导微腔的集成。其中,光波导以及微腔通过ICP刻蚀顶层硅而成,矩形槽通过RIE刻蚀衬底硅而成。光波导两侧的矩形凹槽可方便光纤接人以及对出射光...     

电容式微加速度计的研制

以一个电容式微加速度计为设计实例来介绍了基于IP库MEMS设计的流程,其中主要包括四个部分:原理分析,结构设计,工艺流程和版图设计,封装及电路测试。首先根据需求设计出加速度计的基本结构;然后对该结构进行工艺流程和版图的设计;并利用虚拟工艺来进行仿真和可加工性验证;得到的三维结构通过接口导出到FEM中进行数值分析;接着将数值分析的结果进行基于FEM的运动学建模;求解得到的运动规律,以宏模型的形式存入IP库中;与此同时,利用虚拟运行进行可视化行为级的仿真。     

ICP刻蚀硅形貌控制研究

硅的刻蚀形貌控制是MEMS器件加工中的关键技术之一,形貌控制是硅表面刻蚀和钝化反应取得平衡的结果,任何影响刻蚀和钝化反应的因素都会影响到刻蚀形貌.采用中科院微电子研发中心研制的基于化学平衡原理的ICP-98A等离子刻蚀机,对ICP刻蚀当中影响形貌的关键工艺参数进行了研究和分析,研究了源功率RF1、射频功率RF2及气体(...     

Study of residual stress-induced deformation of multilayer cantilever for maskless microplasma etching

In the scanning probe microscopy-based microplasma etching system proposed by our group, the microcantilever probe integrated with microplasma device is a multilayered structure. However, the thin film residual stress generated by microfabrication process may cause undesirable bending deformation of the cantilever. In order to predict and minimize the stress-induced deformation in the cantilever design, we experimentally measure and calculate each thin film stress of the cantilever based on Stoney equation. Then the stress-induced bending deformation of the cantilever is simulated by finite element simulation. By adjusting the thickness of reserved silicon layer of the cantilever, the deflection can be minimized to <5 μm for a 750 μm-length cantilever. Finally the microcantilever probes with different thickness of reserved silicon layer are successfully fabricated by MEMS process. The bending deformation of actual fabricated cantilevers agree well with simulation results, which verifies the feasibility of the cantilever structural design. The results of this paper may lay a foundation for further scanning plasma maskless etching.     

MEMS悬浮结构深反应离子刻蚀保护方法对比研究

分别对基于硅玻键合与硅硅键合的MEMS加工工艺中悬浮结构深反应离子刻蚀保护方法进行对比研究,获得最佳结构刻蚀保护方法。基于硅玻键合工艺的最佳刻蚀保护方法：在结构层背面溅射金属作为保护层;基于硅硅键合工艺的最佳刻蚀保护方法：将结构刻通区域衬底硅暴露及结构层背面制作图形化的SiO2保护层相结合的方式保护。结构保护后,经长时间过刻蚀,结构依然完整无损。     

Development of copper based miniature electrostatic actuator using WEDM with low actuation voltage

Fabricating electrostatic micro actuator, such as comb-drive actuator, is one of the demanding areas of the MEMS technology because of the promising applications in modern engineering, such as, micro-switches, attenuators, filters, micro-lenses, optical waveguide couplers, modulation, interferometer, dynamic focus mirror, and chopper. For the fabrication, most of the cases silicon monocrystalline wafers are used through complex process. To etch the silicon substrates, researchers often use deep reactive-ion etching or anisotropic wet etching procedure which are time consuming and unsuitable for batch fabrication process. Again, resent research shows that comb-drive actuators need comparatively high voltage for actuation. In solving these problems, the study presents a copper based electrostatic micro actuator with low actuation voltage. Using wire electrical discharge machine (WEDM), the actuator is fabricated where a light weight flexible spring model is introduced. Capacitor design model is applied to present a voltage controlling electronic circuit using Arduino micro controller unit. The experimental result shows that the actuator is able to produce 1.38 mN force for 15 V DC. The experiment also proves that coper based actuator design using WEDM technology is much easier for batch processing and could provide the advantages in rapid prototyping.     

基于Petri网的MEMS柔性设计建模方法

微机电系统设计具有微尺度效应和多物理场耦合的特点,而现有的面向产品宏观结构的CAD系统难以满足微米尺度设计需求,为此提出一种基于Petri网的MEMS柔性设计建模方法.在分析MEMS设计特点、框架和流程的基础上,对已有设计系统进行抽象化和精细化,获得高内聚低耦合的设计模块,并将Petri网与设计系统各模块相互关联,建立了基于Petri网的MEMS柔性设计建模框架;然后通过添加前置库所和带权有向弧调节库所最大/最小标识数,控制设计流的总数;再添加控制库所形成控制回路,使并发变迁有序执行,消解并行设计冲突;最后用Petri网的状态空间求解结果控制各模块运行,满足复杂设计流的多元关系.以ACIS为几何造型内核开发了自主原型系统,以电容式三维硅微梳齿驱动器设计为例进行应用验证,结果表明,文中方法将现有MEMS设计从自顶向下和自底向上及其混合拓展到基于Petri网的柔性设计建模,使产品设计不局限于固定的设计流程,对于提高MEMS设计效率和质量具有重要意义.     

Arrays of hollow out-of-plane microneedles for drug delivery

Drug delivery based on MEMS technology requires an invasive interface such as microneedles, which connects the microsystem with the biological environment. Two-dimensional arrays of rigid hollow microneedles have been fabricated from single-crystal silicon using a combination of deep reactive ion etching and isotropic etching techniques. The fabricated needles are typically 200 /spl mu/m long with a wide base and a channel diameter of 40 /spl mu/m. The fabrication process allows creating either blunt needles or needles with sharp tips. Their shape and size make these needles extremely suitable for minimally invasive painless epidermal drug delivery. MEMS technology allows for batch fabrication and integration with complex microsystems. Fluid has been successfully injected 100 /spl mu/m deep into sample tissue through arrays of microneedles. Needle breakage did not occur during this procedure. Experiments have shown that the modified Bernoulli equation is a good model for liquid flowing through the narrow microneedle lumen.