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...     

微流体惯性开关用磁流变液流动特性分析

针对目前微流体惯性开关流动电极材料单一、阈值较低且无法调节等问题,以磁流变液为流动液体,提出一种高ｇ值,且阈值可调的微流体惯性开关。首先对磁场环境下磁流变液的阈值特性、速度分布和流动特性进行了理论建模和数值模拟,并对 MRF-123AD磁流变液在矩形微通道中的流动特性进行有限元仿真。数值模拟和仿真结果表明:调控外加磁场可调 节基于磁流变液的微流体惯性开关的阈值大小,且磁流变液的流速随着外加磁场的增大而变小,具有微阀功能,阈值可调范围为0~ 2885ｇｎ,可用于高g值、宽阈值的微流体惯性器件。     

基于微梁的面内高g值加速度计设计

提出了一种基于微梁的面内高g值加速度计的设计方案。根据材料力学中悬臂梁的相关理论,建立了微梁检测结构的等效模型,推导出了微梁应力和中间主梁应力的比值的表达式。通过改变结构的尺寸来调节比值,可以设计出更高量程和更高灵敏度的压阻式传感器。利用ANSYS软件对微梁和中间主梁的最大应力及电阻区应力进行了仿真分析,验证了设计方案的可行性。完成了一种量程可达15万gn的面内双轴高g值传感器的设计。     

一种非接触式微加速度开关的研究

典型的微加速度开关至少包含一个电接触,当阈值加速度值达到时,该开关将闭合。一般为金属接触,比如金。但金属接触可能存在许多问题,如微焊接、电弧、氧化,这些问题可能导致开关工作失灵。鉴于此,本文介绍了一种低驱动电压的非接触式微加速度开关(阈值为5gn)的设计理论、研究方法和主要加工工艺步骤,同时对非接触式微加速度开关结构的力电耦合进行理论计算,结合ANSYS软件仿真分析验证。     

X波段移相器中低弹性系数RF-MEMS开关的研究

讨论了一种应用于X波段开关线型移相器中的新型低弹性系数RF-MEMS静电式开关的设计.通过对多臂梁式结构RF-MEMS开关的力学性能和电学性能进行有限元仿真和优化,开关的弹性系数为17.63N/m.在10GHz的工作频率下,此RF-MEMS开关驱动电压为36.5V,移相器的插入损耗小于9dB.     

水银微流体惯性开关的制作与测试

针对传统微机械"固—固"型触点开关存在触点磨损、接触不稳定、导通电阻大、抗干扰能力差等缺点,设计制作了一种利用水银液滴在变矩形截面微通道中的流动来实现通断的微流体惯性开关。利用阳极键合和DRIE技术制作了开关微通道,采用溅射沉积方式沉积了Cr金属薄膜,分别通过离心转台和加速度传感器测试了开关的准静态阈值和冲击阈值,实验测试结果分别为8.525,5.09 gn。实验结果表明:冲击阈值较准静态阈值小。     

基于微型惯性电学开关的加速度阈值检测系统

传统的加速度阈值检测系统是基于微机械加速度计设计的,整体设计复杂,响应速度低,且易受外界电磁干扰。鉴于此,给出了一种基于微型惯性电学开关的加速度阈值检测系统的新式设计,通过微型惯性电学开关来感知和判断加速度是否超过阈值,然后对其输出信号进行处理,最后由LED显示检测结果,同时设置了复位功能以便重复检测。对研制的系统进行了理论分析和电路仿真,并用落锤装置对制备的系统样品进行测试,结果表明:对于不同的加速度阈值,系统均能实现准确检测的功能。     

微机电系统折叠梁开关低功耗方法研究与仿真

研究微机电系统中的功率消耗优化问题。微机电系统中利用折叠梁开关中的电容充放电控制一些大型的电路,当开关需要驱动较为复杂的电路时,为达到驱动效果,开关需要较大弹性系数的电容。传统的微机电系统工作原理中,电容的弹性系数和驱动电压成正比。过大的电容弹性系数将导致驱动电压过大,消耗的有效功率过高。为此,提出一种弹性敏感动态参数优化方法。通过建立折叠梁开关电容弹性系数的动态估计模型,确定功率的变化敏感性,通过充分研究电容弹性系数的动态估计模型,确定系统功耗与弹性系数的关联程度,保证参数时域内达到最优。实验表明,改进方法有效降低了微机电系统的功率消耗,取得了较好的效果。     

硅微振梁式加速度传感器中微杠杆结构的设计

提出了一种采用微杠杆结构进行惯性力放大的硅微振梁式加速度传感器结构,阐述了其工作机理.在此基础上,讨论了两种不同的支点形式,分别推导了这两种结构形式的放大倍数计算公式,发现Ⅰ型支点形式的放大倍数略高于Ⅱ型支点,并采用有限元方法进行了仿真;分析了支点刚度以及输出轴刚度对放大倍数的影响;提出了微杠杆结构设计的原则.     

MEMS微弹簧应用模式分析

根据微弹簧在微机电系统(MEMS)中使用模式的不同,将微弹簧分为三种应用模式进行分析.应用LIGA加工工艺,设计加工了一种“L型“MEMS微弹簧,应用宏观理论的能量法,推导出了“L型“微弹簧在三种应用模式下的弹性系数计算公式,并用有限元仿真计算验证了理论公式推导的正确性.利用Tytron250微小力拉伸实验机对“L型“微弹簧进行了拉伸实验,实验结果与公式计算结果吻合.在此基础上,分析总结了微弹簧在不同应用模式下的弹性系数变化规律.     

折叠梁平面角对电容式RFMEMS开关性能的影响

低驱动电压电容式RFMEMS开关采用弹性拆叠梁支撑可变电容活动极板,使开关弹性结构具有很小的弹性系数,但也降低了开关的一阶模态谐振频率,致使开关无法获得较高的开关速度。提出了通过调整弹性折叠梁平面角微调弹性结构弹性系数的方法,在保证开关具有低驱动电压的同时,尽可能提高弹性结构的一阶模态谐振频率。仅改变弹性折叠梁平面角的大小,对其分别为0°,45°,90°的具体开关结构,应用MEMSCAD软件CoventorWare进行机电耦合仿真,定性分析了弹性折叠梁平面角对微结构弹性系数的影响。仿真结果表明：改变弹性折叠梁平面角大小,可以微调电容式RFMEMS开关的驱动电压和一阶模态谐振频率。     

叉簧弹性支撑设计与加速度开关

着重介绍了叉簧式弹性支撑的基本类型及其在工作环境条件下的刚度计算公式。并对采用了该种弹性支撑的加速度开关的工作原理、性能需求和测试情况作了简要的介绍。试验结果证明 ,该产品具有良好的抗横向干扰能力和工作点重复性     

集成微流体测控芯片的研制

设计、研制了集成有微泵、微沟道、微流量传感器、温度传感器的微流体测控芯片.采用有限元软件ANSYS模拟分析了将其作为冷却芯片时微沟道的散热作用,分析确定了芯片上各元件的结构.该集成芯片为硅-玻璃结构,在硅片上,利用ICP法刻蚀无阀微泵泵体和微沟道;在7740玻璃片上,以溅射、剥离法制作微流量和温度传感器;图形精确对准后硅/玻璃以静电键合方法封接.无阀微泵采用压电元件驱动.测试结果表明:集成芯片具有冷却功能,循环水的流速最大可达25.4mm/s.     

Analysis and fabrication of a novel MEMS pendulum angular accelerometer with electrostatic actuator feedback

A new type of sensor to directly detect angular acceleration is essential for inertial and control technology. The above interest motivates us to propose a novel micro electromechanical system (MEMS) pendulum angular accelerometer with electrostatic actuator feedback. It adopts a proof pendulum with optimized moment of inertia, suspended to dual anchors by a pair of torsion spring beams, as sensing component. A pair of electrodes are designed as differential capacitors to detect the torsional angular of pendulum, then measure input angular acceleration in sensing axis. Another pair of electrodes are designed as electrostatic actuators for feedback control loop. The structure and operating principle of the MEMS angular accelerometer are introduced. Then, the structure kinetics analysis and signal detecting scheme based on differential capacitors are provided in detail, and the sensitivity and resolution of sensor are derived. Compared with the other MEMS angular accelerometers, the proof pendulum with optimized moment of inertia improves sensitivity and resolution of sensor. The electrostatic actuators feedback loop optimizes the dynamic capability and nonlinearity characteristic. The sensor is fabricated by MEMS fabrication technology. The ANSYS simulation and test results prove the validity of the theoretical analyses. The MEMS angular accelerometer can be used in industrial robots and aircraft by further implementing the signal processing electrocircuit.     

微机械G开关的研制

设计制作了一种微机械G开关,该微加速度开关采用微机电系统(MEMS)体加工工艺,其敏感元件由螺旋梁支撑的检测质量块和它下面的微触点构成,在外界加速度作用下,检测质量块发生位移,完成与触点的接通。经离心测试,在通电0.8A情况下,接通门限值为2.8gn,接通电阻为0.6Ω;经振动测试,不响应高于85Hz的高频振动,在5×104gn高冲击下,测试未见损坏。     

提高加速度开关抗振动能力的设计

加速度开关是一种由弹簧—质量系统构成的惯性测量装置,当进行随机振动试验时,与敏感质量块刚性相连的弹簧片会随着质量块的运动受力,其中一些剪切力和扭转力是加速弹簧片破坏的主要环境力。为了保护弹簧片,可以采用一种力的隔离技术,使得弹簧片除了受到应受的工作方向的力外,尽量避免受到剪切力和扭转力的作用,采用这种技术设计的钢珠式加速度开关有效地解决这个问题,试验证明:产品的抗振能力得到了提高。     

高于室温环境的热式气体微流量传感器性能分析

为了探索平板微热管的传热特性,了解微热管内不同温度区间的蒸汽传输特性,开展了热式气体微流量传感器及其检测系统的设计。设计了一种便于探索最佳温度测量点的热式微流量传感器结构,利用MEMS工艺进行加工制作,在不同环境温度下对其性能进行了测试,得到了环境温度与热式微流量传感器性能的关系。基于MSP430单片机和C＃语言自主开发了流量传感器检测系统,可对一定范围内的流量进行实时检测,并实时绘制流速随时间的变化曲线。研究表明,采用本文设计的热式微流量传感器结构,可以检测高于室温环境下的微流量气体,并可通过提高加热器温度或改变测温电阻对的测量位置来提高测量灵敏度。     

新型光学加速度传感器动力学性能设计

针对一种新型光学加速度传感器设计了一种简单实用的微弹性机械结构,它是通过MEMS工艺在硅片上加工出来。通过能量法和有限元模拟法(ANSYS 8.0)对弹性臂的弹性系数和动力学振动系统的一阶固有频率进行了分析与模拟,根据传感器的性能要求选取了微弹性机械结构的参数,并对传感器的性能进行了分析模拟。结果表明:设计是合理可行的,根据参数确定传感器的量程约为±395 m/s2,测量频率约为1~4.5 kHz。