时间相移显微干涉术用于微机电系统的尺寸表征

提出了将时间相移显微干涉测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上．该方法速度快、无损、非接触、易在晶片级进行,具有亚微米级的水平分辨力,垂直分辨力在纳米量级．测量系统采用Mirau显微干涉物镜,利用高性能压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向的相移,并通过健壮的5帧Hariharan算法获取表面的相位信息．通过测量美国国家标准研究院（NIST）认证的标准台阶对系统进行了精度标定,并通过测量微谐振器和压力传感器微薄膜的几何尺寸说明了该方法作为测量和过程表征工具的功能．     

显微干涉法在MEMS结构三维形貌测试中的应用

鉴于三维形貌在微机电系统(MEMS)测试领域的重要地位及显微干涉法在光学计量领域的高精度性能,开展了显微干涉法在MEMS结构三维形貌测试中的应用研究.基于小波变换极高的去噪性能及处理无载波条纹的优点,包裹相位采用连续小波变换的方法提取.基于展开相位拐点与符号歧义点的单应性,开展了通过检测展开相位拐点并对展开相位进行校正的方法恢复非单调条纹图的真实相位的研究.采用上述方法,成功测试了微梁的静、动态三维形貌及手机芯片的翘曲变形.该项研究为MEMS结构的三维形貌测试提供了高精度且简单快速的测量手段.     

MEMS传感器的计步算法研究

计步是惯性定位导航中重要环节之一,MEMS传感器在惯性定位导航中应用广泛,传统计步算法多采用基于加速度数据的峰值检算法.本算法融合了峰峰检测算法和穿越中间阈值算法,用户手持MEMS设备行走获取加速度计数据,进而算法推算行走的步数和轨迹.算法将从加速度采样数据中判断可能有效的计步点,算法判断这些点是否为有效计步点,进而得出行走的步数.最后结合步长、步数和航向信息推算行人的行走轨迹.实验结果显示,计步数据与实际步数误差为0.75%,推算的轨迹接近实际行走路径.该算法在不同人和不同环境中表现良好.     

MEMS领域中形状记忆合金薄膜的研究与进展

总结了近年来微机电系统(MEMS)领域中,ti-Ni形状记忆合金(SMA)薄膜的制备与微加工工艺、形状记忆性能、加工性能、防腐耐磨性能及力学性能的研究进展,由此提出了MEMS领域中,SMA薄膜的使用要求和研究方向.     

偏振干涉相位细分的误差分析与补偿

高分辨率、高精确度的偏振干涉测长方法在几何量测量中得到了广泛的应用。本文应用严格的数学方法分析了它的测量误差，并提出补偿与消减该项误差的方法。     

希尔伯特变换实时全息干涉条纹相位提取

实时全息干涉法可以观察记录整个测试过程中条纹图的动态变化,传统相位提取算法只适合于静态干涉条纹图相位的提取.根据实时全息干涉条纹和希尔伯特变换的特点,提出了利用希尔伯特变换提取实时全息干涉条纹相位值的方法,采用了高通滤波的方法减少背景光强的影响,对铝片受力变形实验中实时全息干涉条纹的相位变化分布进行了提取.实验表明:希尔伯特变换法适合于动态条纹的相位提取,可以自动提取实时全息干涉测量过程中全场各点在任意两个时刻间的相位变化值,且测量结果与实时全息干涉条纹人工分析结果一致.     

双稳态MEMS电磁微继电器响应速度的分析

本文设计了一种基于微机电系统(MEMS)技术的新型双稳态电磁微继电器,并对影响其响应速度的因素进行了分析.测试后,结果表明,器件在运行过程中的脉冲间歇期间能够保持稳定状态而无需额外功耗;并且能够实现通过调节运行幅度,来提高器件的响应速度,最短的响应时间可以达到0.3ms.     

MEMS压力传感器自动组装系统

研制了MEMS特种压力传感器的组装系统．首先给出了MEMS特种压力传感器组装工艺过程,并通过分析得出组装精度下降将导致传感器灵敏度和线性性能下降的结论．在此基础上确定了自动组装系统的组成结构,并详细介绍了研制的具有力感知功能的微操作手、三工位键合炉以及显微视觉等关键技术模块．通过分析现有硅膜焊盘图形对称性分布的特点,给出了一种芯片中心求取方法,为高精度自动组装奠定了基础．最后,将各模块集成建立了自动组装系统,给出了各个模块的控制节拍和流程,并通过实验证明该系统可实现5μm的组装精度和25s／个的组装效率,适用于多种MEMS传感器的自动组装作业．     

基于MEMS存储器中二维驱动机构数值模型分析与实验

分析了MEMs数据存储器机构中柔性弹簧的线性大位移驱动特性,提出了一种等效数值模型,并利用该模型等效替换数据存储器驱动机构的关键部位,保留了MEMS数据存储器驱动机构的实际工作特性,并在此基础上将驱动机构转换成质量块和弹簧结构两种单元形式,解决了驱动机构中相对小尺寸有限元建模的问题,大大减少了单元数量．通过设计实验系统进行对比验证,驱动仿真分析结果与实验结果具有良好的吻合性,验证了该等效过程及模型的正确性．为MEMS数据存储器驱动机构的开发提供了理论设计和实验参考．     

不同衬底条件对MEMS压阻传感器性能的影响

为了研究不同衬底条件对MEMS压阻传感器性能的影响,采用3种掺杂条件的衬底进行实验测试．在各步骤热过程后,对3种衬底条件下压阻区、引出区和保护框的方块电阻进行了测量和分析．通过对各部分方块电阻的测量可以看出,对于压阻区（P^-区）,A#和B#的方块电阻在开始注入扩散时相差很小,而由于注入杂质在高温下进一步扩散,衬底掺杂浓度对扩散后杂质分布的影响加大,方块电阻在后续的热过程中差别增大．通过比较不同衬底条件下各个热过程后的压阻数据,发现在3种掺杂条件中,20～40Ω·cm的衬底最符合预期压阻的设计．此结论已用于指导实际产品生产．     

基于白光相移干涉术的微结构几何尺寸表征

将Carré等步长相移法与白光垂直扫描相结合形成了一种白光等步长相移算法,该方法快速、准确、非接触,垂直分辨力可达亚纳米级.测量系统集成了Mirau显微干涉物镜,并通过高精度压电陶瓷纳米定位器带动物镜进行垂直扫描.分析了Carré法应用于白光干涉信号的相位提取的精度,对不同扫描步距以及不同信噪比情况下的测量进行了计算机仿真,确定了测量参数.结合重心法将相位计算的数据范围直接定位于干涉信号的零级条纹,从而省去了相位解包裹过程.通过对微谐振器和标准台阶的测量说明了该方法的有效性,并使用白光相移干涉、白光垂直扫描和单色光相移干涉对44 nm标准台阶进行了测量,并对测量结果进行了比较.     

集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种新型集成光栅干涉微位移测量方法,设计加工了微位移敏感芯片,并进行了初步的性能测试．敏感芯片利用硅-玻璃键合体硅工艺制作而成,在玻璃上制有金属光栅,光栅上方有由铝梁支撑的可动结构．实验系统由敏感芯片、半导体激光器、光电二极管以及相应的驱动、检测电路组成入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动结构与光栅之间的距离变化,通过测量衍射光强的变化可以得到位移．测试实验结果表明,所制作的集成光栅干涉微位移敏感芯片可实现位移检测,最小可检测的位移约0．2nm．     

MEMS三维微触觉力传感器标定方法

针对一种微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)三维微触觉力传感器,采用悬臂梁弯曲变形获得了标准微小力信号,通过测量传感器敏感梁弹性导致的传感器测杆的微小位移量,对标定过程中的误差进行了补偿,实现了三维微触觉力传感器的精确标定.建立了MEMS三维微触觉力传感器标定系统,对悬臂梁的弹性系数进行了标定,对传感器测头输出的微小电压信号设计了线性化的信号调理电路.标定过程中考虑了由于传感器敏感梁弹性变形导致的传感器测杆的微小位移量对标定精度的影响.采用高精度的纳米测量机(nano-measuring machine,NMM)对传感器测杆的位移特性进行测量,利用该参数对传感器的力特性系数进行误差补偿,最后根据传感器输出的初始电压和力特性系数建立了传感器的力特性输出方程.     

纤毛式MEMS矢量水声传感器的仿生组装

提出了一种纤毛式微机电系统（MEMS）矢量水声传感器的仿生组装技术.期望结合MEMS工艺和仿生组装工艺技术,解决复杂结构的仿生制造问题.文中简单介绍了仿生学理论以及定向探测机理.采用MEMS基硅微机械加工技术完成了传感器微结构的加工.通过模仿鱼类侧线器官神经丘感觉器的仿生结构,完成了传感器仿生微结构的组装,制作出纤毛式硅微仿生矢量水声传感器的模型样机.最后,完成了传感器的校准测试.测试结果表明,该水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单,而且具有“8”字型的指向特性.该水声传感器的声压灵敏度为-197.7 dB（0 dB=1 V/μPa）.     

具有“荷叶效应”的硅基仿生表面的制备及其微摩擦性能

用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观测了荷叶表面的双微观结构,即特征尺度在10μm左右的微米乳突和直径为50～100 nm的纳米蜡质晶体.提出了制备具有"荷叶效应"的硅基仿生表面的两种方法,一是将表面制有特征尺度为100 nm左右纳米结构的硅片进行硅烷化疏水处理,仅制作了纳米结构,部分模拟了"荷叶效应;"另一种方法是将表面制有特征尺度为10μm左右微米结构的硅片进行烷基烯酮二聚体(AKD)化处理,该方法获得了具有双微观结构的仿生表面,比较完整地模拟了"荷叶效应."微摩擦性能测试结果表明光滑硅片微观摩擦系数为0.08～0.10,而具有120 nm～25μm微结构的硅片微观摩擦系数为0.04～0.07;具有特征尺度为200 nm线条阵列的粗糙区平均黏附力与光滑区平均黏附力之比为0.59.硅基仿生表面有利于降低摩擦系数和减小黏附,"荷叶效应"对于微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)防黏减摩具有一定的潜在应用价值.     

基于分形小波变换的MEMS动态模糊图像亚像素检测技术

基于机器微视觉的微机电系统（MEMS）动态测试系统,提出了一种分形小波变换亚像素检测技术提取MEMS运动轨迹算法.该算法结合电耦合器件（CCD）成像机理,利用图像的分形参数进行随机分形插值对图像边缘进行重建,通过小波变换实现重建后图像亚像素精度的边缘检测.在连续光照明条件下,对MEMS平面微运动模糊图像进行检测处理,提取和分析了MEMS运动轨迹.将该方法和在频闪条件下测得的MEMS器件的平面微运动幅值的结果进行了比对分析和讨论.由实验结果可以看出,本方法有较高的测量精度,其测量绝对误差小于0.02像素.     

机械制冷机微振动固支测力修正

机械制冷机微振动固支测力结果的工程应用存在载荷值有误差和加载位置不明确两方面问题。基于动力学分析提出一种微振动固支测力修正方法,将测得的作用在测力台面几何中心的微振动力转化为作用在制冷机动子处的微振动力,实现了制冷机微振动力与其支撑结构刚度和质量解耦。修正所得的力频谱特性反映了制冷机实际输出的微振动力频谱特性,力的作用位置为制冷机微振动实际产生位置,解决了测力结果工程应用存在的问题,修正结果可应用于制冷机的微振动特性评估和微振动响应分析。