工艺特性对二维微加速度传感器性能的影响

工艺特性在很大程度上决定了MEMS器件最终的功能特性.本文针对自主设计的二维微加速度传感器,在概念设计阶段定量分析了工艺特性对传感器性能的影响,主要包括质量偏心、梁加工误差、结构对称性、非平行效应等.结果表明:质量偏心会引起角位移变化,但对主轴刚度无影响,传感器不会有输出;在现有工艺条件下,可忽略梁厚误差的影响,但需严格控制梁宽误差;各种不对称方案对传感器主轴刚度和横向灵敏度的影响程度不同,不对称方案对横向灵敏度的影响随着不对称性的加剧而增大;非平行效应使得在相同外载荷作用下敏感轴向位移减小,但静态灵敏度却有所增加.     

用于微结构几何量测量的MEMS三维微触觉传感器的性能测试

针对一种用于微结构几何量测量的微机电系统(MEMS)三维微触觉式传感器,开展了传感器的性能测试,系统评价了该传感器的性能.为了检测传感器的输出信号,提出了敏感梁上排布16个压阻的三维差动式压阻排布方式,并研究相应的压阻信号的全桥检测方法和微弱信号的调理电路,研究了基于高精度坐标定位平台的传感器三维性能测试方法和测试装备.通过实验,获得传感器的轴向100 nm的分辨力,4.7μm的量程,低于0.15%的线性误差,低于0.5%的轴间耦合度;以及在横向100 nm的分辨力和低于0.37%的线性误差等性能参数.     

MEMS三维微力探针传感器设计及性能测试

设计了一种基于压阻效应的微机电系统(MEMS)三维微力探针传感器并对其进行了性能测试.传感器传感单元采用四梁支撑结构,接触探针采用台阶式石英光纤,使传感器的抗干扰能力和灵敏度得到了显著的提高.设计了传感器的过载保护单元,传感器整体尺寸为4 mm×4 mm×16 mm.利用三维超精密定位平台与分析天平搭建传感器测试平台,对三维微力传感器进行性能测试.测试结果表明,该传感器灵敏度优于0.010 6 mV/μN,分辨率优于3μN,非线性误差优于传感器满量程的0.94%.因此,该传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强、线性好、分辨率高的特点,在微力测试领域拥有广阔的应用前景.     

高量程MEMS加速度计灌封后的动态响应

对双悬臂梁高量程MEMS加速度传感器的封装结构进行了1×105g峰值的半正弦加速度冲击载荷下的有限元响应分析。灌封胶弹性模量的变化对加速度计的输出信号(输出电压、悬臂梁的挠度)的影响可以忽略。输出电压曲线的峰值与解析解接近。加速度计的悬臂梁表现为有阻尼下的受迫振动,并表现出悬臂梁的固有频率特性。输出信号的峰值与加速度载荷的峰值均呈很好的线性关系。灌封胶的弹性模量大于4GPa时胶已经足够硬,适宜用于保护芯片。     

一种适用于原位纳米力学测试的AFM测头

设计并制作了一种适用于原位纳米力学测试的原子力显微镜(AFM)测头.测头由光学检测系统和Z向压电陶瓷微位移机构组成.其中光学检测系统采用光杠杆与显微镜同轴光路检测探针形变,压电位移机构内置电容传感器可实现探针进给量的闭环控制.标定实验表明该测头闭环位移分辨力优于10 nm,在标定范围内具有很好的线性.利用该测头对某型微悬臂梁法向弹性常数进行了测量,测得值与采用具有溯源性的标定方法所得结果一致.     

微型航姿系统中三轴MEMS加速度计组合误差建模方法

根据微机械(MEMS)加速度计的测鲢原理对其误差源进行了分析,并研究了微型航姿系统中加速度计的非正交零偏以及温度特性.基于加速度计输出电压随温度变化的规律,利用分温度段对加速度计进行六位置标定的方法建立加速度计的误差模型,并应用于微型航姿系统,实现加速度计的实时补偿.多次实验结果表明,加速度计的误差模型校正了加速度计的...     

考虑尺度效应的微振动能量采集器建模

考虑尺度效应~([1]),引入等效杨氏模量以便于对微压电悬臂梁进行有限元建模。搭建了振动特性实验平台,验证了考虑尺度效应的微梁动力学模型准确有效。在此基础上完善了微振动能量采集器的动力学模型,设计并制备了T型Si悬臂梁振动能量采集器。通过实验测试得到采集器的谐振频率、尖端位移和输出电压,与有限元分析结果相比较,改进模型比宏观模型的误差降低了13%,35%和22%。     

收集环境振动能微压电悬臂梁的制作工艺与测试

研制长寿稳定电源已经成为微型无线传感网络中亟待解决的关键技术问题,现有的化学电池容量有限,需要不断地逐个更换耗尽的电池,难以满足无线传感网络的实际应用.提出了利用压电材料的机电耦合特性收集环境振动能,设计了一种用来收集环境振动能的压电微悬臂梁结构,介绍了用MEMS工艺制作带质量块的硅基压电悬臂梁微电源的工艺流程.质量块可以降低器件的谐振频率,并提高输出电功率.最后,对制作的微压电悬臂梁进行了固有频率测试以及静态和准静态标定实验.     

横向负载下三维微触觉传感器的力学模型

提出了一种用于微结构几何量测量的MEMS三维微触觉式传感器在横向负载下的力学模型，用于指导传感器的设计和优化．对传感器的整体刚度、敏感梁的应力分布、检测灵敏度及线性灵敏度进行了计算．利用ANSYS有限元仿真方法模拟了传感器的应力分布，分布曲线与理论曲线的偏差小于3．87％，最大应力的仿真和理论偏差小于3．63％．通过一个已完成传感器的性能标定，灵敏度的实验和理论误差为7．79％，实验值线性误差为0．2％．     

一种指尖三维力传感器设计

设计了一种用于仿人灵巧手的指尖三维力传感器,采用十字梁与中心直梁相结合的结构实现对三维力的感知。首先利用ANSYS工具对设计的十字梁弹性体进行静力学分析,通过分析对弹性体的结构尺寸进行了优化,并给出了最佳贴片方案;最后对设计的指尖三维力传感器进行静态标定试验,建立了维间耦合误差模型,利用静态解耦算法对传感器耦合误差进行解耦计算,有效提高了指尖三维力传感器的测量精度。实验结果表明:设计的三维指尖力传感器的测量精度优于2.5%。     

微小摩擦测试系统设计

针对介观尺度下的微小摩擦测试系统进行了设计,给出了一种基于平行梁结构的微小摩擦力测试方法及其测试装置,介绍了该测试装置的设计方法、测力传感器的结构设计、微小摩擦力测试原理及测力传感器标定方法。通过光反射法对测力传感器进行标定及微小摩擦力测量,通过对测量数据分析,得到微小摩擦力实验规律。实验结果表明:该装置分辨率可达到为10 μN,可满足短行程高分辨率的微小摩擦力测试的需要,同时对测量过程中出现的载荷不稳定情况进行了分析。     

具有溯源性的原子力显微镜探针法向弹性常数标定系统

原子力显微镜(AFM)悬臂梁探针的弹性常数在微纳米尺度力学测试中十分重要,其准确程度直接影响力学测量结果的可靠性,故需对其进行精确标定.因天平法的测量结果可溯源,本文在已有天平法的基础上,研制了一套新型标定系统.该系统将AFM测头与超精密电磁天平相结合.微悬臂梁在精密位移台的带动下接触天平并产生弯曲,接触力由天平测得,微悬臂梁的弯曲量由光杠杆检测,并通过反馈系统进行精确控制,最后根据胡克定律计算出弹性常数.利用本系统对4种不同型号商用微悬臂梁探针的法向弹性常数进行了标定,标定结果表明本系统具有良好的测量重复性.通过进行不确定度分析,得到测量结果的相对标准不确定度优于2%.     

微悬臂梁法向弹性系数的标定方法与分析

微机械加工制造的微悬臂梁/探针在科学研究和工业生产中有着重要的应用,作为原子力显微镜中的关键核心组件,微悬臂/探针结构在许多领域如表面特性研究和微加工等领域扮演着重要的角色.目前,尤其在生物、化学、和危险物品的检测上已经成为一个重要的平台.除了尺度测量外,当人们对表面力和原子间的相互作用力需要更准确和绝对的数值时,需要对微悬臂的弹性系数进行准确的标定,弹性系数的测量精度影响测量力学量的最终结果.本文对目前发展起来的几种标定方法,如参考悬臂梁的标定方法、悬臂梁的共振法和悬臂梁的热噪声振动法,从原理上和试验上进行总结和分析,对相应测试方法和影响测试精度的相关因素进行评述.     

多功能阵列式触觉传感器的研究

介绍了一种以MEMS技术制作的可定量获取三维接触力信息的 4× 8阵列触觉传感器的结构与工艺 ,提出一种新颖的三维接触力信息的获取与处理方法 ,并给出了实现接触、分布压、接触总力、滑动状态等多种功能的实验结果和主要的技术指标。     

Calibration of Multi-Axis MEMS Force Sensors Using the Shape-From-Motion Method

Precise calibration of multi-axis microelectromechanical systems (MEMS) force sensors is difficult for several reasons, including the need to apply many known force vectors at precise orientations at the micro- and nanoNewton (nN) force scales, and the risk of damaging the small, fragile microdevices. To tackle these challenges, this paper introduces the shape-from-motion calibration method. A new design of a two-axis MEMS capacitive force sensor with high linearity and nN resolutions is presented. Structural-electrostatic coupled-field simulations are conducted in order to optimize the sensor design. The designed sensor is calibrated with the shape-from-motion method, the least-squares method as well as the gravity-based method for comparison purposes. Calibration results demonstrate that the shape-from-motion method provides a rapid, practical, and accurate technique for calibrating multi-axis MEMS sensors     

3D finite element analysis of electrostatic deflection of commercial and FIB-modified cantilevers for electric and Kelvin force microscopy: I. Triangular shaped cantilevers with symmetric pyramidal tips

The investigation of the nanoscale distribution of electrostatic forces on material surfaces is of paramount importance for the development of nanotechnology, since these confined forces govern many physical processes on which a large number of technological applications are based. For instance, electric force microscopy (EFM) and micro-electro-mechanical-systems (MEMS) are technologies based on an electrostatic interaction between a cantilever and a specimen. In the present work we report on a 3D finite element analysis of the electrostatic deflection of cantilevers for electric and Kelvin force microscopy. A commercial triangular shaped cantilever with a symmetric pyramidal tip was modelled. In addition, the cantilever was modified by a focused ion beam (FIB) in order to reduce its parasitic electrostatic force, and its behaviour was studied by computation analysis. 3D modelling of the electrostatic deflection was realized by using a multiphysics finite element analysis software and it was applied to the real geometry of the cantilevers and probes obtained by using basic CAD tools. The results of the modelling are in good agreement with experimental data.     

电阻热效应对力式微固态测风传感器测量精度的影响

本文就电阻热效应对基于风的拖动力原理的微型固态测风传感器测量精度的影响进行了研究.微型固态测风传感器通过溅射在悬梁上的铂电阻测量悬梁弯曲应变来获得风速信息和简单的风向信息.风吹过铂电阻时,除了应变引起电阻阻值变化外,由于热传导、对流、辐射等热效应,其阻值也会随着风速的变化而变化.当热效应引起的电阻的变化趋势和应变引起的电阻变化趋势相反时,传感器的输出先减小后增大,风速测量产生较大误差.文中对两种铂电阻在悬梁上的放置连接方式的传感器进行了理论分析,通过对利用MEMS工艺制作的两种传感器的测试,证实理论分析与实验结果相符.     

Three‐dimensional modelling of intergranular fatigue failure of fine grain polycrystalline metallic MEMS devices

This paper presents a 3D finite element model to investigate intergranular fatigue damage of microelectromechanical systems (MEMS) devices and to account for the effects of topological randomness of material microstructure on fatigue lives. The topology of MEMS material grain structures is modelled using randomly generated 3D Voronoi tessellations. Continuum Damage Mechanics is used to model progressive material degradation due to fatigue. A new 3D micro‐grain debonding procedure is developed to consider both intergranular crack initiation and propagation stages. The fatigue damage model is then used to investigate the effects of microstructure randomness on the variability in fatigue life of cantilever MEMS devices. Three different types of randomness are considered: (1) topological disorder due to random shapes and sizes of the material grains, (2) variation in material properties considering a normally (Gaussian) distributed elastic modulus and (3) material defects or internal voids. The stress–life results obtained are in good agreement with experimental data. The progression of damage and the overall crack pattern obtained from the microcantilever beam model are consistent with empirical observations.