Notching效应在MEMS单步干法制造工艺中的应用

研究了一种基于深反应离子刻蚀（DRIE）中notching效应的MEMS单步干法制造工艺.首先,基于DRIE刻蚀SOI硅片时notching现象产生的机理,设计了多种不同线宽的槽结构,验证notching效应的发生条件.实验结果表明,对于所采用的具有30μm器件层的SOI硅片,发生notching现象的临界槽宽为12μm,而notching释放的极限结构宽度同样为12μm.其次,为实现大面积结构的notching释放,研究了正方形、矩形、三角形及六边形等4种典型释放孔结构的干法释放效果.实验结果表明,六边形释放孔不但能够快速有效地释放结构,同时还能降低notch-ing效应的磨损,有利于惯性MEMS器件的加工.最后,设计了一种Z轴微机械陀螺结构以验证提出的设计及工艺.加工及测试结果表明,所提出的单步干法制造工艺完全满足微机械陀螺设计加工要求,工艺简单、成品率高,所测试的陀螺在常压下即可达到122的品质因数.     

MEMS陀螺六阶连续带通多反馈∑△M闭环控制系统

设计了一种用于MEMS陀螺敏感模态的六阶连续带通多反馈∑△M闭环控制系统,以及相应的系统参数多目标优化方法．与以往的低通∑△M闭环控制系统相比,该系统不仅具有更好的噪声整形特征,能较大程度抑制陀螺噪声,而且易于在PCB电路上实现．由于整个闭环系统非常复杂且非线度较高,采用遗传算法对系统参数进行了多目标优化．系统优化之后的仿真结果显示,当输入角速度为200°／8时,在64Hz带宽范围内陀螺信号的信噪比可大于90dB,底噪为-120dBV／／Hz．最后采用常压封装的z轴全对称解耦结构的绝缘体上硅陀螺在PCB电路上进行了系统功能验证,测试结果显示系统具有明显的带通噪声整形特征,陀螺底噪为-100dBV／Hm．     

MEMS陀螺随机误差补偿在提高姿态参照系统精度中的应用

为提高航姿系统姿态角测量精度,论文对MEMS陀螺随机误差的测试和补偿进行了研究。运用Allan方差方法分析了MEMS陀螺各项随机误差的特性,建立了针对MEMS陀螺的随机误差补偿模型。采用Allan方差辨识算法完成对各项随机误差的分离,获取速率随机游走(RRW)和角度随机游走(ARW)噪声方差值。通过设计的卡尔曼滤波器对MEMS陀螺随机误差进行实时估计补偿,利用姿态解算算法得到随机误差补偿前和补偿后各3个方向的姿态角。实验结果表明经误差补偿后系统的静态偏航角测量精度提高了3倍、横滚角提高了4倍、俯仰角提高了12倍。     

基于异构宏模型的Z轴微加速度计系统级建模与快速仿真

针对含复杂结构的MEMS器件,提出基于异构宏模型的系统级建模方法,即将MEMS系统分解为多个简单部件和复杂部件的组合,采用解析法建立简单部件的宏模型,而采用数值法建立复杂部件的宏模型,通过这些宏模型按器件的原始拓扑互连实现整个MEMS的系统级建模与仿真.以z轴微加速度计为例,对其中形状规则的平板质量块和平板电容器,采用解析法建立宏模型;而对于形状复杂的折叠梁,采用数值法建立宏模型,完成z轴微加速度计的系统级建模,并在Saber中进行系统级的时域、频域及pull-in仿真.将仿真结果与有限元分析结果及实验结果进行了比较,其时域仿真时间小于2 min,频率、pull-in电压相对误差小于2%,表明该方法能够快速有效地实现复杂结构MEMS器件的系统级建模与仿真.     

基于∑-△M的五阶MFLR数字微加速度计闭环控制系统

为了进一步抑制加速度计信号带宽范围内的噪声,提出并设计了一种基于∑-△M的五阶多反馈谐振式（MFLR）微机械加速度计闭环控制系统,该系统通过增加额外的内部负反馈对量化噪声进行再一次整形.微机械加速度计结构为一种全差分式结构,在结构层厚度为60 μm、基底层厚度为400μm的SOI硅片上,经过光刻、溅射、深度反应离子刻蚀等工艺步骤加工而成.整个闭环控制系统的Matlab/Simulink模型首先被建立,然后采用“单位圆分析法”进行系统参数的设定,系统仿真显示：当输入幅值1gn、频率128Hz的加速度信号时,加速度计的噪声为-136.2 dB,与传统五阶MF结构的∑-△M闭环控制系统相比,在0 ～500 Hz信号带宽范围内的噪声降低了7.9dB.最后整个系统在四层PCB电路板上进行了功能性验证和测试.     

一种MEMS工艺编辑软件的设计与实现

目前工艺仿真在MEMS CAD中的地位日趋重要,针对MEMS工艺的复杂性与多样化,该文在对工艺信息分析的基础上,采用TCl/TK语言开发了一种用于MEMS工艺流程编辑的软件.由该软件生成的工艺文件与版图文件结合,可用于器件的工艺仿真;且通过仿真结果,可验证工艺文件的合理性.     

基于∑-△调制技术的微加速度计系统研究

论述了∑-△调制器的基本原理,将∑-△调制技术应用于微加速度计系统,设计了一种新型的微加速度计,建立了系统模型.并对系统的频率特性进行了分析,表明基于该技术的微加速度计系统在工作频段内噪声能够得到有效的消除,且具有近似的线性相位.     

一种用电晕放电仪实现PDMS改性与键合方法

聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面改性与键合是微流控芯片制作中的关键技术之一。本文比较分析了PDMS常用表面改性方法的优缺点,利用电晕放电仪在常温环境下产生的氧等离子体实现了对PDMS表面改性及不可逆键合,优化了电晕放电仪的表面处理参数,重点测试了PDMS分别与PDMS和PMMA之间的键合强度。并与紫外照射、表面活化剂等表面改性方法得到的键合进行了强度比较。键合强度测试结果表明:常温下氧等离子体表面改性效果略逊于真空环境中的氧等离子体表面处理,但是其键合强度达到700KPa,高于其它表面改性方法的键合强度。     

一种有效提高真空封装硅微陀螺仪机械稳定性的方法

本文提出一种有效提高真空封装硅微陀螺机械稳定性的方法．通过谐振增益与模态频差的参数灵敏度关系可知,随着模态频差的增大,机械谐振增益对模态频差的灵敏度减小,外界环境引起的模态频差的微弱抖动量决定驱动、敏感模态频率差的设计极大值,因此当频差设计值的变化量等于外界引起的频差抖动量且谐振增益满足应用需求时,真空封装硅微陀螺的机械稳定性达到最优．仿真结果表明机械稳定性提高12．7％,最佳封装气压约为5．3kPa．实测结果表明,零漂提高到0．9mV时,刻度因子的线性度为700×10^-6,带宽提高3倍,约为89Hz．该方法为真空封装硅微陀螺仪的参数优化提供了理论依据．     

基于Krylov子空间投影法的MEMS宏建模方法

基于Krylov子空间投影法结合有限元分析(FEA)建立了一种宏模型提取方法,以便能够在系统级快速地建立器件宏模型.这种方法通过对整个2D或3D器件有限元分析的结果提取宏模型.基于这种方法建立的宏模型具有计算代价低、精度合适的特点,而且能方便地插入到系统级仿真器进行仿真.文中通过一个谐振器结构阐释了这一方法,并且针对所建立的谐振器结构宏模型进行了精确性验证.