MEMS耐高温压力传感器封装工艺研究

为解决特种压力传感器结构的封装难题,提出了三种能够适用于200°C高温条件下的先进封装技术.通过有限元模拟,确定了采用低温玻璃键合技术对多种压力传感器进行封装,分析得出了适合的中间键合层厚度.选定了高强度低膨胀基底合金材料,制定了低温玻璃键合的工艺流程,采用先进的丝网印刷工艺确保中间键合层厚度.实验表明经过该工艺封装的压力传感器在高温下具有可靠的性能,能满足现代工业测量需求.     

Effect of annealing temperature of Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7 gate insulator on performance of ZnO based thin film transistors

The bottom-gate structure ZnO based thin film transistors (ZnO-TFTs) using Bi_1.5Zn_1.0Nb_1.5O₇ (BZN) thin films as gate insulator were fabricated on Pt/SiO₂/Si substrate by radio frequency magnetic sputtering. We investigated the effect of annealing temperature at 300, 400, and 500℃ on the performance of BZN thin films and ZnO-TFTs. XRD measurement confirmed that BZN thin films were amorphous in nature. BZN thin films annealed at 400℃ obtain the high capacitance density of 249 nF/cm², high dielectric constant of 71, and low leakage current density of 10^-7 A/cm² on/off current ratio and field effect mobility of ZnO-TFTs annealed at 400℃ are approximately one order of magnitude and two times, respectively higher than that of ZnO-TFTs annealed at 300℃. When the annealing temperature is 400℃, the electrical performance of ZnO-TFTs is enhanced remarkably. Devices obtain a low sub-threshold swing of 470 mV/dec and surface states density of 3.21×10¹²cm^-2.     

聚酰亚胺多模干涉器结构的光学加速度传感器

针对电学原理的加速传感器在大温差、高电磁干扰的环境中的使用受限制,以及二氧化硅等无机材料制作的多模干涉器韧性差、折射率调节困难、尺寸较大等问题,提出了聚酰亚胺波导材料的多模干涉器结构集成光学加速度传感器。在外力作用下多模干涉器的输入/输出光场与干涉区会产生相对位移,导致各模式激励系数发生改变,通过输出场强的变化测得加速度。利用束传播法分析多模干涉结构以及环境温度与波导输出性能关系,以及有限元法分析力学结构对传感器性能的影响,结果表明这种传感器具有加工冗余度高、温度稳定性高和线性度较好等优点。     

柔性机构尺寸与形状优化新方法及实现

针对MEMS复杂器件优化困难的问题,提出了一种柔性机构尺寸与形状优化的新方法。该方法采用遗传算法(GA)与有限元方法(FE)联合的优化策略,用MATLAB软件作为"调度员",将ANSYS与MATLAB自带的遗传算法工具箱进行有机集成,共同完成柔性机构的优化功能。最后以一种柔性微杠杆机构为例,实现了提出的优化方法,给出了优化的结果。     

特种微机电系统压力传感器

通过对微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)压力传感器设计方法与封装制作工艺问题的研究,针对不同应用环境下对压力传感器的性能、尺寸及封装要求,提出相应的传感器力学结构模型——微压结构、梁膜结构及倒杯结构,通过相应的FEM有限元建模方法对传感器结构进行仿真分析并优化结构尺寸,建立合理的力学结构;进行MEMS工艺设计及封装工艺满足传感器微小尺寸、耐高温冲击响应及高过载能力等要求。其中,针对微压传感器在测量过程中高灵敏度与非线性矛盾问题进行力学分析及仿真,分析不同结构的传感器的力学特性及结构尺寸对传感器输出特性的影响,提出新型梁膜结构微压传感器结构,对新型结构传感器进行MEMS工艺研究;根据空气动力学试验、航空测试及火药爆破试验等对高温压力传感器的动态特性要求,采用倒杯式高频响压力传感器及齐平膜封装方式,提高传感器的动态响应特性,满足10 kHz到1 MHz的频响要求;通过有限元分析耐高温冲击封装结构,采用梁膜封装结构提高了耐高温压力传感器的可靠性。通过压力传感器仿真验证、静态特性试验及动态冲击响应试验验证传感器力学结构建模方法、MEMS工艺设计及封装设计的正确性。     

孔缝双桥结构高性能压阻式加速度传感器

针对装备智能化与监测系统无线化发展对振动传感器的要求,基于微机电系统和应力集中技术,提出并研制一种具有孔缝双桥结构的高灵敏度、高固有频率的压阻式微型加速度传感器。结合理论分析与数值计算方法,分析该结构的特性,通过研究孔缝尺寸对传感器性能的影响确定传感器敏感结构尺寸。传感器芯片采用微细加工工艺制作,并在简单的封装之后进行静态、动态性能测试。试验结果表明,孔缝双桥结构加速度传感器在3 V供电电压下,灵敏度可达到0.424 mV/g,相对传统双桥结构提高了60%以上,而测得的固有频率相对于传统双桥结构仅略有下降,仍在10 kHz以上。孔缝双桥结构加速度计通过引入应力集中孔缝,以较小的固有频率损失,明显提高了传感器的测量灵敏度,具有更为优良的综合性能。     

复合式叶片型面测量系统的误差 分析与补偿

针对具有复杂型面的叶片类零件检测中所面临的数字化测量问题,提出了一种复合式的测量原理与方法。分别采用接触式的电感原理和非接触式的激光三角原理测量叶片的叶根基准以及叶身型面,并基于此原理设计研制了叶片型面四坐标测量系统。研究中结合该系统的机械结构特征,对影响其测量精度的各项几何误差进行了系统的分析,并提出了基于激光干涉测量的误差提取与补偿方法。实验结果表明,应用提出的误差分析与补偿方法可有效获取叶片型面四坐标测量系统的几何误差并显著提高其测量精度。     

一种三维Mach-Zehnder型抗共振反射光波压力传感器

为了缩短传感器尺寸,提高耦合效率,提出了一种三维Mach-Zehnder型抗共振反射光波(ARROW)压力传感器.该传感器为一个金属分割的层叠ARROW结构以及两个3 dB垂直耦合器组成的Mach-Zehnder干涉仪.利用有限元方法(FEM)研究、分析了硅弹性膜片应力分布,确定传感器的结构设计参数.使用BPM分析由光弹性效应引起输出变化及其与压力之间的关系.结果表明,该传感器可通过调整垂直耦合器的长度来调节耦合效率,无需弯曲波导,可降低器件尺寸,实现压力检测.     

薄膜单点力传感器

针对处于点啮合状态下物体间啮合力的检测问题,提出薄膜单点力传感器。根据物体间啮合力较大的实际检测状况,利用碳二硫化钼压敏电阻油墨的轴向实心柱式压阻效应实现对点啮合物体间啮合力的检测。在研究现有成熟的丝网印制工艺基础上,通过丝网印制技术制作了薄膜单点力传感器,其厚度为0.15 mm。试验测试与分析可知,薄膜单点力传感器能够检测出点啮合物体间的啮合力;并且该传感器具有良好的性能,如灵敏度为 962.5 Ω/N,分辨率为0.002 N。     

纳米压入法测量中初始接触点判断问题研究

对于纳米压入法,在加载过程中,压头尖与试样表面的初始接触点必须判断准确,初始接触点判断的精度将对测量结果产生很大的影响.本文利用西安交通大学精密工程研究所研制的微力微位移测试仪,对初始接触点判断的相关问题进行了深入研究.在压头尖与试样表面接触前,由电容测微仪测得的位移值是加载装置空载下的输出值;而当压头尖与试样表面接触后,压头与试样之间将产生作用力,使电容测微仪的测量值偏离加载装置空载下的输出曲线趋势.分别用一直线和一多项式曲线对压头无载荷和有载荷作用时测得的电压位移曲线进行拟合,拟合直线和曲线的交点即可作为初始接触点.大量的实验表明,运用上述方法可使初始接触点的判断精度在±10nm.