微结构气体传感器的优化设计

利用SiO2相对于SiNx有更低的热导率,作为膜式微气体传感器的热绝缘和电绝缘层,而单晶Si适合通过各向异性腐蚀形成倒杯状结构来支撑SiO2膜。将膜式微气体传感器中的加热器和信号电极设计在一个平面上,以减小工艺复杂度,获得较高的加热效率。利用有限元分析工具ANSYS分析比较加热器和信号电极在不同宽度与间距时的温度分布。当设定加热器宽度为50μm,信号电极宽度50μm,加热器和信号电极间距为25μm,微气体传感器将获得更低的功耗和比较均匀的中心温度分布,有利于传感器整体性能的提高。     

微气体传感器结构设计和优化

设计了一种新型微气体传感器的电极结构,这种共平面型电极结构消除了加热器产生的磁场对测量信号的干扰。利用铂作为电极材料,SiO2作为隔热层,利用有限元软件分析优化,当SiO2,Si的厚度分别为50,250μm,加热电极的宽度、信号电极的宽度和间距分别为150,15,60μm时,传感器获得的中心温度较高且比较均匀的中心温度分布,有利于传感器整体性能的提高。     

体硅加工的压电式微加速度计的设计

提出并设计了一种采用体硅微制造工艺制造的压电式微加速度计,其中体硅加工的硅质量块由悬臂梁支撑且悬臂梁部分区域沉积ZnO压电薄膜.通过对压电悬臂梁建立一维解析模型,研究了影响加速度计灵敏度的结构因素.在此基础上,利用有限元方法软件ANSYS设计了实际的微加速度计,并对六种不同的微加速度计结构进行了分析,得到了不同结构微加速度计的工作频率范围及灵敏度结果.     

微机械气流式水平姿态传感器的结构研究

确定了微机械气流式水平姿态传感器2只热敏电阻器的最佳距离。采用有限元方法,利用ANSYS-FLOTRAN CFD软件,计算了在不同倾斜状态下两热敏电阻器间距对敏感元件内流场分布的影响。计算结果表明：当两热敏电阻器的间距d改变时,温度场和流场都发生变化;在热敏电阻器加热功率一定的情况下,2只热敏电阻器处气流速度差△v与倾角的关系曲线也随d发生变化。d=400μm时,线性范围最小,斜率最小;当d=300μm时,线性最好,斜率较大;d=200μm时,线性范围较窄,斜率最大。当d=400μm时,传感器线性范围最小,灵敏度最小;当d=300μm时,传感器的线性最好,灵敏度比较大;d=200μm时,线性范围较窄,灵敏度最大。综合比较,取d=300μm为最佳方案。     

振动式微机械隧道陀螺仪的制备工艺

振动梁式微机械隧道陀螺仪是一种以悬臂梁作为换能构件,以电子隧道效应为输出敏感方式的高精度和高灵敏的角振动传感器,解决了传统机械陀螺仪因尺寸减小而导致的灵敏度降低的缺点。结合微机械隧道陀螺仪的尺寸特点:硅尖与下电极的距离为1μm,齿厚和齿间距之间的距离为4μm,梁的厚度为50μm,提出硅正面刻蚀—玻璃上电极制作—硅玻键合—硅背面减薄—硅背面刻蚀的DDSOG(DeepDrySiliconOnGlass)工艺方案,成功实现了整个器件的工艺制备。本文就DDSOG工艺中的关键工艺进行了一一论述,该工艺不仅能用于隧道陀螺仪的制备,同时也可以制作其它高深宽比传感器或执行器。     

全叉指电极d33模式压电悬臂梁俘能器研究

为了克服表面叉指电极d33模式微机电系统(MEMS)悬臂梁振动俘能器中存在的压电材料极化不完全、存在弯曲电场等问题,提出了一种电极贯穿于整个压电层的全d33模式MEMS悬臂梁振动俘能器.根据机电耦合模型,分析了电极尺寸与材料厚度对压电俘能器输出功率的影响.优化结果表明:当硅基底厚度为20μm、电极宽度1μm时,电极间距最优范围为25～75 μm,PZT材料最优厚度为7μm,归一化后得到功率密度为34.5mWcm-3gn-2.通过在表面叉指电极d33模式俘能器的基础上增加电镀电极工艺,设计了不锈钢基底的全d33模式MEMS俘能器的工艺流程,完成了部分单元工艺.     

基于Ansys的悬臂式簧片振动模态仿真和分析

运用Ansys软件对悬臂式簧片振动模态进行了有限元分析,得到簧片十阶之内的振动频率和振型变化,并将仿真结果与Matlab计算结果进行比较,同时考察了长度、宽度和厚度变化对簧片模态的影响规律,并采用响应面分析法得到长度、宽度和厚度与簧片基频之间的回归方程及各因素对基频的影响显著性。结果表明,簧片的振动频率随着阶次的增加而增大;Ansys仿真得到的频率和振型变化与Matlab计算结果基本一致,误差较小;振动频率随长度和宽度的增加而减小、随厚度的增加而增大;簧片长度和厚度对基频的有显著影响,而宽度对基频的影响不大,影响显著性顺序为:长度厚度宽度。本研究可为悬臂式簧片的结构设计及动态特性分析提供理论依据。     

一种用于微喷的感应加热器设计与仿真

提出了一种用于热微喷头的感应加热器新结构。进行了相关的结构和工艺设计,在MEMS工艺环境下制作出了可以非接触加热,工艺结构简单,使用寿命长的微感应加热器。使用ANSYS对微感应加热器进行了建模和仿真分析,结果显示:感应加热器的最大加热功率可达到5 mW以上,满足设计要求,同时得到了感应加热器的功率影响因素。     

高灵敏集成光学加速度计的优化设计

针对基于光弹效应的集成光学微腔悬臂梁式加速度计难以同时实现高灵敏度和高抗冲击性的问题,提出增加光学微腔周长的方案。经过详细的理论分析得出:通过增加微腔周长可以有效地增加惯性力下微腔谐振点波长偏移量,提高探测灵敏度。设计了多回路长直跑道型微腔结构,在100μm×600μm悬臂梁区域内集成出周长达5297μm的硅微谐振腔。利用MEMS工艺制作出所设计的微腔结构,测试品质因数达105。该结构应用于加速度等传感器中,在不减小传感器抗冲击性和量程的前提下,能有效提高探测灵敏度。     

阵列式脉象传感器的设计与制作

提出了一种用微机电系统(MEMS)技术应变传感器阵列探头客观细腻地采集人体脉象的新思路。探头采用直接腐蚀出电阻条的技术,具有工艺简单、成本低廉、电阻变化率高、工作可靠等优点。对设计进行了理论计算和优化,并用有限元分析软件ANSYS8.0进行了结构和电耦合场仿真,模拟悬臂梁端点位移对电阻变化的影响。当悬臂梁末端位移变化为50μm时,电阻变化率模拟结果为18.84%,与理论计算值19.67%符合得很好。     

高地温矿井采空区煤自燃O2浓度场分布研究

针对采用理论分析及实验研究的方法研究高地温对采空区煤自燃的影响难以全面反映采空区煤自燃O_2浓度场分布情况的问题,采用Fluent数值模拟软件对高地温矿井采空区及进风侧、回风侧和采空区中段O_2浓度场分布规律进行了研究。结果表明:(1)在通风量相同情况下,温度从24.8℃升高到40℃时,O_2随着风流向整个采空区渗入,O_2浓度随采空区深度增加而减小;在温度相同情况下,当风量从1 800m3/min增大到2 700m3/min时,采空区漏风范围大幅度提升,采空区O_2浓度场变化明显,O_2几乎充满整个采空区,并且高浓度O_2存在范围增大,此时由于热量积聚导致采空区温度升高,采空区内部遗煤温度也持续增加,煤氧复合作用加快,遗煤自燃的可能性增大。(2)随着采空区距工作面距离增大,O_2浓度减小,进风侧O_2浓度大于回风侧O_2浓度,表明进风侧煤自燃危险性大于回风侧。(3)随着采空区深度增加,进风侧与采空区中段O_2体积分数持续减小,曲线斜率呈先增大后减小趋势;回风侧O_2体积分数随采空区深度增加呈减小趋势;大量高浓度O_2存在于采空区150m之前,整个采空区进风侧与采空区中段煤自燃危险性均大于回风侧。(4)当温度为40℃、通风量为2 700m3/min时,氧化带最大宽度为131m,将该最大宽度视为开采最大理论宽度,进一步计算安全推进速度,可为煤矿开采提供理论依据。     

压阻掺杂浓度对高gn加速度计动态性能影响

采用有限元方法研究在不同压阻工作温度下压阻掺杂浓度对高gn加速度计动态冲击性能的影响。结果表明：器件动态冲击响应是受迫振动与悬臂梁固有振动叠加的结果,且压阻灵敏度系数与工作温度成正比。当T〈20℃时,悬臂梁固有振动明显,并且,器件动态冲击响应峰值电压随着压阻掺杂浓度升高而降低;当r在20℃附近,峰值电压随掺杂浓度变化不明显;当T〉20℃时,随着温度升高,悬臂梁固有振动频率渐受压制,传感器动态冲击响应渐表现为受加速度冲击受迫振动,且峰值电压随掺杂浓度提高而增大。在1×10”～1×10^21cm^-3。范围内,在0,20,100℃时,峰值电压差值分别为2,0,9mV。     

一种微腔型PCR集成芯片的设计及其热分析

设计了一种新型的硅微聚合酶链式反应(PCR)芯片.该芯片采用掺杂半导体作为加热电阻来提高加热效率,改善反应腔内的温度均匀性.集成在芯片底部的Pt温度传感器与微加热器组成温度控制单元,为PCR反应过程提供所需的三种特定温度.此外,为了便于温度校准,设计了敞开式的反应腔,其容积约1.78 μL.采用集总参数法计算了芯片在加...     

非晶硅微测辐射热计热学和光学分析

通过理论计算得到了桥腿长度和宽度与热导和桥面温升之间的线性关系,辐射功率和桥面温升之间的线性关系,并利用ANSYS软件对线性关系进行模拟验证.根据光学导纳矩阵法,利用MatLab软件模拟微测辐射热计对红外线的吸收率,结果表明微测辐射热计对8～13μm波段红外有很好的吸收率.分析结果为微测辐射热计的研制提供了可靠依据.     

集成毛细管电泳芯片的设计

利用ANSYS软件对集成毛细管电泳芯片微沟道内样品流动情况进行模拟,获得了不同进样模式下微沟道的结构与流体流速之间的关系,并以此为依据对芯片整体结构参数进行设计:毛细管沟道最终尺寸为宽度16μm,深度10μm,有效分离长度为3.5cm的圆角转弯形沟道,从而确定整个芯片设计。     

微力微位移天平测试方法

介绍了一种简单有效的微力、微位移天平测试方法,通过对薄型硅悬臂梁进行力—挠度特性测试进而提取材料杨氏模量的方法是简便、可行的。还介绍了用于测量薄膜应力的悬臂梁挠曲法,对于硅上热生长1.1μm SiO_2的结构,测得SiO_2膜内的压应力为200～230MPa.微力微位移天平测试方法操作方便,仪器成本低,具有较高精度。     

宽度和长度缩减对体硅和SOI nMOSFETs热载流子效应的影响

针对标准体硅在CMOS和PD SOI CMOS两种工艺下的nMOSFETs,研究了沟道长度和宽度缩减对热载流子效应的影响。实验结果表明,在两种工艺下,热载流子的退化均随着沟道长度的减小而增强;然而,宽度的减小对两种工艺热载流子退化的影响却截然不同：体硅工艺的热载流子退化随宽度的减小而增强,SOI工艺的热载流子退化随宽度的减小而减小。基于界面态对热载流子效应的影响深入分析了长度减小导致两种工艺下热载流子退化均加重的原因;同时基于边缘电场分布对热载流子效应的影响解释了宽度减小导致两种工艺下热载流子退化规律截然相反的现象。研究结果对于实际深亚微米工艺下,集成电路设计中器件工艺尺寸和版图结构的选择具有一定指导意义。     

TMAH腐蚀液制作硅微结构的研究

通过各向异性腐蚀硅微结构工艺,研究了四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液的特性,包括硅(100)晶面腐蚀速率与TAMH溶液浓度、温度、pH值以及过硫酸铵添加剂的关系,并采用原子力显微镜研究了不同腐蚀条件下硅的表面形貌,研究表明:随TMAH溶液的浓度的降低和腐蚀温度的提高,腐蚀速率提高,硅腔的表面粗糙度增大;过硫酸铵添加剂明显改善了硅微腔的表面平整度.本研究所确定的最佳腐蚀工艺条件为:溶液中TMAH浓度为25%,过硫酸铵添加剂浓度为3%,腐蚀温度80℃.在此工艺条件下腐蚀出了深度为230 μm、表面粗糙度小于50 nm的硅微腔.     

遥控释药胶囊微点火电路的设计与仿真

介绍了用于遥控释药胶囊的微点火电路设计.采用微气体传感器中的膜式结构,通过有限元分析工具ANSYS 12.1对不同参数的点火电路进行仿真,分析比较了不同点火电阻器线宽和间距的温度场分布,当点火电阻器的线宽为20 μm、间距为10 μm时,中心有效区域的温度分布比较均匀且功耗最低.当点火时间为0.05 s,点火温度为375℃,点火功率为20 mW时,结果表明:设计的微点火电路功耗低至20 mW,满足了低功耗的要求,提高了遥控释药胶囊的整体性能.     

中国微米纳米-用于单电子自旋探测微悬臂梁的制作及端头磁颗粒设计

提出一种用于单电子自旋探测微悬臂梁的制作方法.采用顶层Si厚度为1μm的SOI硅片,在器件层刻蚀出悬臂梁图形后,利用热氧化将Si梁减薄至0.5μm,同时生成SiO2保护层.在KOH溶液进行体硅刻蚀过程中,以黑蜡和SiO2保护层作为正面保护,之后用溶液置换方法完成埋氧层去除及悬臂梁清洗过程.悬臂梁尺寸为465 μm×10 μm×0.5μm,室温真空中Q值为23 000,在低温环境中可以满足单电子自旋探测要求.分析比较了球体、圆锥体、圆柱体三种磁针尖磁场梯度分布,为磁针尖结构设计提供了依据.