微型机电系统

分析了微型机电系统的特点、主要科学技术问题、应用和市场.预计到2003年微小系统的市场约为400亿美元,是商用航空业的一半.简介了我国的研究情况.国际上微型机电系统技术刚走向全面发展,正是我国发展该领域的好时机.     

微型机电系统的计算机辅助设计系统简介

虽然微型机电系统的制造通常使用基于集成电路工艺的平面制造技术,但由于ＭＥＭＳ器件的三维特性,使它与ＩＣ的制造有很大不同。而且,它涉及复杂的多能量域问题,给设计分析带来一较大难度。为加快ＭＥＭＳ的设计过程,需要有相应的计算机辅助设计系统（ＭＥＭＳＣＡＤ）。文中介绍了ＭＥＭＳＣＡＤ的系统结构及国外的发展现状。     

微机电系统(MEMS)纳米摩擦学研究进展

随着微型机电系统(MEMS）的快速发展，MEMS摩擦学已成为当前纳米摩擦学研究中最活跃的前沿领域之一。微观尺寸上的摩擦磨损和润滑对整个MEMS系统的性能、稳定性和寿命起着决定作用，因此研究MEMS的微观摩撩学性能至关重要。本文对近年国内外MEMS摩擦学研究的新进展作了综述，介绍了MEMS系统的纳米摩擦学特性，讨论了包括环境条件、材料处理、表面改性、分子超薄膜润滑等在解决MEMS摩擦和润滑问题上的研究状况，提出了当前相关研究的几个重要问题。     

微电子机械系统在相控阵天线中的应用

主要讨论了微电子机械系统(MEMS)在相控阵天线中的应用。在介绍用MEMS开关器件实现的移相器、无源微波传输线、可转动天线单元等之后,重点讨论了微电子机械天线(包括宽频带、多频段可重构天线孔径)。     

SU-8胶光弹性性能显微测试

考虑获知SU-8胶的光弹性性能有利于拓展其在微纳米领域中的应用范围,本文设计了材料应力光学系数显微测量光路,完成了SU-8胶应力光学系数的测量实验。首先,基于光弹性原理设计了测量光路,推导了求解应力光学系数的计算公式;然后,根据所设计的光路搭建了应力光学系数显微测量实验装置,在SU-8胶试样光弹性条纹的单个半级数范围内进行了单向拉伸实验;最后,利用Matlab提取实验照片组中光强值信息,得到了不同拉力下透过SU-8胶试样的单色光光强值,计算求解出了SU-8胶的应力光学系数。实验结果以及测量公式计算显示,SU-8胶的应力光学系数为(3.007±0.149)×10–11 m2/N,大于光学玻璃等材料的应力光学系数,也远大于二氧化硅等MEMS领域常用材料的应力光学系数。实验结果可为以SU-8胶为材料,通过光弹性原理进行微力测量的微探针、微夹钳等的设计与制作打下基础。     

基于SU-8胶的新型被动式微型阀

为了在微流体控制系统中实现对流体流速的控制和流体的单向流动,借鉴人体心脏瓣膜的结构,设计了新型被动式微阀.选用SU-8作为被动式微型阀的结构材料,用ANSYS仿真了不同厚度(10,15,20 μm)的阀门膜片在不同压力作用下的挠度与应力,进而确定了合适的阀门膜片厚度.利用微细加工技术,集成加工了微型阀,并由此确定和优化了微型阀的加工工艺.用去离子水作为介质测试了微型阀的过流特性,在正向压力为11.7 kPa的压力作用下,测得A、B型被动式微阀的正向流速分别为1.66 ml/min和1.35 ml/min.对测试数据的分析表明,设计的微型阀有线性控制的潜能.以SU-8胶作为结构材料的微型阀不仅性能较好,同时具有生物兼容性,可扩展微型阀的应用范围.     

PEEK基自润滑复合材料的摩擦学研究和应用

聚醚醚酮(PEEK)基自润滑复合材料具有摩擦因数低、耐磨性好等特点,可以在无润滑、高温、潮湿、污染、腐蚀等恶劣环境下使用。本文综述了对聚醚醚酮(PEEK)基复合材料摩擦学研究的新进展,讨论了纤维增强、无机填充、有机共混改性以及温度、对偶和介质、固体润滑剂等对PEEK基复合材料摩擦学性能的影响,介绍了PEEK基复合材料在人工关节假体材料方面的应用,指出PEEK摩擦复合材料今后的研究方向,以期扩大PEEK复合材料的摩擦学工程应用。     

SU-8胶光刻工艺研究

SU-8胶是一种基于环氧SU-8树脂的环氧型的、近紫外光、负光刻胶.其专门用于在非常厚的底层上需要高深宽比的应用.但是SU-8胶对工艺参数的改变非常敏感.本文对影响光刻后图形质量的主要工艺参数前烘温度和时间、中烘温度和时间、曝光时间及显影时间进行了研究,发现前烘时间和显影时间是影响图形分辨率及高深宽比的最主要的参数.随后给出了200μm厚SU-8光刻胶的建议工艺条件:200μm/s甩胶,1h的95°C前烘,近紫外光(400nm)接触式曝光,95°C的中烘 30min,PGMEA中显影20min.另外对实验中实现的主要问题基片弯曲和光刻胶的难以去除作了一定的探讨,给出了合理化建议:对于基片弯曲可采用以下四种措施来降低,降低中烘的温度同时增加中烘的时间、用厚硅片来代替薄硅片、对于薄硅片在前烘后可用金刚刀切成4～8小片、适当的设计掩模板;对于光刻胶的去除用热丙酮泡、超声清洗、反应离子刻蚀和高温灰化法相结合,能达到较好的效果.     

A thick SU-8 mask for microabrasive jet machining on glass

This work presents the implementation of a thick SU-8 layer as a mask in the microabrasive jet machining (μ-AJM) process. A microchannel with an aspect ratio of 0.33, which was obtained in this work, had an arc-shape with a width of 190 μm and a depth of 70 μm. The process phenomena that are important for achieving a qualified microchannel for microfluidic applications are discussed. By using the repeated sequence of steps proposed in this paper, three-dimensional microchannels on a single glass slide can be fabricated.     

SU-8 紫外深度光刻的误差及修正

在深紫外LIGA加工中,制作高精度大高宽比的微器件是很困难的。难点在于SU-8 光刻胶对紫外光的吸收系数随着波长变短而很快变大,而且其穿透深度也相应迅速变小;同时由于紫外光的衍射效应,获得高精度的大高宽比结构并不容易。本文深入研究了影响紫外深度光刻图形转移精度的如下因素:衍射效应、曝光剂量、紫外光波长和蝇眼透镜的分布等等。建立了基于模型区域的校正系统,该校正系统采用了分类分区域的思想将掩模图形按其畸变的特点进行了分类,在校正过程中对不同的类别分别建立校正区域,在每一校正区域内进行校正优化处理和校正评价,这种基于模型的分类分区域评价思想,使得校正过程有效且实时,该校正方法不仅降低了校正的复杂性,同时提高了校正的效率。     

具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器.采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计.利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性.提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能.结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93℃,并对微夹钳产生约2.5 μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量.微驱动器仅消耗大约30.35 mW的功率,钳口的平面外运动小于500 nm.最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2 mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求.     

UV-LIGA中光源波长和曝光量对SU-8光刻胶微结构的影响

基于UV-LIGA技术采用SU-8光刻胶制备了高深宽比微结构,最高深宽比达201.研究了改变光源的波长和曝光量对SU-8光刻胶成形的影响,揭示了在一定范围内线宽随曝光量非线性变化的规律.从聚合度和聚合所得高分子结构两方面对该变化规律给出了合理的解释,并基于该变化规律提出了一种新的消除微结构倒角的方法.     

基于SU-8胶的微针执行器的研制

利用MEMS技术设计和制作了一种微量取样执行器.执行器由微针、微通道、反应室、电极以及永磁微阵列等各部分组成,通过外部磁场可以实现双向线性地驱动.利用SU-8光刻胶为主要材料,采用多级曝光和电铸金属实现3D结构的工艺技术,研制出了微针执行器的雏形器件.针尖的尺寸为500μm×60μm× 60μm,针孔截面为20μm×20μm.     

SU-8胶紫外光刻的尺寸精度研究

研究了衍射效应对SU-8胶紫外光刻尺寸精度的影响。根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型,预测微结构的尺寸,分析了光刻参数变化对尺寸的影响。为了更好地与数值模拟结果进行比较,以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究。实验分四组,实验中掩模的特征宽度分别取50 μm、100 μm、200 μm和400 μm,SU-8胶表面的曝光剂量取400 mJ/cm²。用扫描电镜测量了微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,用MATLAB软件对紫外曝光过程中SU-8胶层内曝光剂量的分布情况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本吻合。数值模拟结果为进一步的实验研究提供了光刻参数的参考值。     

Self-lubricating materials for plain bearings

Performance in plain bearing applications of commercially available self-lubricating materials, including ptfe and other plastics and metals containing solid lubricants, is described. They are most useful as either dry bearings or bearings in marginally lubricated situations. Some specific applications are included     

用SU-8胶加工微结构的试验研究

以正交实验设计为研究方法,对采用负性光刻胶（SU-8）加工高分辨率和高深宽比微结构进行了工艺研究,得出：前烘温度与前烘时间对光刻质量影响最大,对120~340μm厚的光刻胶,前烘温度取90℃,前烘时间50~120min时图形质量最佳。分析了高深宽比微结构电铸的特点,实验表明传质是微细电铸的限制性环节。实现了光刻、电铸加工微结构的工艺参数优化。     

微机电系统中SU-8厚光刻胶的内应力研究

在对基片曲率法常用的Stoney公式进行必要修正的基础上,提出了适合计算SU-8胶层内应力的理论模型,并采用轮廓法直观地测量了内应力引起的基底曲率的变化.通过ANSYS仿真揭示了基片直径,胶层厚度及后烘温度三者对基片曲率的影响.仿真结果表明:后烘温度是影响胶层内应力的主要因素.实验测量了后烘温度分别为55℃、70℃和85℃三种条件下的SU-8胶层的内应力.结果表明:降低后烘温度能有效地减小SU-8胶层的内应力,实验测量值与仿真计算值基本吻合.内应力的测量为SU-8胶层内应力的定量研究奠定了基础.     

超声处理对UV-LIGA工艺中SU-8胶溶胀的影响

首次将超声处理引入UV-LIGA工艺中,研究了超声处理对SU-8胶模溶胀的影响,并探讨了其影响机理,从而获得了减小胶模溶胀及提高电铸微器件尺寸精度的方法.试验研究了超声处理对显影过程及电铸过程中SU-8胶模溶胀的影响,分析了不同超声时间下SU-8胶表面亲水性的变化趋势,并计算了不同超声时间下胶模的溶胀去除率.讨论了超声处理对不同结构微器件尺寸精度的影响.试验结果表明:SU-8胶模在显影过程中的溶胀不明显,并且超声处理对显影过程中胶模的溶胀影响很小,其主要影响SU-8胶模在电铸过程中的溶胀.随着超声时间的增加,胶模溶胀及其表面亲水性均呈现先减小后增大的趋势.当超声时间为10 min时,胶模溶胀最小,其溶胀去除率a值可高达70％,并且超声处理后电铸微器件的尺寸误差与结构尺寸无关.根据超声波的机械断键作用与聚合物吸水机理,从亲水性和内应力两个方面,探究了SU-8胶模溶胀随超声时间的增加而变化的原因.文中提出的减小SU-8胶溶胀的方法不依赖于工艺参数也不会增加掩模图形设计的复杂性,是一种实用的减小SU-8胶溶胀的新方法.     

集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。     

Effects of temperature on mechanical properties of SU-8 photoresist material

A representative fabrication processing of SU-8 photoresist, Ultraviolet (UV) lithography is usually composed of spin coat, soft bake, UV exposure, post exposure bake (PEB), development and optional hard bake, etc. The exposed region of SU-8 is crosslinked during the PEB process and its physical properties highly depend on UV exposure and PEB condition. This work was initiated to investigate if thermal baking after fabrication can affect the mechanical properties of SU-8 photoresist material because SU-8 is trying to be used as a structural material for MEMS operated at high temperature. Since a temperature of 95°C is normally recommended for PEB process, elevated temperatures up to 200°C were considered for the optional hard bake process. The viscoelastic material properties were measured by dynamic mechanical analyses (DMA). Also, pulling tests were performed to obtain Young’s modulus and Poisson’s ratio as a function of strain rate in a wide temperature range. From this study, the effects of temperature on the elastic and viscoelastic material properties of SU-8 were obtained.