基于Ka波段分布式MEMS移相器芯片微封装研究

本文提出一种适用于Ka波段分布式MEMS移相器的新型封装结构——具有垂直互连线的薄硅作为分布式MEMS移相器衬底，并用芯片微封装方法对移相器进行封装。采用CST模拟软件研究封装结构对移相器射频性能影响，模拟结构表明：当封装结构衬底厚度、垂直互连线半径和空腔高度分别为450μm、50μm和80μm时，Ka波段分布式MEMS移相器的插入损耗小于0．55dB，回波损耗优于12dB，相移量具有很好的线性关系，说明该新型封装结构非常适合RFMEMS器件低成本批量封装。     

MEMS检波器动态参数及测试方法的研究

实际工程勘探中传感器通称检波器,常规的加速度和速度型传感器的检测量是静态参数,而石油勘探等领域检测的是动态参数,也就是频率和波形。MEMS检波器主要动态参数有:频率响应也称频率范围、失真系数、动态范围。本文主要研究MEMS检波器动态参数及测试方法,通过对地震勘探MEMS检波器进行动态性能分析,介绍频率范围、失真度系数、动态范围的测试方法,实际的测量结果证明了测试方法的正确性和可行性。     

一种多功能全数字MEMS三分量检波器设计

针对复杂条件下多波地震勘探施工的适应能力及设备的抗干扰问题,设计了一种以MEMS传感器组为核心的多功能全数字三分量检波器。以高性能低功耗的STM32F4为控制中心,集成三分量MEMS加速度传感器、电子罗盘、陀螺仪、倾角传感器等组成多功能检波器,设计多路可配置信号调理模块,提高系统动态范围及带宽,配合软并行采集技术构成可扩展裁剪的分级式全数字三分量检波器,并对外提供IP地址自适应的高速RS485传输通信接口,实测检波器动态范围达120 d B以上,A/D有效分辨率达20位以上,噪声水平小于8μV。检波器已经应用于数字VSP系统,野外试验显示设计的检波器具有较高的分辨率和一致性。     

MEMS矢量水听器海洋环境适应性研究

海流、温度及压力等复杂海洋环境因素会对微机电系统（micro?electro?mechanical?system，简称MEMS）矢量水听器正常工作产生干扰，影响其对微弱声信号的拾取能力。首先，建立了基于“三明治”式抗流封装结构数学模型，通过仿真得到了不同抗流结构参数对海流噪声抑制效果；其次，利用Comsol软件仿真研究了海水温度、水深（静水压强）等变化对MEMS矢量水听器灵敏度的影响；最后，通过试验验证，得出了“三明治”式抗流封装结构具有20?dB以上的抑制流噪声能力，在0~40 ℃的海水温度范围内MEMS矢量水听器的灵敏度变化量小于±0.5?dB，在0~12?MPa的静水压强范围内灵敏度变化量小于±0.9?dB，与理论分析及仿真结果基本一致。     

双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性

为了降低双通道MEMS微波功率传感器的回波损耗,提高传感器的测量精度,对MEMS悬臂梁的匹配特性进行了研究。首先,通过双通道MEMS微波功率传感器结构构建S参数的理论解析模型,分析了双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,得到了MEMS悬臂梁的间距和回波损耗系数S11的关系;接着利用有限元软件HFSS进行仿真,并和理论结果比较;然后,设计并制作了双通道微波功率传感器;最后,对该传感器的匹配特性进行了测试和分析。实验结果表明:当MEMS悬臂梁的间距为1.6μm时,该传感器在测量8~12GHz频率内的微波信号时,回波损耗小于-19dB。理论和仿真结果较为相符,因此S参数的理论解析模型可以较好地反映双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,对双通道MEMS微波功率传感器的设计具有一定的指导意义。     

石油勘探MEMS加速度传感器在煤田勘探的应用

介绍了一种石油勘探MEMS加速度传感器，该传感器是一种适应石油、煤田地震勘探设备向小型化、高分辨率、智能化方向发展的一种新产品。对石油勘探MEMS加速度传感器与传统检波器的特点进行了比较分析，介绍了该传感器已达到的技术指标和与国外同类产品的比较情况，同时介绍了数据采集及多传感器融合技术、地震勘探系统接口技术等应用方面的研究，最后介绍了该传感器在煤田勘探的实验情况。     

基于异构宏模型的MEMS系统级建模方法

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,即将基于解析法和基于数值计算的宏建模方法结合起来提取复杂器件的参数化宏模型,在此基础上实现MEMS系统级仿真。以z轴加速度计为例,在Saber中进行其系统级的时域、频域仿真,将仿真结果与有限元分析进行了比较,其仿真时间小于3min,相对误差小于3%,表明该方法能够快速有效地实现复杂结构MEMS器件的系统级仿真。     

玻璃浆料薄膜的微接触转印制备

在使用玻璃浆料对MEMS器件进行封装的过程中,中间层即玻璃浆料薄层的厚度、宽度等参数会对封装强度和气密性等产生至关重要的影响。为了有效控制玻璃浆料层的宽度、厚度,文中首次研究了利用微接触转印方法进行玻璃浆料薄膜的制备。在对微接触转印工艺流程和微接触转印装置的优化设计之后,采用了不同厚度的凸模进行了玻璃浆料的微接触转印实验。实验结果表明:通过微接触转印可以制得表面光滑边缘整齐的玻璃浆料薄膜,其宽度随着凸模厚度的减小而减小,厚度基本保持不变;在凸模厚度为70μm时,获得了玻璃浆料薄膜的宽度和厚度分别为200μm和52μm,可控性较高。     

基于块匹配的MEMS平面纳米精度运动测量

MEMS谐振器周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数, 为MEMS器件的设计提供重要参考。本文提出一种基于块匹配方法的灰度补偿亚像素运动估计算法。该算法可以对因图像灰度变化而引起的误差进行补偿,实现纳米级分辨力测量。利用该算法对MEMS器件的运动历程做分析,得到特定驱动频率下MEMS器件的幅度－相位曲线。实验结果表明,该方法测量重复性为5nm。     

可见光通信中GaN-LED PN结面积对调制带宽的影响机理

在可见光无线通信中,用于照明的LED光源的调制带宽很低,只有几MHz,限制了基于LED光源的可见光通信的信息传输容量和速度。为构建高带宽LED,研究影响LED调制带宽的因素和机制。设计3组PN结面积分别为200μm×800μm,300μm×900μm和300μm×1 200μm的LED芯片并倒装封装成LED器件,测试这3组器件的光电特性和调制带宽,并比较3组样品的电容曲线,分析调制带宽的主要影响因素之一——电容对LED器件的影响机制。实验结果表明:PN结面积为200μm×800μm的LED器件具有最小电容,且具有最高的49.9 MHz的-3 dB调制带宽。由于封装、测试电路等引起寄生电容对LED器件调制带宽有重要影响,通过优化器件倒装结构、LED驱动电路等方法可以大幅度减少测试系统的寄生电容,提高LED器件的调制带宽。     

靶准直器悬臂Y向调整机构受力和变形研究

靶准直器是惯性约束核聚变靶场中的重要部件,其在靶室中的位姿是保证靶定位瞄准精度的主要因素之一。为了实现微米级的定位瞄准精度,需要利用调整机构对靶准直器位姿进行调整。本文采取理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法对靶准直器悬臂Y向调整机构的受力变形和稳定性进行了研究。根据对Y向调整机构的受力变形分析,得到结构受力变形的理论关系式,可从理论上优化Y向调整机构的刚度和稳定性;基于有限元仿真对Y向调整机构进行相应约束条件下的稳定性分析和结构优化;利用实验装置对靶准直器整体稳定性进行实验测试。实验结果表明:Y向调整机构优化后,靶准直器静态Y向变形由原来的7.9μm减小至小于2μm,动态稳定性满足系统2μm/2h的稳定性要求。同时,试验、仿真和理论分析结果的变化趋势一致,验证了理论和仿真分析的正确性。     

无源MEMS压力开关的设计与制备

为了克服传统机械式和电子式压力开关的体积大、制作工艺复杂以及不易与后续电路集成等缺点,论文采用具有金属引线台阶覆盖能力的玻璃浆料封装技术进行了无源MEMS压力开关的设计和制备。设计的无源MEMS压力开关的整体结构方案主要包括硅盖板上的压力敏感膜、硅岛、上电极和微阻挡凸台以及玻璃基底上的玻璃浆料和下电极。通过仿真优化了压力敏感膜、硅岛和上下电极的关键尺寸。经过三次湿法腐蚀工艺流程制得了双阻挡凸台、硅岛和感压膜片。通过玻璃浆料热压工艺将硅盖片、玻璃基底和金属引线三者键合成一体,工艺结果显示双阻挡凸台的高度和感压膜片的厚度很好地控制在8μm和50μm,而且经测试,MEMS压力开关的阈值压力为125kPa。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

大型光学载荷次镜调整机构优化设计及误差分配

设计了一种用于大型光学载荷次镜在轨位姿精密调整的Hexapod型平台机构,并对其进行构型参数优化以及各支撑杆和上下铰点误差限的最优分配。建立了Hexapod平台机构运动学模型和静柔度模型,分析了主要结构参数对机构性能的影响。按照次镜精调机构性能要求,提出了定位精度指标和抗变形指标,建立了以构型参数为变量的优化目标函数,并利用遗传算法对两个单目标函数进行优化。利用加权分配法构造统一约束目标函数,利用遗传算法对其进行多目标优化。然后,建立非线性最优误差分配模型,对各支撑杆和上下铰点进行误差分配。最后,通过对原理样机性能指标的测试验证了上述研究方法的效果。研究结果表明:优化前后动平台定位精度提高了8.3%,抗变形能力提高了62.5%,铰点误差限由2.7μm提高到6.3μm,支撑杆误差限由1.3μm提高到3.2μm。另外,实验测得Z轴相对定位精度为0.6%,静刚度达到41.14N/μm。本研究提高了次镜精调机构的定位精度和静载抗变形能力,有助于缩短设计、加工周期,节约设计、加工成本。     

激光冲击软模大面积微弯曲成形方法

为了实现金属箔板大面积微弯曲成形,本文结合激光冲击微弯曲成形技术与软模成形技术的优点,提出了激光冲击软模大面积微弯曲成形方法。 该方法是在脉冲激光冲击波压力下,将软模作为柔性冲头作用于金属箔板来实现工件成形的。实验中使用了Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000 THG脉冲激光器,将250 μm厚的聚氨酯橡胶薄膜作为软模,采用德国LPKF-ProtoMat-C60型雕刻机在印刷电路板上加工出深度为120 μm的U型多槽模具,实现了在厚度为30 μm的铜箔板上一次性对3个U型凹槽冲击成形。用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微系统进行工件观测,结果显示工件上的微成形槽具有良好的轮廓质量。以ANSYS/LS-DYNA为平台,使用有限元建模（FEM）方法对微弯曲过程进行了数值模拟。实验和模拟结果均表明,加载软模的工件与模具的U型凹槽特征在形状上更加接近,成形工件更加均匀,而且具有较好的表面质量,其最大平均成形深度可达110 μm,大于激光直接冲击成形的最大深度（88 μm）,说明使用软模提高了充型能力。     

胶层厚度对三点支撑反射镜面形的影响

以45nm浸没式光刻物镜中采用的三点支撑反射镜为研究对象,建立了胶层连接的三点边缘支撑结构模型,用以确定胶层厚度对三点支撑反射镜面形变化的影响。分析了重力作用下三点支撑反射镜的面形变化情况,通过解析表达式描述了胶层厚度对反射镜受力变形的影响。建立了"支撑块-胶层-反射镜"的有限元计算模型,针对不同胶层厚度对反射镜的面形变化进行了仿真分析。仿真结果表明:随着胶层厚度的增大,反射镜的面形变化(均方根值RMS)呈现先减小后增大的趋势;当胶层厚度为280μm时,反射镜面形变化的RMS值最小,约为1.25nm。最后,通过实验测量了柔性双脚架三点边缘支撑导致的反射镜面形变化。结果显示:当胶层厚度为200,280,400μm时,反射镜面形的变化结果均与仿真结果一致,验证了本文仿真结果的正确性。     

高质量玻璃微孔电化学放电加工模型及试验

超白玻璃是一种超透明低铁玻璃,因其具有优越的物理、光学性能,而广泛应用于精密电子、高档汽车及太阳能光伏发电领域。由于其本身的硬脆特性,玻璃微孔的出口极易破损,为提高玻璃微孔的加工定域性,降低微孔出口破损的可能性,对微细电化学放电钻削加工工艺进行了研究与优化。首先,根据电化学放电原理,探讨了气膜的形成和材料去除机理,分析了放电能量对玻璃微孔加工工艺的影响,建立了单位时间电化学放电加工能量控制模型;其次,试验分析了电压幅值、占空比、脉冲频率、进给速度等主要参数对微孔入口直径和出口质量的影响;最后,通过优化后的加工参数在厚度为300μm的超白玻璃试件上,成功加工得到入口直径为172μm、出口直径为167μm的3×3微孔阵列结构,出口无破损现象。实验结果表明,基于脉冲能量控制的微细电化学放电钻削工艺在玻璃微孔加工方面很有潜力。     

高频响伺服刀架的建模与控制

考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力,设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力,其呈对称布置,用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制,建立了PI迟滞模型和其逆模型,并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示:新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz,响应时间为0.000 45s;三角波信号的最大定位误差为3.366 1μm,误差百分数为7.63%,平均绝对误差为0.698 0μm,误差百分数为1.58%;正弦波信号的最大定位误差为3.244 4μm,误差百分数为7.67%,平均绝对误差为0.930 9μm,误差百分数为2.20%。     

基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时,硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5μm波段工作,高度为100nm,上下金属层厚为40nm的双层金属纳米光栅,其光栅结构参数为:周期200nm,线宽100nm,深宽比1∶1。该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS(Intermediate Ploymer Sheet)材料上,制作出压印所需软模板;随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶,得到结构完整均匀的介质光栅;最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝,完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试,结果表明,所制备光栅在2.5~5μm波段的TM偏振透射率超过70%,在2.7~5μm波段的消光比超过30dB,在2.72~3.93μm波段的消光比超过35dB,显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。