用于微摩擦测试的微力传感器及其制作

微构件表面的摩擦状况和磨损机理与宏观构件有较大的区别，需一种能够测量微米尺度样品摩擦特性的专用仪器。给出了一种新型硅微力传感器的设计原理、结构、制作工艺及其弱信号采集方法。静态性能测试结果表明，传感器最大输出电压2000μV，重复性约为1．3％，灵敏度约为65V／N，分辨率为46μN，总精度为2．3％，基本上满足了微摩擦测试的需要。实验及计算表明，通过优化微力传感器的结构，改进芯片的封装，可以大大减少其体积，并提高其各项性能指标。     

基于探针形式的三维硅微力传感器

为满足三维微力测量的需求,以MEMS体硅压阻工艺技术为基础,研制了一种基于微探针形式,具有μN级三维微力测量和传感能力的半导体压阻式三维微力硅微集成传感器。传感器采用相互迟滞的4个单端固支硅悬臂梁,支撑中间的与微力学探针结合在一起的质量悬块的结构形式,在4mm×4mm的硅基半导体芯片上用MEMS体硅工艺集成而成。通过ANSYS数值仿真的方法分析了三维硅微力传感器结构的应力特点,解决了三维微力之间的相互干扰问题,并对传感器性能进行了测试。结果表明,其X、Z方向的线性灵敏度分别为0.1682、0.0106mV/μN,最大非线性度分别为0.19%FS和1.1%FS。该传感器具有高灵敏度、高可靠性、小体积、低成本等特点。     

用于微装配的三维微力传感器的研究

采用硅基应变片设计了一种可用于精密微装配作业过程,检测x、y、z方向微接触力的三维微力传感器;经微小改动后,该传感器可成为五维微力传感器。分析了力传感器测量原理,建立其测量模型,并设计了传感器信号放大电路。测试了微力传感器的性能指标,在x、y、z3个方向的微力测量分辨率为0.001 N,测量精度可达0.005 N,测量范围为-0.5~ 0.5 N。最后设计了微装配作业控制系统,并利用该传感器实现力位移混合控制,顺利完成了180μm微型轴与200μm微型孔间的精密微装配实验研究。     

基于MEMS的硅基PZT薄膜微力传感芯片

为了测量毫克级的微小力,设计并制造了一种硅基PZT薄膜悬臂式微力传感芯片。采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了厚度不同(300~800 nm)的锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3)薄膜,薄膜表面均匀,无裂纹。通过测试和分析,研究了PZT薄膜的制备工艺参数和压电、铁电、阻抗特性。采用微机械加工手段制作了长度为1 000μm、500μm、250μm的硅基PZT薄膜微型悬臂结构。当在悬臂的自由端沿着厚度方向施加毫克级的微小力时,微型悬臂就会在厚度方向发生弯曲和振动,通过测量在压电材料表面电极上的电荷量,并通过计算可得到微型悬臂所受的集中力的大小,实现微力的测量。该文还对微力传感芯片的工作方式进行了研究,初步设计了传感器系统模型。     

128×128 PtSi红外焦平面用硅衍射微透镜阵列的设计与制备

通过考虑互相关联的光学和工艺参数,设计了3～5μm红外128×128硅衍射微透镜阵列.阵列中微透镜的孔径为50μm,透镜F数为f/2.5,微透镜阵列的中心距为50μm.采用多次光刻和离子束刻蚀技术在硅衬底表面制备衍射微透镜阵列.对实际的工艺过程和制备方法进行了讨论,对制备出的128×128硅衍射微透镜阵列的光学性能和表面浮雕结构进行了测量.     

128×128硅衍射微透镜阵列的设计与制备

通过考虑互相关联的光学和工艺参数 ,设计了 3～ 5μm红外 12 8× 12 8硅衍射微透镜阵列。阵列中微透镜的孔径为 10 0μm,透镜 F数为 f / 1.5,微透镜阵列的中心距为 10 0μm。采用多次光刻和离子束刻蚀技术在硅衬底表面制备衍射微透镜阵列。对实际的工艺过程和制备方法进行了讨论 ,对制备出的 12 8× 12 8硅衍射微透镜阵列的光学性能和表面浮雕结构进行了测量。     

128×128PtSi红外焦平耐用硅衍射微镜阵列的设计与制备

通过考虑互相关联的光学和工艺参数,设计了3～5μm红外128×128硅衍射微透镜阵列.阵列中微透镜的孔径为50μm,透镜F数为f/2.5,微透镜阵列的中心距为50μm.采用多次光刻和离子束刻蚀技术在硅衬底表面制备衍射微透镜阵列.对实际的工艺过程和制备方法进行了讨论,对制备出的128×128硅衍射微透镜阵列的光学性能和表面浮雕结构进行了测量.     

压电传感器的毫牛级摩擦力测量

风洞实验中飞行器表面的摩擦力不足空气压力的0.1%,对于小面域、小量程的表面摩擦力测量,存在准确性与力天平可靠性相悖的矛盾。因此,基于杠杆原理及石英的压电效应,该文设计了一种对毫牛级表面摩擦力放大测量的二维力压电传感器,并通过静态标定实验和动态脉冲激励实验分别评价其测试性能。实验表明,该传感器量程可低至50 mN,非线性误差和重复性误差均小于1%,固有频率为2 428 Hz,满足风洞试验中表面摩擦力的测量需求。     

硅基传感器的微机械加工

叙述了硅基传感器微机械加工的特点和要求，简要说明了硅衬底微细加工的常用方法。并以高过载双向压力传感器和悬空结构热释电传感器的硅衬底微细加工为例，作了进一步说明。传感器性能的测试结果表明了微机械加工对提高传感器性能的重要性。     

一种硅微机械陀螺制造方法研究

给出了一种硅微机械陀螺制造方法,该方法可适用于各种不同的微机电系统(MEMS)器件,包括加速度计、剪切应力传感器及MEMS光开关等。利用该方法制备了硅微机械陀螺,并给出了该陀螺的性能测试结果。同时分析了利用该方法制备各种不同器件时,工艺流程对器件性能的影响,重点讨论了硅-玻璃阳极键合、减薄工艺及深刻蚀所形成的侧壁质量,包括侧壁垂直度、侧壁杂质等因素对器件性能的影响。     

微电子机械系统键合强度检测方法研究进展

把微电子机械系统键合强度检测分为传统分层检测方法、微结构检测方法和非破坏性检测方法,并逐一对这些方法进行细分和详细地描述。传统分层检测方法的难点是结构的夹持,而且不能实现在线监测;非破坏性检测方法检测范围有限,而且检测仪器较为复杂。微结构检测方法最适合于检测微小面积键合强度,该方法又分为微结构微力测试法和微结构在线检测方法两类,微结构微力测试法需要高精度的微力测试仪,而且也不能实现在线检测;微结构在线检测方法只需要一台带有显微镜的探针台,这些都是大部分微机电系统工艺线所具备的,它是一种在线检测方法,直接在晶圆片上进行检测,不需要进行划片,是目前微电子机械系统键合强度检测中最优检测方法。     

Low stress packaging of a micromachined accelerometer

A packaging study of an acceleration microelectromechanical systems (MEMS) sensor is presented. The sensor consists of two silicon chips: a surface micromachined capacitive transducer (g-cell), which converts acceleration into signals of capacitance variation, and a microprocessor control unit (MCU) for signal conditioning. The two chips are die-bonded into a single piece of leadframe, connected via wire bonding, and finally molded with an epoxy compound. The primary goals of this paper are to provide insight and guidance for designing a package with low stress and low deformation. In particular, two die-bonding schemes: full die attach and four-dot die attach are presented in detail and their impact on performance of the transducer is discussed. Both the numerical simulation and testing data indicated that the four-dot-die-attach process results in a significantly lower packaging stress to the transducer, and is appropriate for stress-sensitive MEMS devices     

新型磁驱动增大检测电容的高精度MEMS惯性传感器研究

增大传感器振子的质量和静态测试电容可以减小电容式MEMS惯性传感系统的噪声,而深度粒子反应刻蚀工艺由于复杂的工艺原因,当深宽比较大时,不能刻蚀出大质量和大初始电容的传感器.据此,本文研究了一种磁驱动增大检测电容的MEMS惯性传感器,通过电磁驱动器,传感器的静态测试电容可以大幅增加,在梳齿电容上刻蚀阻尼槽后,其机械噪声达到0.61μg每根号赫兹,仿真其共振频率为598Hz,静态位移灵敏度为0.7μm每重力加速度,基于硅 玻璃键合工艺,制作了栅形条电容式惯性传感器,并用电磁驱动的方式测试其品质因子达到715,从而验证了制作工艺的可行性和电磁驱动器改变传感器初始静态测试电容的可行性.     

体硅热膜传感器单片集成工艺的研究

针对MEMS热膜式传感器的发展趋势和在实用化过程中存在的问题,提出了一种新型的单片电路和体硅MEMS热膜式传感器实现集成制造的嵌入式CMOS工艺技术,解决了MEMS制造工艺和CMOS集成电路工艺之间存在的兼容性问题。通过这种嵌入式CMOS工艺技术,可以实现具备最小体积、最低成本的MEMS器件。通过这种嵌入式热膜式传感器和CMOS处理电路的单片集成制造工艺,实现了一款热膜式传感器和IC放大电路的集成部件,并完成了相关基本电性能测试和传感器功能的演示验证,证明了设计的工艺路线的可行性。     

A novel MEMS inertial sensor with enhanced sensing capacitors

A novel MEMS inertial sensor with enhanced sensing capacitors is developed. The designed fabricated process of the sensor is a deep RIE process, which can increase the mass of the seismic to reduce the mechanical noise, and the designed capacitance sensing method is changing the capacitance area, which can reduce the air damping between the sensing capacitor plates and reduce the requirement for the DRIE process precision, and reduce the electronic noise by increasing the sensing voltage to improve the resolution. The design and simulation are also verified by using the FEM tool ANSYS. The simulated results show that the transverse sensitivity of the sensor is approximately equal to zero. Finally, the fabricated process based on silicon-glass bonding and the preliminary test results of the device for testing grid capacitors and the novel inertial sensor are presented. The testing quality factor of the testing device based on the slide-film damping effect is 514, which shows that the enhanced capacitors can reduce mechanical noise. The preliminary testing result of the sensitivity is 0.492 pf/g.     

F-P腔式光纤MEMS压力传感器的设计

提出了一种新型结构的法布里-珀罗(F-P)腔光纤压力传感器.该传感器基于法布里-珀罗多光束干涉,利用压力敏感膜的纵向挠度变化带动位移柱的横向位移运动来改变F-P腔的腔长变化.详细阐述了传感器新结构的设计方法及其工作原理,分析了不同参数对传感器性能的影响.采用ANSYS软件仿真模拟了传感器压力敏感膜在压力作用下的挠度变化.结合现有的MEMS工艺,可制作出工艺简单、温度系数低、灵敏度高,且抗电磁干扰的MEMS光纤压力传感器.     

埋入式无线MEMS 应变片系数的标定

本文研究了一种埋入式MEMS（微电子机械系统）无线应变片性能的实验标定方法，通过引入一个当量应变片，遵照标准应变片的标定规定，本文设计了实用有效的实际标定步骤，分别对标准应变片和MEMS试样进行完全相同的拉伸实验，从而得到埋入MEMS应变片的应变片系数（灵敏度）为13，同时获得在实验试样的制作条件下，测量应变与实际应变之比为2。     

基于双金属膜的光纤MEMS温度传感器的设计

提出了一种新型结构的温度传感器,该传感器基于Fabry-Perot干涉和双金属效应.采用MEMS技术制作出线性度好、精度高的光纤MEMS温度传感器.阐述了传感器的工作原理,研究了传感器的力学模型,确定了温度敏感膜材料,用有限元软件ANSYS验证了模型的合理性.模拟了法珀腔的腔长对温度传感器性能的影响,为传感器的加工制作提供了理论依据.该设计可为以硅为基底的压力传感器提供一种温度补偿方法.