基于变刚度悬臂梁的MEMS静电驱动器的动态响应优化

传统的微机电系统(MEMS)静电驱动器存在驱动电压高和超调振荡的问题,可动极板稳定在平衡位置前会发生持续的振荡,难以满足可变电容、光开关等应用领域的综合要求。针对上述问题,采用变刚度悬臂梁的设计,利用刚度随行程增大的特性抑制了极板吸合及释放过程的振荡现象,在缩短调节时间的同时,有效降低了器件的驱动电压。仿真和实验结果表明,当器件悬臂梁的刚度随位移由5 N/m增大到35 N/m时,在相同电压下,动态响应的调节时间减少了55.5%,在相同行程下,动态响应的调节时间减少了21%,对应的驱动电压减少了23%。     

MEMS微电磁驱动器磨损对光开关性能的影响分析

光开关中运动元件的磨损对光学元件的位置精度有重要影响。介绍了MEMS微电磁驱动器磨损对光开关光学性能影响的理论分析,采用光纤光学理论计算了磨损所引起的光开关的附加插入损耗,结果表明,所采用的微电磁驱动器磨损引起的附加插入损耗小于0.02 dB,其磨损特性可以满足光通信开关的要求,实验结果证明了理论分析的正确性。此方法对光开关和MEMS微驱动器的研究具有指导意义。     

一种新型微机械硅弹簧的设计与制作

介绍了一种新型的微机械硅弹簧的设计和制作,运用能量方法推导出了弹性常数的计算公式,并用有限元模拟分析方法求出了其固有频率。有限元模拟工具ANSYS模拟的结果验证了弹性常数的计算公式,理论分析和实际加工表明设计方案是可行的。     

一种新型MEMS矢量水听器的设计

针对国内对高灵敏、小体积、造价低的矢量水听器迫切应用需求的现状,提出了一种新型的双\"T\"型微机电系统(MEMS)矢量水听器。该敏感单元结构可一体化加工,且加工成本低,适合大批量生产,易于阵列化。采用ANSYS仿真,得出1阶共振频率为1 840Hz,压敏电阻位置距离梁根部180μm。对此结构进行声学封装与测试,测试结果表明,该水听器在1kHz的灵敏度达到-175dB,工作频段为100Hz～4kHz,具有良好的\"8\"指向性。     

一种新型MEMS电磁继电器的研究

介绍了一种MEMS电磁驱动微继电器,这种继电器体积小、易于集成.它采用双层1 mm×1 mm平面线圈和吸合式坡莫合金悬臂梁结构,层间用聚酰亚胺作绝缘材料.文中介绍了器件的工作原理,建立了磁路的仿真模型,据此计算确定了气隙宽度和悬臂梁厚度.采用表面微加工和微电铸工艺制作了器件.     

一种新型MEMS可调滤波器的设计

提出了一种采用非均匀分布MEMS结构的可调滤波器设计方案。基于这种新型结构,讨论了一个中心频率为20GHz的二阶带通可调滤波器模型。通过HFSS对该二阶带通滤波器模型进行了全波分析。仿真结果表明:通过分别改变共面波导结构上方不同部分的MEMS电容高度,该滤波器中心频率在18.71~20.62GHz连续可调,相应的3dB带宽值为2.36GHz和2.94GHz。该滤波器9.5%的可调率相比于同类型均匀分布式滤波器的可调范围增加了大约18.6%(300MHz)。通过分析可知,采用非均匀分布MEMS结构的可调滤波器不仅结构更紧凑合理,而且获得了比均匀结构更大的调节范围,极大地增加了设计的灵活性。     

一种MEMS热微执行器的设计与制作

介绍了基于热膨胀效应的V型梁MEMS微执行器并联阵列结构,并对其进行结构设计、仿真和制作;为确定微执行器的结构参数同其位移和驱动力的关系,对V型悬臂梁进行了理论分析;为提高位移和驱动力,运用ANSYS对微执行器进行有限元分析,优化结构参数;根据模拟结果,采用SOI硅片和微细加工DRIE技术制作了这种V型梁微执行器并联阵列。     

一种新型谐振式微加速度计设计和分析

为提高谐振式加速度计的灵敏度,设计了基于两级微杠杆机构和DETF谐振器的新型谐振式微加速度计结构;用解析法分析了加速度计灵敏度和结构各参数之间的关系,并以此对结构参数进行了优化设计.理论计算表明,所设计的加速度计灵敏度约为56 Hz/g;由有限元仿真分析也得出了相似的结论.     

一种新型谐振式微加速度计设计和分析

为提高谐振式加速度计的灵敏度,设计了基于两级微杠杆机构和DETF谐振器的新型谐振式微加速度计结构;用解析法分析了加速度计灵敏度和结构各参数之间的关系,并以此对结构参数进行了优化设计。理论计算表明,所设计的加速度计灵敏度约为56Hz/g;由有限元仿真分析也得出了相似的结论。     

一种新型谐振式微加速度计设计和分析

为提高谐振式加速度计的灵敏度，设计了基于两级微杠杆机构和DETF谐振器的新型谐振式微加速度计结构；用解析法分析了加速度计灵敏度和结构各参数之间的关系，并以此对结构参数进行了优化设计。理论计算表明，所设计的加速度计灵敏度约为56Hz/g；由有限元仿真分析也得出了相似的结论。     

基于静电平行板驱动器的MEMS变形镜特性分析

静电平行板驱动器是基于静电驱动的MEMS变形镜的关键部件,其静态及动态性能对MEMS变形镜有重要影响.设计并利用表面硅工艺加工制作了三种基于不同弹性系数的静电平行板驱动器的MEMS变形镜,分别采用解析公式和有限元仿真方法分析了弹性系数对变形镜的三项性能参数即行程、吸合电压和固有频率的影响,并利用白光表面轮廓仪进行实验测试,验证了理论和仿真结果的有效性.实验结果表明三种变形镜中半圆环梁驱动器变形镜具有适中的吸合电压和较大的行程,最适合于自适应光学系统的应用需求.     

一种新型低压电容式RF MEMS开关的设计与分析

介绍了一种基于扭转的新型低压电容式RFMEMS开关的设计.此开关在保留传统挠曲变形的基础上,引入了扭转变形,并利用Intelli Suite等软件进行仿真分析.理论分析和仿真结果表明:与传统弯曲变形不同,在扭转变形中,变形对臂的厚度远比宽度敏感;在保留传统挠曲变形的基础上,增加了扭转变形,将有效降低驱动电压.理论分析还表明增长扭转臂、从动臂可使驱动电压明显下降.通过优化结构设计,在扭转臂、从动臂长为180μm、120μm,臂宽为5μm,厚为1μm,驱动电极面积为120μm×120μm时,仿真得到驱动电压为1.5V.     

基于双端固定梁与曲面电极的异面微致动器静态特性

为提高在微变形镜应用中静电微致动器的冲程,设计并讨论了一种基于双端固定梁为上电极、曲面电极为下电极的异面微致动器。利用Rayleigh-Ritz方法,求解了致动器的静态特性。计算过程中,考虑了梁长度增大引起的抗拉应力和器件制造过程中残余应力的影响。通过研究不同的曲面电极轮廓形状对于致动器冲程的影响,得到了500 μm长的梁在300 V的驱动电压下其冲程最大能达到14.1 μm。     

Ultrathin TiN Membranes as a Technology Platform for CMOS‐Integrated MEMS and BioMEMS Devices

A standard complementary metal‐oxide‐semiconductor (CMOS) process is successfully modified to encompass the preparation of suspended TiN membranes of only 50 nm thickness from one of the metal layer stacks of the back‐end flow. The layers’ elastomechanical constants are determined with high precision by laser Doppler vibrometry. Residual stress gradients are compensated and a state of moderate tensile strain is introduced into the membranes. Test systems of TiN beams and bridges operating in a capacitive coupling scheme are optimized for the low voltage range attainable with CMOS devices. TiN actuators are particularly suited for applications in biotechnology like sensing of pressure or viscosity in microfluidic devices due to their high corrosion resistance in liquid electrolyte surroundings. The established inclusion of the process in a CMOS pilot line enables the production of cheap and monolithically integrated microelectromechanical systems (MEMS) and bio‐microelectromechanical systems (BioMEMS) devices.     

新型MEMS微针设计及其力学性能

描述了三种新型MEMS微针的结构设计及制备方法.针对微针的实际使用要求,对微针的固体力学性质及微通道内液体的流动情况进行了理论分析和数值模拟.结果表明,所设计的三种微针的强度可以保证安全地进行皮肤注射,且适于进行药剂的微量传输.     

X波段MEMS可变电容的设计与制作

对一种适合于X波段通信系统的RF MEMS可变电容进行了结构设计和工艺实现。该电容用高阻硅作为衬底材料,采用凹形和T形梁结构,整个结构由金材料组成;静电驱动,采用驱动信号与微波信号分离的方法。用有限元分析软件Ansys对该电容进行了模拟,随着驱动电压的变化,电容上极板产生位移变化,电容值相应地发生变化;设计了相应的工艺流程,实现了X波段MEMS可变电容的工艺制作和测试,该工艺与集成电路工艺兼容。S参数测试结果表明,在9GHz时Q值可达32.5,电容调节范围为28.8%。     

MEMS静电驱动器的场致电子发射效应研究

为研究MEMS静电驱动器的场电子发射效应,设计并加工了排斥驱动器和平行板驱动器两种不同结构的静电驱动器,实验测试了电极间漏电流随驱动电压的变化关系,验证了其满足场发射效应的FN理论公式,从而首次观察到静电排斥驱动器的场致电子发射效应.根据测试结果计算得到了所设计的两种MEMS静电驱动器的名义发射面积和场增强因子.由于器件自身的结构设计特征,平行板驱动器相对于排斥驱动器具有更大的名义发射面积和更小的场增强因子.     

MEMS二维静电驱动扫描镜设计和分析

给出了一种静电驱动二维微扫描镜的设计和制造方案,所设计的扫描镜具有绕X轴和Y轴转动的两个自由度,并具有体积小、功耗低、频率高等优点。推导了镜面旋转角表达式并分析了吸合效应。利用POL YMUMPS工艺完成了对扫描镜的加工,并着重分析了关键工艺步骤。结合有限元分析软件,对微扫描镜的频率特性以及静态旋转特性进行了分析和研究。分析结果表明,在120V和160V的电压下,扫描镜可分别产生沿X轴方向的±5.0°和沿Y轴方向±4.4°的偏转角。优化后的扫描镜能够工作在单频率状态下,具有较高的响应速度。     

波浪式MEMS谐振陀螺的设计与研究

提出并研制了一种具有高机械灵敏度和低零偏稳定性的新型波浪式MEMS谐振陀螺(WDRG)。该结构的设计方法是将传统的环式MEMS谐振陀螺(DRG)转变为波浪式环,以提供更高的热弹性品质因数。此外,与传统DRG相比,WDRG具有更高的制造误差抗扰度。通过优化结构参数,进一步提高了WDRG的性能。通过有限元法(FEM)给出了主要结构参数对WDRG性能的影响。优化后WDRG的热弹性品质因数、机械灵敏度和偏置稳定性分别为450k,1.05μm/(°/s)和0.076(°)/h。与传统DRG相比,零偏稳定性降低了90%,热弹性品质因数和机械灵敏度分别提高了215%和950%。