平面线圈型MEMS微电磁驱动器的理论分析与实验研究

介绍了一种平面线圈型电磁驱动的MEMS微驱动器,基于分段磁路的网络方程法,针对微电磁驱动器所采用的平面线圈的结构特点,比较了考虑磁动势的分布效应和传统的集总处理两种方法所建立的平面线圈微驱动器的非线性磁路模型.实验结果表明考虑线圈绕组半径不同而产生的分布效应可以为平面线圈型微驱动器建立可靠的模型,便于定量分析微驱动器结构物理参数对于磁通分布和电磁力的影响,从而为进一步优化设计该微电磁驱动器提供了理论分析依据.     

一种新型MEMS微驱动器的设计与仿真分析

提出并设计了具有双稳态功能的新型电磁型MEMS微驱动器结构形式。微驱动器由导磁的两端固支的扭梁、两端可自由摆动的悬臂梁,以及永磁体、下磁路和平面线圈组成。永磁体的使用,实现了器件的双稳态功能,从而可以得到低功耗的磁驱动器。通电线圈用来实现器件的姿态转换。对设计的器件进行了电磁仿真分析,验证了器件的双稳态机制,分析表明:铁芯的存在对器件功能有决定性的影响。     

应用于电磁驱动器的非线性平面微弹簧及其集成制造工艺研究

平面微弹簧是MEMS器件(如微驱动器、开关等)中一种常用的微结构。目前,平面非线性微弹簧的设计、制造与应用正日益成为关注的焦点。本文针对微机械电磁驱动器的需求,研制了一种变形量在100 μm左右,弹性变形力在5 mN附近的非线性变刚度微弹簧。研究包括通过仿真分析确定了弹簧的结构方案和影响因素,提出了配套的原位集成制造微加工工艺,并测试了所研制“V型”平面微弹簧的非线性特性,验证了所提出方案的可行性。为非线性弹簧的进一步设计和应用提供参考。     

一种基于MEMS的主动式光纤连接器

介绍一种基于MEMS技术的主动式光纤连接器,上层为双层结构电热驱动器,下层为硅V型槽。双层结构在常温下作为压制光纤的盖板,通电后作为单稳态电热驱动器,盖板翘曲,放入或取出光纤。利用Ansys有限元分析软件并结合工艺条件,对热驱动器部件的性能进行了分析与仿真。利用表面硅工艺和体硅工艺制备出核心驱动部分,检测盖板翘曲情况下性能。     

新型MEMS地震检波器的研究

以MEMS加速度传感器为基础的新型地震检波器大幅度提高了地震检波器的各项性能指标.介绍了一种新型的石油勘探MEMS地震检波器的设计及其主要技术参数,并通过微传感器结构的力学性能仿真,得出其具体的结构尺寸.经采用表面工艺和体工艺相结合的方法,利用磁控溅射、光刻、化学蚀刻及等离子体蚀刻等工艺,在高阻硅上制备出检波器样品.     

一种新型的电离式MEMS气体传感器

本文实现了一种新型的电离式MEMS气体传感器,即线性阻抗电离式MEMS气体传感器。该电离式气体传感器创新地采用了电导率而不是常用的击穿电压来检测不同的气体成分,这样可以避免高电压对器件的影响,提高器件工作状态的可重复性和稳定性。该器件在低压条件下不同气体组分中进行气体放电实验,测出了不同的伏安特性曲线和电导率值,从而证实了该器件的气体传感特性。     

一种MEMS薄膜材料的力学性能测试方法

介绍了一种用于MEMS薄膜材料力学特性测试的单轴拉伸试验方法。其特点是微小试件两端固定,且与加载机构集成在基片上,从而可减少操作工作量,提高对准精度。整个机构以微细加工方法制成,硅类试件以干法蚀刻成型,金属类试件以电镀方法成型,其余加载机构以湿法刻蚀制成。试验表明:使用此机构可以简单且高精度地对薄膜试件进行拉伸试验,获得多项力学性能参数,从而为MEMS器件设计和分析提供可靠的理论基础。     

一种新型微流体系统设计与合理性分析

微流体系统作为一种可对流体进行精密控制、操作与检测的技术,其发展为细胞体外培养提供了新的平台,而且可与生物传感器结合构成微流体传感测试系统,大大提高细胞传感检测的精确性、一致性和稳定性。在微系统设计与制造的基础上,提出了一种新型微流体系统结构,应用COMSOL软件建立了微流体系统模型,通过对其流动特性的分析对比,优化了系统结构,系统地研究了其对细胞培养与检测的影响。结果表明:该结构既能实现细胞的长期培养;又能通过精确的微流控制,结合生物传感器,对不同时期或不同病态的细胞进行实时检测和分析。该研究对医用药物测试芯片与微流传感测试系统有着重要的意义。     

MEMS密闭腔内微气流的挤压膜阻尼效应研究

针对MEMS密闭腔内微气流与压电驱动机构的耦合振动,综合采用空气挤压膜阻尼效应和能量法进行理论分析。根据等温雷诺方程求解气体压力分布,进而计算微气流挤压膜阻尼能,将其代入能量方程,与压电-硅膜的耦合动能、势能、压电电场能进行能量耦合,将由能量方程确定的压电-硅膜-微气流耦合作用下的位移振形待定系数λ′与无气流影响下的压电-硅膜耦合振动位移振形待定系数λ对比后,找到了增加的阻尼项,微气流对驱动结构振动位移的影响正是通过该阻尼项体现的。研究可为微流体的驱动及协调控制提供相关理论基础及控制策略。     

MEMS微型NO2气体传感器的研究

采用MEMS技术制作了硅基微型NO2气体传感器,选用高分子金属酞菁聚合物酞菁铜作为敏感膜,从半导体理论出发解释了酞菁铜的敏感机理。阐述了该传感器的结构与工艺流程,并测试了传感器的气敏特性、温度特性、响应时间和恢复时间等敏感特性。实验结果验证了酞菁铜对NO2气体的敏感性,该传感器可以检测到10^-6量级的NO2气体,且响应时间快。     

车辆悬架用电磁执行器的建模与试验研究

应用电磁感应的基本原理,设计了一种新型的车辆主动悬架用电磁直线执行器,该执行器具有响应快,出力大和动行程大的特点。通过两种不同的建模手段,即有限元建模和集总元件动力学建模的电磁力仿真对比分析,两者基本吻合,表明了执行器模型的准确性。利用所建立的有限元模型,研究了执行器结构参数如气隙厚度和次级铜层厚度对电磁力的影响规律,并选取合理的参数进行执行器的样件试制。通过对加工后的样机模型进行电磁力响应的试验测试,并分别与有限元模型和集总元件动力学数学模型进行相应的比较,试验数据与仿真结果基本一致,进一步验证了模型的准确性。     

有关MEMS结构运动过程中产生和辐射电磁波的研究

本文对典型的MEMS结构在运动过程中产生和辐射电磁波的机理以及产生的效应进行了研究。基于对MEMS结构的机械、电与电磁的耦合机制的研究,分析了MEMS结构运动过程中产生电磁波的机理。MEMS结构的相对运动以及基板上所携带电荷的运动都可以产生电磁波。在距离电磁波源1 cm处,MEMS结构辐射出的电磁波的频率为100 kHz;当MEMS结构间距为1.5μm,辐射出的电磁波的电场强度为0.45 V/m。产生的电磁波的频率与幅度受到距离,结构运动的频率以及具体形状的影响。本文还考虑了辐射出的电磁波对同一个芯片上其他器件的影响。     

MEMS执行机构在微小力传感器量值溯源中的应用

对一种基于微电子机械系统（MEMS）执行器结构的非接触式三维微小力装置测量原理、装置结构、标定方法、力学特性及使用方法等进行分析。结果表明：该装置可产生空间任意方向微小力,实现空间非竖直方向微小力传感器量值溯源;利用该装置对微小力传感器进行量值溯源时,能大幅减小极板间距离测量与控制不确定度对输出微小力影响,装置无需配备复杂昂贵的位移控制与测量辅助装置便可达较高精度。对简化微小力传感器量值溯源装置结构具有较大实际意义。     

金属电极的腐蚀特性研究

对金属电极的腐蚀特性进行了研究。实验中设计了多种不同的金属电极,通过改变电极材料、电极厚度、电极层数、腐蚀液成分及温度等条件,研究了金属电极的腐蚀特性。通过研究发现,电极的腐蚀特性跟电极材料、电极厚度、电极层数、电极的缺陷及应力、腐蚀液成分及温度等条件有关。最后设计了一种打底层金属材料为Tiw,层厚20 nm,上层金属为Au,层厚度为200 nm的金属电极,在覆盖一层光刻胶,并对光刻胶进行后烘坚膜的情况下,在常温下,用HF溶液腐蚀1 h后,SOIMEMS微结构完全释放,金属电极还十分完好。     

Pyrex 7740玻璃深刻蚀掩模研究

玻璃湿法深刻蚀掩模常采用低压化学气相沉积(LPCVD)多晶硅、Cr/Au金属层+光刻胶等,但往往会在玻璃中引入应力,影响后期应用(如阳极键合),而且Cr/Au金属层价格昂贵。为避免以上缺点,引入了SX AR—PC 5000/40保护胶+WBR2075干膜作为玻璃的刻蚀掩模,在HF︰NH4F,HF︰HCl,HF︰HCl︰NH4F刻蚀溶液中进行了大量实验。实验结果表明:SX AR—PC 5000/40抗腐蚀能力强,且成功实现了对Pyrex 7740玻璃131μm的深刻蚀。整个工艺过程与IC工艺兼容,可以进行圆片级批量加工。实验结果对圆片级封装和其他MEMS器件的制作有一定参考作用。     

RF MEMS开关在牺牲层工艺上的改进

通过对传统的RF MEMS开关采取在信号线上电镀桥墩、改进桥梁的形状以及在桥背面设计接触点的新颖方法,使得RF MEMS开关的下拉电压减小、开关时间缩短和可靠性提高.在工艺上,特别采用了对聚酰亚胺牺牲层进行全刻蚀和半刻蚀的改进加工流程来实现桥背面的接触点.测试结果表明:开关的下拉电压为28V,最低开关时间为0.8μs,开关寿命达7×105次,0～10GHz的插入损耗在0～0.5dB,隔离度为35～45dB.     

一种电热式MEMS微镜多自由度模型解析方法

结合微镜驱动器结构,通过引入热导和弹簧刚体模型分析了多驱动器间热传导和相互作用力导致的形变原因,并建立了多自由度微镜的数学模型.仿真与实验数据对比说明：建立的模型与实验结果具有较好的一致性,能够预测4个驱动器的输入响应特性.     

一种高精度MEMS 梳齿驱动器有限元仿真方法及实验

为解决目前MEMS 梳齿电容驱动器由于边缘效应导致的理想计算模型计 算误差较大问题,利用有限单元法中的能量法,提出了一种对梳齿驱动器电容量进行精确仿 真计算的方法并以实际制作的微机械陀螺质量块上的90 对梳齿驱动器为对象,分别利用该 方法及常用的CMATRIX 仿真方法对其电容值进行了仿真计算。两种方法得到的电容量的计 算结果分别为1.5283pF 和1.5793pF。二者与利用高精度LCR 测试仪得到的结果1.5172pF 的相对误差分别为0.73%和4.09%。实验结果表明,该方法对考虑边缘效应的MEMS 梳齿 电容驱动器具有较高的计算精度。