硅基PZT压电驱动扫描微镜的设计与优化

设计并研究了一种硅基PZT压电悬臂梁驱动扫描微镜器件.这种扫描微镜采用单晶硅平面微镜面作为光扫描反射元件,由硅基压电复合弹性悬臂梁作为驱动机构控制水平微镜面偏转实现光信号的扫描.整个光扫描微器件可以阵列方式集成在单个硅芯片上,形成光扫描器阵列.采用数值有限元分析的方法模拟和优化了压电复合弹性悬臂梁驱动扫描微镜的力学性能.分析表明,微镜偏转角与压电悬臂长度和工作电压呈线性关系.在研究了影响光学扫描微镜机电性能各项因素的基础上,给出了器件结构优化的方法.     

电磁式扫描光栅微镜设计

扫描光栅微镜是微型光谱仪的新一代核心分光器件。基于固定光栅分光的微型光谱仪由于采用阵列探测器在近红外波段价格昂贵,严重制约了近红外光谱分析技术的推广应用。本文提出了一种电磁式扫描光栅微镜,该器件采用微纳加工工艺,集光栅、驱动结构、角传感器于一体,可实现单管探测器替代阵列探测器。建立了电磁式扫描光栅微镜的理论模型,分析了梁尺寸、镜面尺寸等主要结构参数对器件性能指标的影响,获得器件的设计参数。使用微纳加工方法制作电磁式扫描光栅微镜芯片,并测试了性能指标。实验与理论结果表明:当器件扫描角度为±7°,光谱达800～2 500nm,闪耀波长附近的衍射效率≥70%,角传感器的控制精度≤0.05°,为应用于微型近红外光谱仪提供了一种有效方案。     

复合式MEMS微夹持器的研制

为实现对亚毫米微小构件稳定夹取及可靠释放等操作,研制了一种复合式微夹持器.采用有限元软件分析了微夹持器的机构及动力特性.应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与气动吸放集成构成复合式驱动,气动吸放的引入改善了微夹持器的操作性能,S形柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化成末端夹爪的转动实现了夹持操作.两种不同尺寸的微夹持器,有效扩展了微夹持器的夹持范围.根据微夹持器的操作控制需求,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及气压控制系统.在80 V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移可达25 μm.针对100～200 μm的小球进行了微操作实验,实验结果表明,静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的气路正压力能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现可靠的释放操作.微夹持器基本满足100～200 μm微小构件的操作需求.     

硅微机械扭转微镜的研究进展

硅微机械扭转微镜在国防和民用领域都有着重要的应用.根据致动机理的不同,从压电驱动方式、电磁驱动方式、电热驱动方式和静电驱动方式等方面系统地阐述了硅微机械扭转微镜的研究现状与发展方向,同时重点讨论了硅微机械扭转微镜在医疗成像和生物技术等领域中的具体应用.     

折叠弹簧式MEMS水平扭转微镜的设计与分析

设计了带有折叠弹簧的静电驱动光开关水平扭转微镜,利用折叠弹簧代替直扭梁,增加扭梁的长度,有效降低微镜驱动电压.微型铰链结构使微镜保持在单一扭转工作模式下,其弯曲模式的影响可以忽略.利用MATLAB 7.0进行仿真分析,获得微镜驱动电压与扭梁长度的关系曲线.利用ANSYS 8.0获得了折叠弹簧式微镜结构的模态分析和谐响应分析结果,其工作模态频率约为1.77 kHz,远低于其他非工作模态频率.微镜结构的谐振频率约为1.8 kHz,能满足MEMS光开关对开关响应时间的要求.     

一种新型静电斥力微驱动器的设计与仿真

在电容式MEMS微驱动器中,静电引力驱动最为常见,但介质充电会引起"粘连失效"等可靠性问题,而静电斥力驱动不存在这样的可靠性问题。首先通过有限元仿真软件了分析对比了静电引力和斥力的不同产生机理。针对静电斥力微驱动器驱动电压大、形变量小、难以满足实用化要求的缺点,在基本结构基础上设计一种四段支撑结构的静电斥力微驱动器结构,并研究了关键结构参数对可动极板变形量的影响,确定了最优结构尺寸。通过结构优化,可动极板最大变形量可以在80 V的驱动电压下从0.271μm增加到0.399μm,形变量得到显著提高。     

参数对均匀微滴打印多尺寸锡焊料凸点阵列的影响

为实现航空装备微电子电路的快速、精准修复,提出了多尺寸均匀锡焊料凸点阵列直接打印的方法,分析了打印凸点的位置精度和高度一致性等质量影响因素。利用开发的均匀锡焊微滴3D打印设备开展了多尺寸锡焊料凸点阵列均匀微滴直接打印试验,试验结果表明,所开发的设备可获得高度标准差不超过6 μm、位置误差不超过±5 μm的焊料凸点阵列;采用加热重熔方法可将多颗焊滴堆栈立柱整形为单颗多尺寸规格的焊料凸点阵列,重熔凸点的高度一致性得到了显著提高,但应限制堆栈焊粒数量。该试验结果为航空装备昂贵芯片的小批封装和单件损伤快速修复提供了新方法。     

基于3D打印的大尺寸猪笼草口缘区仿生表面设计

为了解决现有猪笼草口缘区仿生表面由于结构尺寸小而难以实现大批量制备的问题,设计并采用3D打印制备具有单向铺展性的大尺寸结构猪笼草口缘区仿生表面.根据毛细作用理论分析面向大尺寸结构的猪笼草口缘区结构参数铺展作用机理,基于3D打印精度分析和微流道流体仿真,计算获得具有单向铺展性的百微米级以上结构参数范围;采用光固化成型方法制备具有大尺寸微结构的仿生表面,通过液体铺展试验测试仿生表面的液体单向铺展性能,获得性能良好的百微米级结构猪笼草口缘区仿生表面.结果 表明:空腔楔角30°,椭圆半长轴570 μm,微流道宽度360 μm、盾形微结构体长360 μm、盾形微结构拉伸长度200 μm的仿生表面具有优异的液体单向铺展特性,采用常规3D打印技术即可实现其快速制备.     

电热驱动镍微夹钳的设计及制作

为实现微系统产业化开发适用于微型零件操作和装配的微夹钳,采用电热驱动方式、V形梁阵列式电热驱动器为钳体部分提供输入位移,钳体部分应用拓扑优化方法进行设计以实现输入位移放大.金属镍作为制作微夹钳的材料,用紫外光刻微电铸脱模技术工艺制作了电热镍微夹钳.通过正交试验,得到加工SU-8铸模的最优工艺参数,对影响工艺质量的各个因素进行详细讨论并给出解决方法,并加工出了钳体尺寸在毫米量级,最小特征尺寸为10 μm,厚度为30 μm的电热微夹钳.对制作的微夹钳在0～2.5 V直流电压下进行动态测试,夹持端位移最大可达67μm,最大夹持力可达0.8 N,可以满足微机电系统微操作的夹持要求.     

微通道结构带状电极电火花加工方法研究

针对大厚度、高深宽比金属微通道结构加工的难题,提出一种带状电极电火花加工方法,利用厚度30～100 μm的带状电极,在金属基体上高效制造微通道结构。研究了带状电极电火花加工机理,建立了带状电极在加工间隙中的运动模型,分析了影响带状电极运动的主要因素,搭建了带状电极电火花加工装置,开展了微通道结构带状电极加工实验研究,获得了带状电极电火花加工基础工艺规律。利用带状电极电火花加工方法成功加工出的具有200条微通道的反应器结构和44×45微换热器阵列结构,表明带状电极电火花加工可以实现窄宽度(100 μm以下)、大厚度(35 mm以上)、高深宽比(10以上)和高精度(缝宽标准差3 μm以内)的大批量微通道结构的高效加工,相关方法和技术有望在微模具、微散热器、微反应器等领域获得推广和应用。