中国微纳制造研究进展

介绍了中国微纳制造领域的总体概况。从微构件力学性能、微纳摩擦磨损及粘附行为研究、典型微流体器件输运特性研究、拓扑优化技术在微纳结构设计中的应用研究、微传热学的研究和微测试方法和装置的研究具体介绍了微纳制造基础理论方面取得的进展。从设计方法、硅基微机电系统(Micro electro mechanical system,MEMS)制造工艺、非硅MEMS制造工艺等方面介绍了微系统设计与加工工艺研究进展。从物理量微传感器、微执行器件与系统、微纳生化传感与分析和微能源等方面介绍了微纳器件与微纳系统的研究进展,最后对中国微纳制造发展进行了总结和展望。     

微米级形貌修饰的硅材料表面摩擦特性的实验研究

微机电系统(MEMS)可动部件间的摩擦特性是影响其性能和可靠性的重要因素之一.为了研究微机械构件间的摩擦行为,设计了一种面-面接触的应变式微摩擦测试仪,以模拟MEMS器件的真实工况.研究了不同微米级条纹形貌硅试样的摩擦特性,结果表明,微尺度下速度对摩擦因数有很大影响;形貌参数存在优选值以有效减少速度的影响和摩擦因数等.     

微机电系统的尺度效应及其影响

评述了MEMS系统中,尺度效应对材料性能、器件的机械特性、流体系统以及摩擦和粘附等方面的影响,微尺度效应是在微机电系统的设计过程必须考虑的问题,也是MEMS产品从实验室走向市场化商品的关键理论基础。     

非接触式压力微传感器的设计

就如何利用MEMS技术,实现压力微传感器的设计进行详细论述。该传感器利用特殊的机械结构,大大改善了传统接触式压力传感器,工作区域狭小,线性度较差等问题,使压力传感器在高载荷条件下,由小扰度向大扰度过渡时,不产生非线性跳变,从而大大提高了器件的稳定性与动态特性。     

声信号检测微机械阵列传声器滤波特性的研究

在传统的声信号检测中,声电转换由传声器完成,滤波由专用电子滤波器完成.近年来,随着硅微机电系统(MEMS)技术的发展,已经开始把该技术用于微传声器的制造.在研究了当前几种硅微机械传声器的基础上,提出了一种全新的微机械阵列传声器,该装置在转换信号的同时实现滤波,并进一步讨论了阻尼和硅簧片根数对滤波特性的影响,阻尼的增加会降低该滤波器的灵敏度,簧片根数的增加则可以改善滤波效果.对硅微机械阵列传声器的研究,利于传感、滤波和分析一体化的智能声级计的实现.     

微加热板气体传感器的仿真及结构优化

针对微加热板气体传感器敏感薄膜上温度分布不均的缺点,在传统的微加热板传感器中加入了硅岛结构以均匀薄膜温度分布。利用有限元分析软件ANSYS对带有不同尺寸硅岛的传感器的温度分布进行了仿真和分析,得出了最佳的硅岛尺寸,并提出了一种新型的微加热板气体传感器结构设计,该传感器结构可以在性能不受影响的情况下简化制作工艺。     

基于MEMS技术的时差振荡高精度硅压力传感器

基于MEMS技术的时差振荡高精度硅压力传感器是一种全新理念的高精度压力传感器。它通过检测压力敏感膜片正向和反向电阻的放电时间的比值间接测量压力,为数字信号输出。其抗干扰能力强,性能稳定、结构紧凑,相对微硅压阻压力传感器和微硅电容式压力传感器精度高、稳定可靠,主要性能指标和微硅谐振式压力传感器相当,但较之微硅谐振式压力传感器具有工艺简单、成本低、便于产业化生产。其原理由安徽皖科电子工程有限公司首次提出,具有原创性,拥有自主知识产权,并掌握核心技术。     

光反射法微摩擦测试仪

为研究MEMS的微摩擦需设计一种能够测量微米尺度样品摩擦特性的专用仪器,尤其是能进行微机构摩擦力和正压力测试的大范围、高灵敏度的微摩擦检测装置。给出了一种基于光反射法的微摩擦测试仪的设计方法,介绍了该仪器的设计原理、测力传感器的结构设计、仪器的标定方法。硅测力传感器采用MEMS工艺制作,具有变形量大、线性度好、灵敏度高等优点。实验结果表明,该测试仪能满足微机电系统微摩擦测试的需要。     

动态接触角对水银微流体惯性开关的影响

针对传统微机械开关存在信号跳变、触点易磨损等缺点,设计了一种基于MEMS技术的水银微流体惯性开关。为了更准确地反映微通道中水银液滴在惯性力作用下的动态响应历程,基于Bracke、Jiang和Seebergh动态接触角模型编写用户自定义函数(UDF),并根据VOF-CSF多相流数值计算方法,采用FLUENT软件讨论了动态接触角对开关阈值特性和响应时间的影响,模拟了水银液滴在微通道中连续变形的动态过程。仿真结果表明,分别采用Bracke、Jiang和Seebergh模型所得阈值加速度之间的偏差较小,另外与设置静态接触角相比,三种不同模型使得阈值加速度分别增大了4.3%、3.2%和5.4%。     

微悬臂梁结构的谐振式MEMS黏度传感器

文中研究了谐振方法测量流体黏度的测量机理,采用MEMS工艺设计并加工了微悬臂梁结构的流体黏度传感器芯片,芯片作为振动体采用电磁激励和压阻检测的方法进行粘度测量。设计了封装结构并搭建了实验系统,在室温环境20℃和25℃2个温度点下进行了4种有机流体的黏度测量。实验结果表明,微悬臂梁结构的谐振式MEMS黏度传感器具有响应速度快、微型化程度高、易于实现在线流体测量等特点,黏度的测量精度优于8%,较好地满足了流体黏度的工程测量需求。     

Demonstration of robust micromachined jet technology and its application to realistic flow control problems

This paper describes the demonstration of successful fabrication and initial characterization of micromachined pressure sensors and micromachined jets (microjets) fabricated for use in macro flow control and other applications. In this work, the microfabrication technology was investigated to create a micromachined fluidic control system with a goal of application in practical fluids problems, such as UAV (Unmanned Aerial Vehicle) -scale aerodynamic control. Approaches of this work include: (1) the development of suitable micromachined synthetic jets (microjets) as actuators, which obviate the need to physically extend micromachined structures into an external flow; and (2) a non-silicon alternative micromachining fabrication technology based on metallic substrates and lamination (in addition to traditional MEMS technologies) which will allow the realization of larger scale, more robust structures and larger array active areas for fluidic systems. As an initial study, an array of MEMS pressure sensors and an array of MEMS modulators for orifice-based control of microjets have been fabricated, and characterized. Both pressure sensors and modulators have been built using stainless steel as a substrate and a combination of lamination and traditional micromachining processes as fabrication technologies.     

基于遗传算法的微机械陀螺的多学科设计优化

基于micro-electro-mechanical system(MEMS)技术的微机械陀螺是集传感器、致动器、检测与控制等于一体的复杂多学科交叉系统，其整体特性是各个子系统综合作用的结果。在充分考虑工艺、结构、电路、工作环境等多学科或因素的约束条件下，提出微机械陀螺的多学科概念设计模型。以陀螺的灵敏度最大为优化目标，利用遗传算法对设计模型进行全局优化，获得初步的最优设计方案，并采用有限元软件ANSYS验证优化结果的正确性。     

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。     

基于MEMS微加工技术的高灵敏度隧道传感器的研究

基于硅加工的高灵敏微型隧道传感器在过去15年里得到了充分的发展.多种隧道传感器被开始出来,例如加速度计,角速度计,红外传感器,磁性传感器等.首先对基于硅加工的隧道传感进行了简单的总结.对四种传感器进行了总结和讨论,包括几种器件的结构设计,加工过程,器件性能,控制电路和系统噪音.特别介绍了一种新型的基于高分子聚合物的隧道加速度计,并讨论了其结构,加工与测试,隧道效应得到了进一步验证.同时给出了这种新型高灵敏传感器在很多领域的应用展望.     

Friction and fracture properties of polysilicon coated with self-assembled monolayers

The increasing use of small micromechanical devices and advanced sensors has led to concern about the failure modes and reliability of these structures. The enormous promise will not materialize without substantial progress in overcoming the stiction, friction and wear associated with such devices and understanding the mechanical behavior of MEMS materials and structures. Self-assembled monolayers (SAMs) are release and anti-stiction coatings for MEMS. In this paper, the anti-stiction properties of octadecyltrichlorosilane (OTS) SAM were calculated. The microtribological properties of OTS SAM were investigated with a ball-on-flat microtribometer. The influence of OTS SAM on the mechanical properties of micromachined polysilicon films for MEMS was investigated with an accurate evaluation using the microtensile test device. It was concluded that the OTS SAM has good anti-stiction properties and low friction coefficients. The hydrophobic property of OTS is the main factor leading to an increase in the average fracture strength of micromachined polysilicon up to 32.46%. Thus, the operational stability and lifetime of MEMS can be raised when coated with self-assembled monolayers.     

高性能微加速度计接口电路的研究

介绍一种可用于微机械电容式加速度计检测的接口电路，该电路利用电荷放大器把电容变化转变成电压变化，再对被加速度信号调制的载波信号进行解调，经过低通放大滤波，最后得到与加速度信号成正比的直流电压信号，具有测量差分电容变化的功能和灵敏度高、线性好的特点。整体电路通过Pspice进行了仿真，优化后制成PCB板进行实验。实验结果线性度为5％，灵敏度为19．5V／pF，表明该电路是一种具有实用价值的电容式加速度计检测接口电路。     

振动轮式微机械陀螺仪中滑膜阻尼机理的研究

对空气阻尼进行定性和定量分析是MEMS器件设计中非常重要的一个步骤，直接影响MEMS器件的动态性能。研究了第三个区域中振动轮式微机械陀螺仪的滑膜阻尼，提出了滑膜阻尼模型，分析了滑膜阻尼的动态性能，包括速度分布、阻尼机制以及由此产生的能量损耗。根据滑膜阻尼分析结果，给出了品质因数的计算公式。试验表明，空气条件下振动轮式微机械陀螺仪品质因数的测试结果与理论值的误差约为16%。研究结果为振动轮式微机械陀螺仪结构设计中定量分析空气阻尼提供了理论依据。     

多晶硅表面微机械光学角速率传感器

多晶硅表面微机械技术是微机电系统（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ,ＭＥＭＳ）中重要的加工技术。本文采用这种加工技术,提出了一种基于Ｓａｇｎａｃ效应的新型微机械学光角速率传感器（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ,（ＯＲＳ）。由于采用ＭＥＭＳ的最新技术,安将是一种低成本、微型化的ＯＲＳ,文中给出了ＯＲＳ中环形谐振腔的设计和基本理论分析,并提出了电路和控制系统的     

Micro capacitance detection circuit for MEMS capacitive sensor

With the development of micro-electr o-mechanical system(MEMS) technolog y,the MEMS-based capacitive sensor has been widely applied in the field of ele ctron components.However,the capacitance of the micromachined sensor is so sma ll that the detection of the smaller value change of the capacitance is a great challenge.Based on the principle of charging and discharging of the capacitor,a kind of pulse width modulated differential circuit is introduced in this paper.For subsequent amplification,a modified amplifier is presented.The different ial circuit converts the weak capacitance change to the change of the pulse widt h of the output voltage,and the linear relationship can be obtained.And the mo dified amplifier implements the processes of amplification and filtering synchro nously,and a large DC output voltage can be obtained by the lo w-pass filter.T he designed circuits have advantages as simplified circuit,high voltage stabili ty,perfect linearity and resolution.Besides,it is feasible to be integrated w ith the sensor to largely reduce the transmission error and interference.     

基于MEMS工艺的光强调制型光纤氢传感器

现有的氢传感器都是根据钯膜吸氢而产生膨胀的这个特点设计而成，但这些传感器基本上都存在着结构复杂、价格高、市场化比较困难、配套设备昂贵等特点。介绍一种基于MEMS工艺的光强调制型光纤传感器，说明该传感器的工作原理，并且给出了相关的制作工艺流程，最后对其测试性能进行了必要的探讨。证明了此类传感器不仪具有低成本、结构简单、适宜于批量生产等优点，而且在一定的测氢范围内具有相当良好的灵敏度和稳定性。