MEMS器件热致封装效应的解析建模研究

由封装结构热失配引入的结构变形和应力将对MEMS器件性能产生显著影响,即热致封装效应.基于单元库法思想构建了封装后MEMS器件的解析模型.新建锚区、芯片、封装基板等标准单元,利用节点分析法描述了各结构单元间的热弹性耦合行为,以此作为封装效应评估的基础.利用该模型计算了热致封装效应对常规芯片粘接封装的双端固支梁器件主要性能参数的影响.     

一种MEMS热风速计的系统级封装

提出一种MEMS风速计的封装结构,采用这种结构可以集成信号处理电路,实现系统功能。利用ANSYS软件对封装结构进行建模,主要从风速和风向两个方面,对风速计封装前后的性能进行了模拟,并将模拟数据与理想数据和实验数据进行了比较,模拟数据、理想数据与理想数据的误差在7%以内。总体上,风速计在封装前后的性能大致相同,但是在灵敏度方面有所下降。     

硅微电容式加速度计热致封装效应的层合分析

由封装结构热失配引入的应力和结构变形会对MEMS器件性能产生显著影响,即热致封装效应。为描述该效应,一种基于缩减刚度矩阵的层合板模型被用来对硅微电容式加速度计的封装进行了建模。利用经典层合理论,由计算封装热失配引入的应变和曲率得到敏感检测电容的温度特性,以此作为热致封装效应的评估。并结合有限元模拟（FEM）对该理论模型进行了对比和验证。结果表明,层合模型能较好地描述硅微加速度计的热致封装效应,并在此基础上分析了优化措施。     

采用倒封装技术的硅热风速传感器封装的研究

本文给出了一个采用倒封装技术实现的硅热风速传感器的封装结构.该传感器使用铜柱凸点技术,倒装于薄层陶瓷上.利用陶瓷的导热性能实现传感器芯片的加热元件和环境风速的热交换,同时陶瓷又起保护和支撑传感器芯片的作用.测试结果表明,封装后的传感器具有良好的性能.     

应用数字散斑法测量受载压力容器壁形变的研究

应用数字散斑对受载压力容器壁的相对微小形变进行了试验研究。研究中采用气压加载,利用激光散斑场作为待测表面的信息载体,动态在线测量压力容器的微小形变。进一步对形变影响的定量研究将为预知形变的尺寸及位置,以及结构的安全和检测提供帮助,可以为结构无损检测提供依据。     

连续全场数字图像相关的反向组合高斯－牛顿算法

反向组合高斯-牛顿算法提高了数字图像相关的计算效率,但是此算法的应用局限于两幅图像之间的配准.在不牺牲配准精度的前提下,提出了一种基于双立方插值系数缓存表和海森矩阵缓存表的反向组合高斯-牛顿算法算法,从而加速了连续全场数字图像相关计算效率.实验结果表明,使用3种不同尺寸子区域的人工模拟散斑图像配准时,本算法的计算效率提高了11.35％、14.95％和18.93％.当使用CCD采集的真实散斑图像时,计算效率提高了18.20％.所提出的算法对人工散斑和真实散斑图像显示出良好的效率性能.     

一种用于松质骨变形测量的数字图像相关方法

针对松质骨这一类多孔材料,直接利用被测物体自身的微结构或纹理代替人工散斑标记,然后使用Matlab编写变形测量计算程序,尝试将数字图像相关方法 DIC(digital image correlation)应用于松质骨变形测量。生成模拟散斑图像对该算法程序的可行性进行模拟验证,再利用猪股骨制作压缩试件对整个变形测量方案进行实验验证。模拟验证和实验验证结果表明:利用松质骨自身微结构纹理作为标记并编写算法程序进行DIC变形测量的方案是可行的,该方案也可用于和松质骨具有类似微结构的其他多孔材料的变形测量中。     

数字散斑相关方法的匹配效果评价指标体系

光学测量中常用的数字散斑相关方法(DSCM)目前缺少有效的对匹配效果的评价方法,尤其是没有对匹配精度的估计方法。针对这种情况,提出了一种评价指标体系。该体系包含六个参数,其中,简单信噪比越大主峰被漏检的可能越小;主峰底部截面面积越大越容易搜索到主峰;主峰平滑系数与匹配精度有显著的相关关系,适中的主峰准峰顶截面面积和较大的主峰平滑系数有利于获得较高的匹配精度。灵活运用六个评价指标,可利用小范围实验数据辅助确定相关测度函数、搜索算法、亚像素插值方法等,最大限度地减少低效率匹配运算,优化匹配质量。选取了一个确定模板尺度的实例验证了该方法客观有效。     

刚体位移测量的数字散斑相关法的研究

结合计算机辅助测试CAT和虚拟仪器技术,阐述了数字散斑相关方法DSCM(Digital Speckle Correlation Method)测量刚体位移的理论与过程。同时针对求解三参数相关系数最大值点提出了一种“编程简单、时间节省、精度良好”的实用新算法,即“正方体爬山搜索法”。并利用仿真实验进行了成功验证,仿真实验效果非常理想,测量值与给定理论值相比很接近,计算速度也比较快。     

基于数字工业摄像的非接触扭矩传感测量研究

提出一种基于工业数字摄像的扭矩测量方法,通过CCD工业相机采集轴表面应变前后的图像信号,并对两图像信号进行二维的相关计算和基于梯度法的亚像素位移计算,得到轴表面的应变位移量,进而计算出扭矩。设计了与电阻应变法测扭矩的对比实验,并进行了误差分析。实验结果表明：数字工业摄像的扭矩测量系统精度高,并且系统结构简单,能够适用于轴面微小形变位移的测量。     

阳极键合在MEMS封装中的研究进展

在微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)领域,阳极键合是应用最为广泛的一项技术,有着广阔的发展前景。表面预处理和键合工艺是阳极键合中最为重要的两个因素。介绍了近年来在表面预处理和键合工艺方面的研究进展,分析总结了该技术的研制情况,指明了现阶段表面预处理和阳极键合存在的问题以及未来的研究方向。     

大型结构焊接件热-应力耦合仿真研究

以混流式水轮机蜗壳座环焊接为主要研究对象,板厚分别为90mm的座环与36mm的蜗壳以焊接方式实现连接,实际施工过程可能长达数月甚至数年的焊接时间,对于焊接数值仿真的计算也将长达数月,如何提高计算效率是一个值得研究的问题.基于ANSYS软件和APDL语言,对大型结构蜗壳座环焊接件进行热—应力耦合仿真分析,分别设置三种仿真模型,依据盲孔法实验数据选出最佳仿真方案,结果表明每层焊道数可以作为仿真时的简化手段,但要调整材料的导热系数,而模型和焊道层数尽量避免简化,该方法为其它大型结构焊接仿真提供了可靠的仿真过程和思路,并提高了计算效率.     

MEMS结构中碳纳米管的电泳沉积及其场发射特性研究

利用电泳沉积的方法在MEMS结构特定位置上组装碳纳米管薄膜,以此作为发射体研制基于碳纳米管场发射的传感器,并对其场发射进行了测试和分析.电镜观测与场发射实验结果表明,利用电泳沉积方法可以只在MEMS结构的特定位置沉积碳纳米管薄膜,对于4μm的发射间隙、该薄膜的场发射开启电压约为3.6V～4V,发射电压20V时的发射电流可至28μA.这种“post-MEMS“的碳纳米管薄膜组装方法具有工艺简单的特点,同时避免了碳纳米管生长对MEMS工艺环境以及器件的污染、破坏,实现了纳米材料组装与MEMS工艺的兼容.     

MEMS结构氧传感器的研究

采用微加工技术研制了一种以硅为基底材料,具有MEMS结构的氧传感器.阐述了该传感器的工作原理、结构设计、工艺流程以及特性分析.给出了溅射制备TiO2薄膜的方法及锐钛矿型晶体结构能谱,讨论了二氧化钛的氧敏机理.研究表明与传统的气体传感器相比,此种传感器具有体积小、低功耗、可集成的特点.     

低真空封装的新型变电容面积MEMS惯性传感器阶跃响应特性分析

一种新型变电容面积MEMS惯性传感器与传统的梳齿电容传感器相比,具有对梳齿电容不平行敏感度低,可加测试电压高等优点.通过对该传感器在低真空封装条件下的惯性阶跃响应特性分析,着重研究了不同梳齿电容倾斜角度对该传感器的阶跃惯性信号响应的影响,以及不同倾斜角度梳齿的位移响应和测试电压、空气真空度的关系,并把该结果和梳齿结构的情况进行比较.结果表明,工艺因素对变电容面积MEMS惯性传感器在低真空封装下的阶跃惯性响应影响很小;另外,该结构上可加的测试电压可以是梳齿电容结构上可加测试电压的近10倍,这有利于减小接口电路的噪声.以上分析论证了该新型传感器有利于降低器件的工艺要求和提高传感器的分辨率.     

基于MEMS加速度计的输入系统的研究

该文章介绍了一种新的电脑无线输入系统,使用MEMS微加速度计作为系统的敏感元器件.该输入系统包括发射端和接收端两个子系统.文章分别从工作原理、软硬件设计等方面介绍了该输入系统,包括所使用的微加速度计、微处理器和传输模块,并给出了输入系统的第一代实际PCB原型.并且在二维的基础上扩展了微加速度计在三维的应用,设计了一个新的三维模型,并进行了试验的验证.     

氮化硅薄膜力学性能的研究及其在射频MEMS开关中的应用

氮化硅薄膜具有致密的结构、高强度和良好的耐磨性能,可用于MEMS器件中作为结构部件.本文采用PECVD法制备氮化硅薄膜,对氮化硅薄膜的杨氏模量和硬度进行了测试,并分析了沉积温度、反应气体流量比对薄膜杨氏模量和硬度的影响.应用氮化硅薄膜作为悬梁,制作了射频MEMS开关.     

MEMS电磁致动机构多物理场耦合仿真与分析

为了解决电磁致动机构多物理场之间相互影响不明的问题,建立了电磁-结构多物理场耦合模型,并对微机电系统（Microelectromechanical System,MEMS）电磁致动机构的驱动特性进行了仿真研究。首先,以电压作为激励源,将磁矢势作为因变量引入,得到驱动器整体的磁场分布,实现电磁场耦合。然后通过麦克斯韦应力张量法得到滑块所受的电磁力,并作为载荷施加在滑块上进行瞬态动力学分析,实现电磁-结构场耦合,从而实现电磁致动机构的多物理场耦合仿真。最后,进一步研究了不同输入条件下电磁致动机构的驱动特性,阐明了响应时间、位移速度、最大电磁力和位移等不同输出条件的变化规律,分析了电压对驱动特性的影响,从而为MEMS电磁致动机构设计与驱动特性研究提供指导。     

压电陶瓷快速响应特性与应用研究

针对压电材料在逆压电效应下具有极快响应速度的特点,研究并测试了压电陶瓷在阶跃激励下阶跃响应时间及其输出特性,利用其响应时间短输出带宽大的特性,研究了压电陶瓷作为激励源在微结构动态测试上的应用,并建立了压电陶瓷底座激励装置,成功测试了几种MEMS微结构的谐振频率;利用其在极短响应时间内输出大加速度的特点,研究了压电陶瓷在大量程加速度传感器灵敏度测试上的应用,结果显示压电陶瓷瞬时输出最大加速度达上万gn.