单晶硅微薄膜V形缺口疲劳特性研究

采用微疲劳试验机与光学显微镜搭建一套微观疲劳试验系统。在室温条件下,通过控制载荷对单侧V形缺口的单晶硅微薄膜进行脉动拉伸疲劳试验,研究其疲劳特性。首先将单晶硅微薄膜V形缺口试样疲劳试验数据与单晶硅微薄膜光滑试样疲劳试验数据进行对比,分析发现V形缺口的引入会使单晶硅试样的疲劳强度及其抵抗弯矩的能力显著降低。试验结果表明,缺口试样发生破坏的应力幅度界限分明,与光滑试样相比,其破坏特性更趋近于宏观脆性断裂。通过扫描电镜分别对单晶硅微薄膜光滑试样与V形缺口试样进行断口分析,发现单晶硅微薄膜在循环应力作用下出现脆性疲劳破坏行为,其断口形貌特征与晶体结构密切相关。     

多晶硅薄膜离面疲劳特性研究

多晶硅薄膜材料为微电子机械系统(MEMS)器件最重要的材料之一,对其疲劳特性的研究是现阶段失效分析研究的热点和重点.利用表面加工的多晶硅矩形微悬臂梁结构对该问题展开实验研究.通过干法刻蚀在微悬臂梁根部制作纵向应力集中区,利用静电激励激励微悬臂梁进行离面振动,谐振频率检振方法跟踪微悬臂梁机械性能的变化.结果证明在1010～1011次循环振动载荷作用后,微悬臂梁结构刚度下降,谐振频率减小,频率最大绝对偏移量达到1.544 kHz,相对偏移量达到结构本征频率的1.3%.这些结果首次验证了MEMS结构在离面振动方向上也存在显著疲劳现象.和已有文献相比,实验中结构所受应力幅度较其小2个数量级(约1～10 MPa量级),而频率偏移量却高于其数十倍.这很可能是因为纵向干法刻蚀引入了较大的粗糙度,显著加速了多晶硅结构的晶界分离速度,因而也加速了疲劳.     

微旋转结构在薄膜应力测量中的应用

利用有限元仿真方法,研究了微旋转结构几何参数对结构应变响应的影响.结果表明,固定梁与旋转梁的长度以及这两种梁连接部分的宽度和连接中心距都对结构的应变响应具有较显著的影响,而梁的宽度及连接部分的长度对应变响应的影响可忽略,因此,需要综合考虑以达到结构的优化设计.给出了一组旋转结构的设计参数.     

基于微制造的多晶硅薄膜型柔性铰链

将宏机械柔性铰链设计思想应用到硅微机械机构设计中,采用表面硅牺牲层工艺制作了结构层厚度为2 μm 的多晶硅薄膜型微机械柔性铰链及在线测试机构,对微米尺度柔性铰链的微机械性能进行了理论和试验研究。以直圆型多晶硅薄膜柔性铰链为例,对其转动刚度采用现有宏机械柔性铰链理论的计算值为8 N·μm／rad,试验测试结果为120N·μm／rad。宏理论计算和微机械测试结果之间的偏差较大,这表明在微尺度效应的影响下,宏机械柔性铰链理论模型不能直接用于薄膜型硅微机械柔性铰链的计算。根据试验数据对宏机械柔性铰链计算公式进行了修正,得到了描述薄膜型硅微机械柔性铰链静态特性的近似经验公式,可满足薄膜型硅微机械柔性铰链的设计与计算。     

微机电中的摩擦特性与有序薄膜润滑

微机电中的摩擦是造成微构件失效损坏的关键因素,指出微机电中的摩擦属于原子分子尺度上的力学行为,具有不同于宏观摩擦的新特性.基于目前的润滑技术,提出在材料表面制备LB膜、自组装膜(SAM)或分子沉积膜来改善摩擦、降低磨损、提高运行稳定性是一种有效的途径.     

多晶硅薄膜电学参数的温度特性分析

本文研究了不同掺杂浓度下多晶硅薄膜的迁移率、应变系数等电学参数与温度的关系。通过霍尔迁移率的测试,给出了硼掺杂多晶硅薄膜电阻在25～150℃温度下的电阻率、霍尔迁移率、应变系数的温度特性,从理论上分析它们的变化规律。     

多晶硅薄膜材料参数的在线测试系统

建立了一套多晶硅薄膜材料参数的在线测试系统.系统包括测试结构物理版图、测试设备和计算软件,能够在线测试多晶硅薄膜的主要材料参数,且测试设备和测试方法都与集成电路测试相兼容,即所有物理量的测试都转化为电学量的测量,整个测试过程完全由计算机控制完成.     

多晶硅纳米薄膜压阻式压力传感器

多晶硅纳米薄膜具有优越的应变灵敏特性和稳定的温度特性.为了使这种良好的压阻特性得到实际应用,文中给出了多晶硅纳米薄膜压阻式压力传感器的设计方法.根据多晶硅纳米薄膜压阻特性和硅杯腐蚀技术条件确定弹性膜片结构,并采用有限元分析方法对弹性膜片尺寸以及应变电阻分布进行了优化.依据优化设计结果试制了压力传感器芯片.实验表明该传感器工艺简单、高温特性好、灵敏度高.     

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     

多晶硅薄膜热扩散率的测试结构

目前已经有用桥式结构来测试薄膜的热扩散率,在此基础上把辐射、对流、对衬底的传热等环境影响都考虑进去,使得该模型在使用中更符合实际情况,更有实际意义.利用两根不同长度的梁,以相同的电流对其加热,分析其瞬态特性,即可获得多晶硅薄膜的热扩散率.用有限元分析软件ANSYS进行了模拟分析,分析表明模拟结果与理论结果趋势一致,数值吻合,从而验证了模型建立的正确性,说明该方法能够实现对多晶硅薄膜的测量,且具有较高的测试精确度.     

曲率测量技术在微机电系统薄膜残余应力测量中的应用

在比较曲率测量技术常用的Stoney公式及其修正式的基础上,利用有限元分析方法,建立薄膜/基底结构的有限元模型,给出一种薄膜残余应力的等效施加方法,从两个方面详细分析并对比这两个公式在微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)薄膜残余应力测量中的检测精度.仿真及分析结果表明,修正后的Stoney 公式在很大程度上提高薄膜残余应力的测量精度,使曲率测量技术的适用范围得到较大扩展.但是当薄膜厚度接近于基底厚度或结构处于大变形状态下,修正式的计算精度也将受到较大影响,此时可以采用有限元分析方法来获得临界状态值,以提高残余应力的检测精度.同时,通过有限元分析,证实曲率测量技术应用中存在的另一个问题,即曲率的空间分布不均匀性现象.     

多晶硅薄膜残余应力显微拉曼谱实验分析

利用显微拉曼谱对桥式多晶硅薄膜梁的残余应力进行测量,该多晶硅薄膜采用典型的MEMS(micro-electro-mechanical systems)工艺制造.实验结果表明, 多晶硅薄膜梁的中部存在很大的拉伸残余应力(约1 GPa),且多晶硅薄膜的残余应力沿梁长方向大致呈对称分布,这种内应力分布与制造过程中的ICP(inductively-coupled plasma)工艺密切相关.多晶硅薄膜梁在残余应力作用下的变形情况可以通过WYKO白光形貌仪准确地表征,经过ANSYS计算,薄膜残余应力分布状况与显微拉曼谱法的测量结果吻合.因而,显微拉曼谱法是测量多晶硅薄膜残余应力的一种准确而可靠的方法.     

SIMPLIFIED SCALING TRANSFORMATION FOR THE NUMERICAL SIMULATION OF MEMS DEVICES WITH THIN FILM STRUCTURES

Thin film is a widely used structure in the present microelectromechanical systems （MEMS） and plays a vital role in many functional devices. However, the great size difference between the film＇s thickness and its planar dimensions makes it difficult to study the thin film performance numerically. In this work, a scaling transformation was presented to make the different dimensional sizes equivalent, and thereby, to improve the grid quality considerably. Two numerical experiments were studied to validate the present scaling transformation method. The numerical results indicated that the largest grid size difference can be decreased to one to two orders of magnitude by using the present scaling transformation, and the memory required by the numerical simulation, i.e., the total grid number, could be reduced by about two to three orders of magnitude, while the numerical accuracies with and without this scaling transformation were nearly the same.     

多晶硅微机械构件损伤的表面效应

利用电磁力驱动微拉伸装置，考察多晶硅微构件表面粗糙度和施加表面分子自组装膜(octadecyltrichlorosilane，简称OTS)对抗拉强度及断裂损伤的影响。结果表明，微构件的抗拉强度表现出依赖表面性质的表面效应。抗拉强度随表面粗糙度的增加而降低，并受环境气氛的影响。当构件表面施加表面分子自组装膜后，在以上两因素的作用下．多晶硅微构件的抗拉强度提高了32．46％。研究结果可用于微机械构件的材料表面改性设计。     

多晶硅微构件拉伸破坏特性的测量

硅表面工艺是微型机械制造的重要工艺,而多晶硅是表面工艺中最常用的主要材料,它的力学特性直接关系到微型电子机械系统的可靠性和使用寿命,因此对其破坏特性的研究是非常有必要的。本文在概述了国外对体硅工艺和表面工艺制作的构件材料破坏特性研究情况的基础上,提出了利用旋转台对表面工艺制作的多晶硅微梁进行拉伸破坏实验的方法,并在制作的测量系统上进行了实验,得出多晶硅微梁的拉伸破坏强度大于2．0GPa。     

基于谐振原理的微机械疲劳试验装置的研究

设计出一种基于梳状驱动器原理的静电力驱动的微机械疲劳试验装置，该装置可由典型的表面牺牲层标准工艺制作。对所设计的MEMS（micro-electro-mechanical system）疲劳试验装置中的圆弧梳状驱动器的电容及静电驱动力进行理论分析，并采用ANSYS机电耦合单元对装置的振动过程进行模拟，模拟结果与理论分析相吻合。研究结果表明在一定范围交流电压的驱动下试样能达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平，并对该电压范围进行预测。     

MEMS材料力学性能的测试方法

介绍国内外MEMS(micro-electro-mechanical system)材料力学性能的测试方法,包括纳米压痕法、薄膜打压法、梁弯曲试验、微拉曼光谱法、单轴拉伸法等.分析各种测试方法的优缺点、基本原理和最新进展.详细介绍单轴拉伸试验方法的试验原理、特点及发展现状, 在此基础上介绍作者们在MEMS材料单轴拉伸试验方面的阶段性研究成果,包括单轴拉伸试样设计、夹具设计、加载方法及应变测量技术等.试样和夹具的设计采用有限元方法模拟不同形状参数试样的拉伸试验过程,确定试样的外形和尺寸.应变测量采用的是激光干涉应变计法(interference strain /displacement gauge, ISDG),并用所研制的微小试样拉伸试验机,成功测得多晶铜薄膜材料的应力-应变曲线.     

薄膜的力学测试技术

对薄膜力学性能的测试方法、技术以及所取得的主要成果进行简要的综合介绍。     

碰摩微转子系统非线性动力特性研究

微型旋转机械是MEMS（micro—electro—mechanical system）中的主要驱动之一，微转子作为系统的主要驱动部件，其动力学特性直接影响整个系统的稳定性和可靠性。文中以Jeffcott微转子系统为研究对象，建立微转子系统的碰摩力学模型和系动微分方程，应用现代非线性和转子动力学理论，以偏心量为分岔参数分析微转子碰摩时的振动响应与非线性动力特性，并以实验结果讨论偏心量对微转子系统动力特性的影响。