微结构运动特性表征中的全场三维重建方法

微机电系统(MEMS)测试的主要目的是为工程开发中的设计和模拟过程提供数据反馈,其中一个重要方面就是MEMS器件运动特性的高速可视化。基于计算机控制的频闪干涉测试系统,文中提出了一种时间轴和空间轴双向解包裹的干涉条纹分析方法,实现了MEMS器件离面运动参数的精确测量,并与微结构平面结构图像模板相结合,可以进行MEMS器件全视场运动的分析,达到了纳米级分辨力。     

基于频闪法的MEMS动静态测试系统

为了对MEMS器件的3D形貌、垂向位移与形变、共振频率等特性进行精确的非接触式的测量,研制了一种基于激光频闪法的MEMS动静态测试系统.该系统以改进了的泰曼干涉仪为核心,采用激光照明,结合五步相移算法,获得MEMS器件静态表面的3D形貌图.使激光频闪的频率与MEMS器件驱动信号源频率一致可以获得相对"冻结"不变的3D形貌.改变频闪激光相对于MEMS器件驱动信号源的相对相位延时,可以获得周期内的MEMS器件离面运动轨迹等参数.本文设计并实现了与该系统配套的数据处理软件.该系统对于离面运动的测量精度可达1nm,最高测试频率可达500kHz.通过对可变形反射镜的测试验证了该系统的可靠性与通用性.     

基于分形小波变换的MEMS动态模糊图像亚像素检测技术

基于机器微视觉的微机电系统（MEMS）动态测试系统,提出了一种分形小波变换亚像素检测技术提取MEMS运动轨迹算法.该算法结合电耦合器件（CCD）成像机理,利用图像的分形参数进行随机分形插值对图像边缘进行重建,通过小波变换实现重建后图像亚像素精度的边缘检测.在连续光照明条件下,对MEMS平面微运动模糊图像进行检测处理,提取和分析了MEMS运动轨迹.将该方法和在频闪条件下测得的MEMS器件的平面微运动幅值的结果进行了比对分析和讨论.由实验结果可以看出,本方法有较高的测量精度,其测量绝对误差小于0.02像素.     

频闪干涉仪在微机电系统动态表征中的应用

微机电系统(MEMS)测试的主要目的是为工程开发中的设计和模拟过程提供数据反馈，其中一个重要方面就是MEMS器件动态特性的高速可视化．介绍了一种基于计算机控制的频闪干涉测试系统，用来测量可动MEMS器件的离面运动，实现了纳米级分辨力，该系统采用改进的相移干涉算法，使用一个大功率激光二极管(LD)作为频闪照明的光源，可以实现1MHz范围内大幅值(十几微米)的微运动测量，这种高离面灵敏度的测量方法特别适合进行微机械(光学)元件的动态特性测量．通过研究一个多晶硅微谐振器的动态特性说明了系统的强大功能。     

飞秒激光微精细加工技术与MEMS动态测试技术

本文阐述了飞秒激光微精细加工技术的原理特点,在微机械和微光学中的应用,及其在加工研究中取得的一些进展;提出一种基于计算机视觉、显微干涉及激光多普勒的 MEMS 的动态测试技术,实现 MEMS 器件平面运动幅度的快速测量、平面和离面运动的测量和离面运动的瞬态测量。     

基于光流技术MEMS平面微运动特性的测量

实现MEMS动态测试技术中平面微运动特性的测量，关键是记录MEMS运动过程中的瞬间运动状态，并恢复MEMS面内的运动历程．为此，介绍了光流技术，并提出利用邻域优化法进行微结构运动的光流计算．组建了基于频闪成像的MEMS平面运动测试系统，通过该系统获得MEMS谐振器周期运动不同相位下的清晰图像序列．利用邻域优化计算该图像序列的光流，选取合适的邻域大小和阈值，得到了MEMS谐振器在特定驱动频率下的运动幅度-相位图及其拟合曲线，从而获得微谐振器在此驱动频率下的运动幅度值为2．12μm．实验结果表明，该方法是准确有效的．     

飞秒激光微精细加工技术与MEMS动态测试技术

本文阐述了飞秒激光微精细加工技术的原理特点，在微机械和微光学中的应用，及其在加工研究中取得的一些进展；提出一种基于计算机视觉、显微干涉及激光多普勒的MEMS的动态测试技术，实现MEMS器件平面运动幅度的快速测量、平面和离面运动的测量和离面运动的瞬态测量。     

基于峰值检测的MEMS器件微弱电容检测电路

针对MEMS器件研制中微弱信号的检测问题,提出了一种适用于电容式MEMS器件的微弱电容检测电路.此电路采用峰值检测技术,原理及结构简单;只检测待测电容的变化量,既可用于差分式检测,也可应用于单一待测电容的情况.首先利用正弦载波信号和微分电路对电容量进行载波调制,再通过减法电路得到幅值与电容变化量成比例的正弦信号,最后采用峰值检测方法解调信号,得到直流量输出.利用微小可调电容进行标定,结果表明检测电路的线性度良好,灵敏度约为3.631V/pF,精度达到0.2%.利用该检测电路检测MEMS陀螺上振动频率为2.85kHz的梳齿驱动器的电容量变化,输出信号频率为（2.85±0.02）kHz,误差低于0.7%,说明该电路能够应用于MEMS器件的微弱电容检测.     

基于聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容的性能研究

MEMS微电容具有高比容量、高储能密度和抗高过载等特点,在微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。设计制作了一种三维结构的聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容。该微电容由三维结构集流体、功能薄膜、凝胶电解质和BCB封装构成,其三维结构集流体是基于RIE刻蚀等微加工工艺加工实现的,而功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯制备而成的,具有阻抗低、容量高、循环性能好的优点。电极的结构表征表明,聚吡咯中充分掺杂了氧化石墨烯,功能材料微观结构规整。器件电化学测试结果表明,放电电流为3mA时,MEMS微电容具有30μF的电容值,比容量达到7mF/cm2,在4000次充放电循环后,器件比容量仍保持在90%,电容量无明显衰减,具有稳定的电容性能和良好的循环性能。     

基于聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容的性能研究

MEMS微电容具有高比容量、高储能密度和抗高过载等特点,在微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。设计制作了一种三维结构的聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容。该微电容由三维结构集流体、功能薄膜、凝胶电解质和BCB封装构成,其三维结构集流体是基于RIE刻蚀等微加工工艺加工实现的,而功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯制备而成的,具有阻抗低、容量高、循环性能好的优点。电极的结构表征表明,聚吡咯中充分掺杂了氧化石墨烯,功能材料微观结构规整。器件电化学测试结果表明,放电电流为3mA时,MEMS微电容具有30μF的电容值,比容量达到7mF/cm2,在4000次充放电循环后,器件比容量仍保持在90%,电容量无明显衰减,具有稳定的电容性能和良好的循环性能。     

基于模糊图像合成技术的MEMS平面微运动测试技术

随着微电子机械系统(MEMS)研究的深入和产业化的需求，捡测技术在其中的重要性越来越大．基于机器微视觉的MEMS动态测试系统．利用模糊图像合成技术对MEMS的平面微运动特性参数进行提取和分析．利用图像处理方法对MEMS谐振器做扫频和扫压测量，获得了MEMS器件的平面微运动特性，并对测量结果进行了分析和讨论．由实验结果可以看出，这种方法有较高的测量精度，测量重复性误差为100nm．     

A 2-D model that accounts for 3-D fringing in MEMS devices

MEMS devices such as comb drives and rotary drives are geometrically simple in that each of the components may be represented as a ‘sweep’ of a 2-D cross-section through a given height. This simplicity leads to simpler CAD requirements, geometric robustness, faster visualization, etc. Further, 3-D electrostatic simulation may be simplified to a 2-D problem over the cross-section if one neglects 3-D fringing. Such 2-D simulations provide a quick feedback to the designer on various parameters such as capacitance and electrostatic forces.However, as is well known, 3-D simulations cannot be avoided if fringing is significant, or when these devices need to be fully optimized. Such 3-D simulations unfortunately involve constructing the full 3-D geometry, volume/surface mesh, etc.In this paper, we demonstrate that one can pose and solve a 2-D problem that accounts for 3-D fringing. The proposed technique does not require the construction of the 3-D CAD model or surface/volume mesh. Instead, the 3-D electrostatics problem is collapsed to 2-D via a novel dimensional reduction method. Once the 2-D problem is solved, the full 3-D field and associated charges/forces can be recovered, as a post-processing step. The simplicity and computational efficiency of the technique lends itself well to parametric study and design optimization.     

A Low-Power 2-D Wind Sensor Based on Integrated Flow Meters

A 2-D wind sensor, based on microelectromechanical systems (MEMS) flow sensors, is presented. The device consists of a cylinder with a channel network connecting the internal flow sensors with the lateral surface. The pressure distribution developed by the wind on the cylinder's surface is thus converted into two air flows from which, due to the special channel configuration, wind speed and direction can be unequivocally determined. Since the MEMS devices are located in the channels, their fragile sensing structures are protected from direct exposure to the wind. Performance estimation based on literature data of pressure distributions indicates that the approach is applicable to a wide wind velocity range. The feasibility of the idea is supported by measurements performed on a prototype.     

MEMS器件虚拟运行中运动规律求解器的设计与实现

针对虚拟运行（在器件动态模型的基础上对MEMS器件运动性能进行评测的设计工具,其作用在于建立MEMS设计参数与器件运行之间的直接联系）中运动规律的联立、求解和实时仿真等问题,分析了几种典型MEMS器件的动态模型,提出了运动规律求解器的设计原理和体系结构,其中包括三项关键技术：物理运动规律在部件库系统中的形式化表示,物理问题自动求解的推理算法,以及离线编译的优化技术。最后,设计和实现了运动规律求解器原型系统,并在该系统中测试了微泵的虚拟运行,达到了通过修改阀片设计参数和膜片驱动参数实时观察虚拟运行中状态相应变化的目标,即在微泵的设计参数与其运行之间建立了直接的关联关系。     

Effects of Gamma Ray Radiation on the Performance of Microelectromechanical Resonators

While much radiation test data are available for metal-oxide-semiconductor (MOS) devices, research into the effects of radiation on microelectromechanical systems (MEMS) is in its relative infancy. Piezoelectrically transduced MEMS resonators have broad applications in signal processing, environmental monitoring, and navigation. Aluminum nitride (AlN), in particular, is an attractive piezoelectric because of its favorable fabrication characteristics and ease of integration into the complementary MOS (CMOS) manufacturing process. The utility of these devices in space and nuclear systems necessitates research into their performance in radiation environments. Resiliency and an established relationship between radiation dose and device behavior provide a critical tool for engineers in their design process. Multiple AlN-based MEMS resonator designs are created and exposed the devices to 1 Mrad(Si) gamma irradiation from a Cobalt-60 source while measuring scattering (S-) parameters in situ. The experimental data are matched to a theoretical model to describe the change in frequency as a function of radiation-induced displacement damage. It is demonstrated that the AlN-based resonators are resilient against radiation-induced charge-trapping effects. Furthermore, a new method is presented of permanent frequency trimming MEMS resonators up to 30% of their bandwidth without modifying quality factor or motional resistance.     

集成化MEMS工艺设计技术的研究

针对目前MEMS研究领域中普遍存在的器件设计与加工工艺脱节的问题，提出了一种集成化的MEMS工艺设计技术。即在器件设计的过程中充分考虑加工工艺的特点和制约，提高器件的工艺设计能力和效率．这种工艺设计方法以结构材料、反应材料、工艺设备和环境限制的数据库为基础，从工艺过程为结构材料和反应物之间的物理或化学反应的角度出发，提炼出了工艺设计规则；在设计过程中，结合版图尺寸和具体的工艺参数，对工艺过程中器件结构二维断面上的所有结构材料的状态和图形进行计算和记录，并以此信息为依据结合设计规则判断工艺流程的合理性，并把相应的工艺信息、材料信息等代入器件的结构分析中去，实现MEMS器件的集成化工艺和结构设计．最后三维可视化设计工具IMEE1．0实现了集成化的设计技术，并通过对一个结构比较复杂的气体传感器进行设计和制作。验证了这种集成化工艺设计技术的可行性和实用性．     

Vorticity and quantum interference in ultra-small SOI MOSFETs

As scaling and performance needs of industry has continued, silicon-on-insulator technology appears to be a viable option. However, the small sizes of these structures require a quantum treatment for the transport. In this paper, we present results from a full three-dimensional (3-D) quantum simulation and describe the effects of quantum interference and vorticity arising from the discrete nature of the dopant atoms. In wide (/spl sim/18 nm) channel devices, as the electrons travel from the source to the drain of the device, vortices in their motion form, based on the 3-D positions of the dopant atoms in the device. For a narrow-channel device (/spl sim/8 nm), the quantum interference effects are exacerbated, as seen in the output currents. The vorticity of the electron density is not suppressed at low drain biases. However, at higher drain biases, the vortices are washed out due to increased interaction with the channel dopants and increased carrier energy.