复合式MEMS微夹持器研制

研制了一种针对亚毫米微小构件实施稳定夹取及可靠释放的微夹持器,应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与真空驱动集成构成复合式驱动,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及真空控制系统。在80V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移25μm。设计了两种尺寸的微夹持器,一种张合量为100µm～150µm,另一种为150µm～200µm。针对100～200µm的小球进行了微操作实验,实验结果证明静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的正压气流能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现了可靠的释放操作。     

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.     

面向MEMS微装配的夹持器的设计和实验研究

介绍了一种由PZT（压电陶瓷）驱动的用于MEMS微装配的微夹持器的设计，计算了夹持器本体的放大倍数和刚度,并用ANSYS仿真验证了数学计算的准确性,采用了基于视觉的标定方法，标定了微夹持器刚度、张合量、夹持力以及夹持力和张合量的关系。实验表明：夹持器张合量达280μm，夹持力达0．1N，可精确操作200～2000μm的微齿轮，实现了微行星齿轮减速器的装配。     

基于MEMS机构装配的微夹持器研究

微夹持器作为末端执行装置,直接决定了微装配的效率。MEMS机构中包含许多微小的活动部件和功能元件,为实现这些微小器件的稳定夹取和自动装配,设计了一种采用压电陶瓷驱动、基于柔性铰链的二级放大微夹持器结构。对该微夹持器的节点应力、刚度及最大张合量等进行了分析计算,并对微夹持器进行了试制。实验与分析结果表明,该夹持器最大张合量是245μm,放大倍数约为12.3倍,满足MEMS机构的装配要求。在此基础上,重点对张合量与夹持力进行了系统测试,通过对测试数据的非线性回归,推导出99.99%可靠度的驱动电压计算公式,实现了微夹持的精确控制。     

新型集成三维微力检测微夹持器

提出了一种以压阻检测技术为基础,压电陶瓷为微驱动元件,具有两级位移放大且集成三维微力传感器的微夹持器。采用有限元软件对微操持器放大机构和传感器弹性体进行分析,并给出了传感器的标定方法。实验证明,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单的优点,满足了预计的设计要求,传感器最大量程为10 mN,X向与Y向的分辨率均为2.4 μN,Z向的分辨率为4.2 μN;同时也验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性,当压电陶瓷驱动电压取200 V时,微夹持器的张合量达到最大值274 μm。     

微夹持器的有限元分析

设计了一种基于柔顺铰链的微夹持器。微夹持器采用柔顺铰链为导向机构,为了提高微夹持器的分辨率,采用两级杠杆柔顺机构对输入位移进行放大。建立了系统的理论分析模型,并对其静态特性进行了分析。在此基础上对平台尺寸进行了优化设计,给出了平台尺寸的最优数值结果。最后利用有限元分析软件COSMOS对平台进行静力分析和模态分析,验证设计的正确性和有效性。     

体硅工艺静电致动微夹持器的试验研究

对一种梳状静电致动微夹持器的特性进行了测试.采用显微镜-CCD-微机测试方案,微夹持器的状态信息通过数据采集及图像处理获取,得到"电压-位移"特性曲线并建立了数学方程.对特性方程的分析表明理论设计与试验结果的一致性与合理性.并分析了从设计、加工到测试过程中引起理论设计与实际器件性能差异的主要因素,表明现有的微机械设计理论与加工水平存在一定的不足.由试验结果中获取了相关微机械器件的设计经验.     

用于微装配的二级放大微夹持器的设计与实验

微装配系统中的重要工具之一就是微夹持器,因此设计了利用压电陶瓷驱动的二级放大的微夹持器并利用Pro/E对其建模,计算了其放大倍数和节点应力,同时采用有限元方法对所设计的微夹持器进行张合量、放大倍数、应力、刚度及夹持力的分析计算,最后对微夹持器进行试制,实验测试,测试结果表明该微夹持器设计合理,基本符合要求。     

基于柔性铰链的二级放大微夹持器的研究

微夹持器是微装配系统的关键部件,设计了一种以柔性铰链为基础的二级位移放大机构的夹持器,该夹持器由压电陶瓷驱动。计算了夹持器的放大倍数和柔性铰链的节点应力,并对夹持器的最大张合量、放大倍数、夹持力和刚度进行有限元仿真分析。分析结果表明:夹持器的结构设计满足实际应用要求,对实现微小零件的自动装配有实际意义。     

MEMS器件微装配系统的设计与研制

在分析微装配特点的基础上,讨论了微装配系统的功能需求和组成。提出了一种新型MEMS器件微装配系统设计方案,描述了系统样机关键技术模块的研制方案。以微型光谱分析仪极板对准为示范目标开展了实验研究,结果表明该系统适用于典型MEMS芯片的微对准和封装研究。     

微夹钳研究的进展与展望

微夹钳技术是微机械技术的重要内容之一.本文首先论述了微夹钳的应用背景,回顾了微夹钳技术研究的历史及现状;对目前国内外所研究的微夹钳进行了分类,并对其结构工艺与工作原理进行了分析;最后,对微夹钳技术的发展进行了展望.     

谐振式MEMS温度传感器设计

为了实现以频率输出为信号的气象温度测量,提出了一种基于双层悬臂梁的谐振式微温度传感器。基于双悬臂梁不同材料热膨胀系数的差异会导致悬臂梁谐振频率偏移的原理,采用压电方式同时实现悬臂梁的驱动及其谐振频率的检测,从而实现温度的测量。根据硅基传感器的正面腐蚀工艺,设计了谐振悬臂梁的双层结构,采用有限元方法分析了悬臂梁的谐振模态、可利用的振型及其温度与各模态谐振频率的关系,并利用多普勒振动系统对悬臂梁的谐振特性进行了研究。实验发现悬臂梁的二阶弯曲振型Q值相对于其它振型是最大的,其Q值约为150;高阶振型特别是二阶弯曲振型适合用于以ZnO为压电材料的温度传感器的频率检测,并且具有相对较高的灵敏度(约为20Hz/℃)和频率温度系数(1.9×10-4/℃)。结果表明,微型温度传感器能够满足气象温度检测的要求,并具有抗干扰能力强、灵敏度高、信号传输接口简单等优点。     

MEMS电容应变传感器

本文详细介绍了一种用硅玻璃键合工艺制作的微型梁式电容应变传感器,通过ANSYS软件并结合MEMS器件的特点进行优化,设计并制作了由MEMS工艺实现的微型梁式电容应变传感器.为保证应变器件稳定工作,在测量电路中加一直流静电驱动电压在电容器的极板之间,以保证建立的电场在两极之间产生一个静电力,引起膜片发生向下形变的弯曲,从而保证作用在轴向的应力不会使应变梁产生失稳.文中详细给出了工艺流程和测试结果,通过实验测试证明,用这种方法制作的电容应变器件具有良好的线性、较小的滞后和稳定的工作特性,其中应变灵敏度达10 fF/MPa,测量误差小于1%FS.     

MEMS集成设计中数据交换的研究

MEMS集成设计是目前发展的趋势,由于在MEMS设计中使用不同的CAD软件所产生的数据格式不兼容,使得MEMS设计过程复杂、周期长,且大大影响了设计的优化结果。因此,这里提出建立以STEP为标准的数据库自动进行数据格式交换的方法。     

面向MEMS构件在线检测和三维外型测量的立体视觉系统

开发了可用于MEMS微制造和微装配过程的一种面向MEMS构件的在线监测和三维外型测量的视觉系统。介绍了该系统的设计、结构、工作原理及实现，并讨论了立体视觉模块的一些关键技术。参考微操作系统的原理，将立体视觉技术引入MEMS构件的检测，实现了由体视显微镜和一个CCD摄像机构建光学系统的三维外型视觉测量系统。实验结果表明，该系统是一种有效的三维检测解决方案。加以少量结构改进，该系统可以用于微制造和微操作过程中对MEMS构件的在线监测和三维外型的视觉测量。     

仿生MEMS功能表面的分形设计

从研究具有超疏水能力荷叶表面结构特征出发，设计减摩防粘的MEMS功能表面分形模型。通过设置表面接触角等表面参数，建立了满足条件的MEMS功能表面，以达到减摩防粘的性能要求。     

悬臂梁式MEMS探卡的设计和制造

集成电路圆片级测试探卡主要应用于芯片分片封装前对芯片电学性能进行初步测量。随着集成电路设计和制造技术的发展，芯片焊盘密度日益增加，电路工作速度不断提高，由此产生的寄生电容和寄生电感效应会对传统测试探卡的正常工作造成影响，难以得到正确的测试结果。结合先进的MEMS技术，提出了一种采用铝通孔导电、金属自隔离结构的MEMS探卡，探卡由台阶结构的悬臂梁探针陈列构成，探针的具体结构排列依据待测芯片（DUT）的管脚分布，同时测试探针电学导通电阻小于1Ω，详细叙述了探卡的结构设计和制造方法。     

基于单片式微波集成电路的终端式MEMS微波功率传感器(英文)

提出了一种基于塞贝克效应的终端式MEMS微波功率传感器,该传感器的制作工艺与GaAs单片式微波集成电路(MMIC)工艺兼容.利用热电偶检测温度差,生成与微波功率成比例的直流电压,由GaAs/Au热电偶串联构成热堆.传感器将电功率转化为热,再间接测量热堆生成的直流电压.采用微机械加工技术,去除了器件底部的GaAs衬底,从而减小了热损耗和电磁损耗,提高了灵敏度.测试结果表明,在0～20 GHz内,HFSS模拟的S11＜-22 dB;测试输入功率为-20～20 dBm时,频率为0～20 GHz;在20 GHz时,灵敏度高于0.15 mV/mW;在整个频率范围内,回波损耗低于-26 dB.     

Monolithically integrated MEMS mirror array with low electrical interference in wavelength-selective switches

This paper describes the fabrication of a microelectromechanical-system (MEMS) mirror array for a wavelength-selective switch (WSS). The MEMS mirror array, in which a lot of closely spaced adjacent mirrors are electrostatically operated, consists of a MEMS mirrors and a mirror-drive electrodes. In order to reduce electrical interference, comb-shaped ground walls with a high aspect ratio of about 20 are monolithically integrated with the MEMS mirror chip. Further, U-shaped gold electroplating walls are formed in the mirror-drive electrode chip. With these walls, each MEMS mirror successfully operates with low electrical interference.