一种避免静电黏附失效的低应力阳极键合技术

基于阳极键合过程中的静电吸合效应,提出了一种可避免静电黏附失效的低应力阳极键合技术.采用湿法腐蚀技术制作了梯形截面的硅梁结构和对应的Pyrex玻璃基底,理论分析了该结构的静电吸合电压并进行了实验验证.采用铝/铬作为玻璃基底的电极层,铬作为中间层,从而阻止阳极键合发生.由于在键合过程中形成的铬氧化物为导体,所以硅与玻璃之间的静电场消失,从而阻止了玻璃中的O2-等负离子向硅移动,避免了静电黏附失效;采用Al作为主要电极层,可以保证电极的电学特性.采用了逐步升压法,首先在200 V低电压条件下进行预键合,使结合面具有一定的连接强度,然后再提升键合电压至400 V进行强化键合,在充分保证键合强度的前提下,静电力作用下的结构变形仅为400 V恒压模式下的1/4,减小了静电力对键合结构产生的影响,有效改善了键合过程中产生的残余应力.     

硅基MEMS技术

本文结合MEMS技术的发展历史,概括了当今硅基MEMS加工技术的发展方向.指出表面牺牲层技术和体硅加工技术是硅基MEMS加工技术的两条发展主线;表面牺牲层技术向多层、集成化方向发展;体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合,追求大质量块和低应力,以及三维加工.SOI技术是新一代的体硅工艺发展方向;标准化加工是MEMS研究的重要手段.     

一种全对称微机械陀螺的双级解耦机构特性

为了实现微机械陀螺的频率匹配和双级解耦,提出了一种全对称双级解耦结构体硅微机械陀螺.该陀螺结构完全对称,容易实现驱动和检测模态谐振频率的匹配,提高系统灵敏度.驱动和检测方向的主要阻尼均为滑膜阻尼,在常压下工作也可以获得较高的品质因子,避免了器件的真空封装.利用4组十字折梁,实现了结构的双级解耦.仿真结果表明,模态之间的耦合系数小于0.17%.采用体硅微机械加工技术制作了样品,关键工艺有硅-玻璃阳极键合和DRIE技术.基于计算机图像技术对微机械陀螺进行了测试,验证了陀螺的解耦功能,在常压条件下测得该陀螺的品质因子为195,灵敏度为8.031 mV/（（°）.s^-1）.     

一种硅芯片/玻璃环静电键合的简易装置

随着微机电系统(MEMS)技术的发展,促进了半导体硅压阻式压力传感器低成本和集成化,使其得到了广泛应用;在压阻式压力传感器无应力封装工艺中,硅芯片/PYREX7740玻璃环静电键合起着重要的作用.本文论述了静电键合基本原理,以此研制了适合于大批量生产的静电键合简易装置,实践表明此装置易操作,施加键合静电电压降为160V,键合时间缩短为约2分钟,键合界面具有较大的封接强度和耐高温冲击性,满足了压力传感器制作的无应力封装的需要,具有实用性.     

Notching效应在MEMS单步干法制造工艺中的应用

研究了一种基于深反应离子刻蚀（DRIE）中notching效应的MEMS单步干法制造工艺.首先,基于DRIE刻蚀SOI硅片时notching现象产生的机理,设计了多种不同线宽的槽结构,验证notching效应的发生条件.实验结果表明,对于所采用的具有30μm器件层的SOI硅片,发生notching现象的临界槽宽为12μm,而notching释放的极限结构宽度同样为12μm.其次,为实现大面积结构的notching释放,研究了正方形、矩形、三角形及六边形等4种典型释放孔结构的干法释放效果.实验结果表明,六边形释放孔不但能够快速有效地释放结构,同时还能降低notch-ing效应的磨损,有利于惯性MEMS器件的加工.最后,设计了一种Z轴微机械陀螺结构以验证提出的设计及工艺.加工及测试结果表明,所提出的单步干法制造工艺完全满足微机械陀螺设计加工要求,工艺简单、成品率高,所测试的陀螺在常压下即可达到122的品质因数.     

激光辅助阳极键合方法及实验研究

为了提高MEMS微器件成品的封装质量和效率,本文自主设计了新型的激光辅助阳极键合技术系统,并将其运用于硼硅玻璃BF33与硅的键合实验,成功实现了硅与玻璃在低功率下局部区域的完好键合.采用扫描电子显微镜对键合样本界面的微观结构进行分析,结果表明:在玻璃/硅的键合界面有明显的过渡层生成.使用能谱仪测定玻璃基体、过渡层以及硅层所含的化学元素种类及其质量分数,通过对比分析认为:激光在键合层的致热温度和界面区的强电场导致硼硅玻璃耗尽层中的氧负离子向键合界面迁移扩散,并与硅发生氧化反应形成中间过渡层,而该界面过渡层的形成是实现玻璃/硅键合的基本条件.该种新型键合技术操作简单、速度快、灵活性高,可以针对不同键合材料实时调整激光功率、行走速度、扫描时间等参数,可广泛应用于MEMS封装器件中硅与玻璃的键合.     

一种新型微机械陀螺的研究

设计了一种检测模态和驱动模态具有相近品种因子的微机械陀螺。这种我们称之为栅型结构的陀螺由悬空弹簧将具有栅条的检测质量块与衬底相联。计算结果表明,这种器件在大气压条件下其驱动模态和检测模态的品质因子几乎同为140。同时,计算结果还表明可以获得比较平坦的较大带宽。采用硅－玻璃键合和深反应离子刻蚀技术制作了这种器件。     

微纳通道型真空漏孔研究进展

传统真空漏孔存在难以实现尺寸可控制作、分子流压力范围有限等问题,而利用微纳通道型真空漏孔可以有效解决上述问题。本文阐述了一维/二维微纳通道型真空漏孔的加工方法,即使用光学曝光、刻蚀工艺在硅基底上制备微纳沟槽,结合键合技术实现微纳通道密封;通过金属封装、玻璃浆料键合、毛细管连接工艺实现硅基微纳通道型真空漏孔与金属真空法兰的封装连接。该类型漏孔有望在真空计量、极小流量控制和漏率测试等方面取得应用。     

一种二次自对准的镍微静电马达

设计出一种微静电ｗｏｂｂｌｅ马达，定子电极的一部分重叠在转子之上，微马达用二次自对准的准ＬＩＧＡ技术制作，电铸镍作结构层，电铸铜作牺牲层，得到的转子与定子，转子和轴的间隙分别为２．５和１．３μｍ。马达制备的关键工艺都在低温下完成。     

梳齿倾斜角对多自由度微陀螺动态性能的影响

为揭示由于刻蚀加工误差导致的梳齿倾斜角度对多自由度微陀螺动态性能的影响机理,以一类四自由度静电驱动微机械陀螺为研究对象,分析了线性及静电力非线性工况下梳齿倾斜角度对微陀螺动力学特性的影响.研究结果表明,微陀螺在线性系统内工作时,梳齿倾斜角会导致微陀螺系统出现共振频率偏移,并造成灵敏度大幅下降,但对带宽基本没有影响.当在...     

新型摇摆质量微陀螺的设计与制作(英文)

首先介绍了两种结构完全对称的高灵敏度的摇摆质量陀螺.设计并制作了一种对角驱动的新型摇摆质量微陀螺.利用硅的各向异性湿法腐蚀等MEMS体加工技术,简化了该微陀螺的制作工艺.该微结构的对称性、一致性和加工精度有很大改善,尤其是振动梁、激励部件和敏感部件等关键部件.详细阐述了该微陀螺的工作原理和结构设计,完成了微陀螺关键部件的制作和样机组装.利用NF公司的FRA 5087频率响应分析仪测试了样机大气下的振动模态,其中驱动频率为5.563 2 kHz,检测频率为5.553 4 kHz,频差为9.8 Hz,小于0.2%.利用频谱分析的方法测试了样机的哥氏力.测试结果表明这种摇摆质量微陀螺的设计与制作方法是可行的.     

具有栅结构与静电梳齿驱动的电容式微机械陀螺的仿真、设计与测试

电容式陀螺仪是一种振动式陀螺仪,由于加工的特殊性使其具有了传统的陀螺无法比拟的优点,从而拓宽了其应用领域.为了提高陀螺仪的检测精度,本文提出了一种静电梳齿驱动、栅结构的电容式检测的微机械陀螺仪的设计方法,并分析了其工作原理.运用ANSYS软件对陀螺结构进行了仿真和模态分析,仿真结果与理论计算结果相接近.所设计的陀螺结构采用体硅标准工艺方法进行了设计,并对其进行了流片加工和封装,最终得到了电容式微机械陀螺仪.实验测试的结果表明,陀螺驱动模态的固有频率为4.06kHz,灵敏度为0.027 9 v/((°)s-1).     

用于微小型飞行器姿态估计的四元数扩展卡尔曼滤波算法

针对MEMS陀螺、加速度计、磁强计组合的姿态确定系统,笔者设计了用于微小型飞行器姿态估计的四元数扩展卡尔曼滤波算法．取姿态误差四元数和陀螺随机漂移构建滤波状态向量,通过误差四元数微分方程和陀螺随机误差模型建立了卡尔曼滤波状态方程;采用改进的高斯-牛顿算法将传感器观测量转化为四元数,通过与利用陀螺信息估计的四元数相乘,得到姿态误差四元数作为卡尔曼滤波量测值,显著减小了机动加速度对姿态估计的影响．仿真实验显示：四元数静态估计误差小于0．22％,在动态情况下,四元教估计值能够较好地跟踪真实值的变化,表明该滤波算法能够有效提高姿态估计的精度．     

基于阿伦方差的微机电陀螺误差建模及其粒子滤波

基于Allan方差对微机电陀螺的随机漂移误差进行分析和建模,并通过粒子滤波提高了微机电陀螺的零偏稳定性.实验结果表明,这种方法比较简单而切实可行,可以明显提高微机电陀螺仪的零偏稳定性.     

Real-time control of ultrafast laser micromachining by laser-induced breakdown spectroscopy

Ultrafast laser micromachining provides many advantages for precision micromachining. One challenging problem, however, particularly for multilayer and heterogeneous materials, is how to prevent a given material from being ablated, as ultrafast laser micromachining is generally material insensitive. We present a real-time feedback control system for an ultrafast laser micromachining system based on laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). The characteristics of ultrafast LIBS are reviewed and discussed so as to demonstrate the feasibility of the technique. Comparison methods to identify the material emission patterns are developed, and several of the resulting algorithms were implemented into a real-time computer control system. LIBS-controlled micromachining is demonstrated for the fabrication of microheater structures on thermal sprayed materials. Compared with a strictly passive machining process without any such feedback control, the LIBS-based system provides several advantages including less damage to the substrate layer, reduced machining time, and more-uniform machining features.     

Fabrication, characterization, and analysis of a DRIE CMOS-MEMS gyroscope

A gyroscope with a measured noise floor of 0.02/spl deg//s/Hz/sup 1/2/ at 5 Hz is fabricated by post-CMOS micromachining that uses interconnect metal layers to mask the structural etch steps. The 1 /spl times/ 1 mm lateral-axis angular rate sensor employs in-plane vibration and out-of-plane Coriolis acceleration detection with on-chip CMOS circuitry. The resultant device incorporates a combination of 1.8-/spl mu/m-thick thin-film structures for springs with out-of-plane compliance and 60-/spl mu/m-thick bulk silicon structures defined by deep reactive-ion etching for the proof mass and springs with out-of-plane stiffness. The microstructure is flat and avoids excessive curling, which exists in prior thin-film CMOS-microelectromechanical systems gyroscopes. Complete etch removal of selective silicon regions provides electrical isolation of bulk silicon to obtain individually controllable comb fingers. Direct motion coupling is observed and analyzed.     

Towards a biomimetic gyroscope inspired by the fly's haltere using microelectromechanical systems technology

Flies use so-called halteres to sense body rotation based on Coriolis forces for supporting equilibrium reflexes. Inspired by these halteres, a biomimetic gimbal-suspended gyroscope has been developed using microelectromechanical systems (MEMS) technology. Design rules for this type of gyroscope are derived, in which the haltere-inspired MEMS gyroscope is geared towards a large measurement bandwidth and a fast response, rather than towards a high responsivity. Measurements for the biomimetic gyroscope indicate a (drive mode) resonance frequency of about 550 Hz and a damping ratio of 0.9. Further, the theoretical performance of the fly''s gyroscopic system and the developed MEMS haltere-based gyroscope is assessed and the potential of this MEMS gyroscope is discussed.     

某陀螺地平仪自检测系统设计

针对某陀螺地平仪平均无故障时间较短,故障率高,且外部检测困难的问题,设计了某陀螺地平仪的机内自检测系统.分析了某陀螺地平仪的功能结构及其故障模式,提出了其自检测方案.采用ADUC 812单片机、数码管等,设计了集成化、嵌入式的自检测系统硬件电路,并利用汇编语言编程实现了机内自检测软件.通过试验验证了系统的有效性.     

基于光纤陀螺的捷联寻北仪误差分析

光纤陀螺寻北仪的静态误差包括陀螺误差、倾斜角测量误差、安装误差、转位控制误差、物理量(纬度、地球重力加速度)误差等.分析各种误差对四位置寻北精度的影响机理,重点详细推导误差模型,并进行仿真验证.仿真结果表明:陀螺精度对寻北精度的影响最大;转位误差和安装误差的影响大于倾斜角测量误差影响,纬度误差影响最小;同时,除安装误差...