微机电系统的研究与展望

微机电系统是面向2l世纪的高新技术。文章对微机电系统产生的背景、组成特征、发展现状及应用前景进行了全面分析。在此基础上，论述了MEMS未来发展的趋势。     

一种MEMS热微执行器的设计与制作

介绍了基于热膨胀效应的V型梁MEMS微执行器并联阵列结构,并对其进行结构设计、仿真和制作;为确定微执行器的结构参数同其位移和驱动力的关系,对V型悬臂梁进行了理论分析;为提高位移和驱动力,运用ANSYS对微执行器进行有限元分析,优化结构参数;根据模拟结果,采用SOI硅片和微细加工DRIE技术制作了这种V型梁微执行器并联阵列。     

基于微机械的多孔硅牺牲层技术

多孔硅作为一种牺牲层材料 ,在表面硅微机械加工技术中有着重要的应用。文中综合讨论了三种不同的多孔硅牺牲层技术 ,并用后两种“在低掺杂衬底上的多孔硅牺牲层技术”,制作了良好的悬空微薄膜结构 ,同时对多孔硅表面的薄膜淀积 ,和制备过程中的掩膜材料等进行了分析 ,为利用多孔硅工艺制作各种 MEMS器件奠定了基础。     

一种新型可调谐光栅的制作工艺

基于MEMS工艺,用硅橡胶制作了光栅常数可变型光栅,可用于光学MEMS器件中的关键部件,给出了可调谐光栅的详细制作工艺。经ANSYS对硅橡胶衬底光栅的弹性模量动态模拟,结果显示本光栅具有良好的线性响应。     

C型MEMS平面微弹簧弹性系数研究

设计了一种新型的C型微机电系统(MEMS)平面微弹簧,用卡氏第二定律和胡克定律推导出这种平面微弹簧在3个方向(即x,y和z方向)上的弹性系数计算公式,用ANSYS进行有限元仿真,结果验证了公式推导的正确性。在公式计算和仿真的基础上,研究了各种结构参数对其弹性系数的影响规律。     

MEMS加工误差对微弹簧力学特性的影响分析

S型微弹簧是一种在微机电系统中应用广泛的微弹性元件,利用力学分析法,首次推导出S型微弹簧在空间3个方向上的弹性系数计算公式,ANSYS仿真验证了公式推导的正确性.采用LIGA工艺,设计加工了一种金属镍S型微弹簧.用精密微小型计算机显微测量仪测量得到微弹簧的线宽,长度和厚度与设计值的误差分别为4 μm、50 μm和24 μm.分析了微弹簧各个结构参数的加工误差对微机电系统(MEMS)微弹簧力学特性的影响,指出微弹簧线宽的加工误差对其力学特性影响最大,Tytron250微小力拉伸实验机实验验证了结论的正确性.     

硅基微机械加工技术

阐明了微机电系统（MEMS）的学科内涵,概述了体微机械加工技术、表面微机械加工技术和复合微机械加工技术的特点,运用具体实例对三种硅基微机械加工技术的基本制作工艺过程进行了讨论。     

微机械轮式陀螺仪的结构分析

以轮式陀螺仪为研究对象，利用有限元方法分析了主要结构尺寸对其固有频率的影响。根据驱动模态和敏感模态的频率匹配，优化了陀螺的结构尺寸；通过谐响应分析确定了频率和振幅的关系，为结构设计和制备工艺提供了理论指导。     

一种用于微拉伸系统的MEMS弹簧设计与制作

针对微拉伸测试系统支撑梁因塑性变形带来的误差,采用UV-LIGA技术制备出S型支撑弹簧来代替刚性梁,这样即可测量大变形薄膜的力学性能.实验结果表明,用UV-LIGA工艺制备的Ni金属S形弹簧具有良好的均匀性,在较大的变形范围内有很好的线弹性.     

一种基于MEMS工艺的365 GHz硅微波导垂直转接结构

基于微电子机械系统(MEMS)工艺设计并制作了一种THz垂直转接结构,该结构采用6层硅片堆叠的硅微波导形式。理论分析计算了垂直转接结构的参数,并使用三维电磁场分析软件HFSS对该结构进行了模拟仿真。设计得到了中心频率为365 GHz、带宽为80 GHz、芯片尺寸为10 mm×7 mm×2.7 mm的THz垂直转接结构。给出了一套基于MEMS工艺的硅微波导的制作流程,制作了365 GHz垂直转接结构并对其进行测试。获得的THz垂直转接结构的回波损耗随频率变化的测试结果与仿真结果基本一致。采用MEMS工艺制作的硅微波导垂直转接结构具有精度高、一致性好、成本低的特点,满足THz器件的发展需求。     

基于谐振原理的RF MEMS滤波器的研制

采用与IC工艺兼容的硅表面MEMS加工技术,以碳化硅材料作为结构材料,研制出一种新型的基于谐振原理工作的RF MEMS滤波器。详细介绍了器件的工作原理、制备方法、测试技术和结果,并对测试结果做出分析。该RF MEMS滤波器由弹性耦合梁连接两个结构尺寸和谐振频率完全相同的MEMS双端固支梁谐振器构成,MEMS谐振器的结构决定了滤波器的中心频率,弹性耦合梁的刚度决定了滤波器的带宽。在大气环境下测试器件的频响特性,得到中心工作频率为41.5MHz,带宽为3.5MHz,品质因数Q为11.8。     

石英微机电陀螺的频率干扰特性研究

石英微机电陀螺是一种哥氏(Coriolis)振动陀螺,其敏感芯片采用音叉式结构,工作时音叉处于谐振状态。敏感芯片具有多阶模态,前9阶模态覆盖频率为3～21 kHz。敏感芯片的部分模态易受外部振动影响而导致敏感芯片产生共振,使陀螺产生零位偏移误差,陀螺的零位偏移误差可达0.5 (°)/s。该文分析了敏感芯片模态共振误差机理,提出通过结构错频设计避免外部环境特定频率对敏感芯片的影响,从而抑制了零位偏移误差,零位偏移误差减小到约0.03 (°)/s,提高了陀螺的振动环境适应性。     

O型MEMS平面微弹簧弹性系数研究

对封闭O型MEMS平面微弹簧建立力学分析模型,用卡氏第二定律和胡克定律推导出这种平面微弹簧弹性系数的计算公式,并用ANSYS进行有限元仿真,仿真结果表明,两者的相对误差低于2％.在计算公式和仿真的基础上,研究了各种结构参数对弹性系数的影响规律,结果表明,弹性系数随节数和弯半径的增大而减小,随梁宽和厚度的增大而增大.研究...     

Electric field sensors based on MEMS technology

The design and optimizatlon of two types of novel miniature vibrating Electric Field Sensors (EFSs) based on MicroElectroMechanical Systems (MEMS) technology are presented.They have different structures and vibrating modes. The volume is much smaller than other types of charge-induced EFSs such as field-mills. As miniaturizing, the induced signal is reduced enormously and a high sensitive circuit is needed to detect it. Elaborately designed electrodes can increase the amplitude of the output current, making the detecting circuit simplified and improving the signal-to-nolse ratio. Computer simulations for different structural parameters of the EFSs and vibrating methods have been carried out by Finite Element Method (FEM). It is proved that the new structures are realizable and the output signals are detectable.     

高灵敏度扇面纤毛式MEMS矢量水听器

目前微机电系统（MEMS）矢量水听器的研究出现瓶颈。大量实验表明,水听器的灵敏度与探测带宽存在着相互制约关系。为保证水听器具有20~500 Hz的针对远距离船舶辐射噪声的可探测带宽,急需提高MEMS矢量水听器在低频探测的灵敏度。该文在普通纤毛式MEMS矢量水听器的基础上,提出在柱形纤毛上集成十字扇面,通过增大声压接收面积,来提高低频探测的灵敏度。通过ANSYS Workbanch多参优化确定十字扇面的尺寸,通过ANSYS15.0对优化后的尺寸进行验证。利用微机械加工法集成扇面与柱形纤毛,利用水听器校准系统来测试扇面纤毛式矢量水听器的灵敏度,结果表明,灵敏度满足每频程6 dB的增长趋势,在500 Hz时灵敏度达到-183.6 dB（0 dB=1 V/μPa）,比普通结构提高了近5 dB。     

MEMS微电磁驱动器磨损对光开关性能的影响分析

光开关中运动元件的磨损对光学元件的位置精度有重要影响。介绍了MEMS微电磁驱动器磨损对光开关光学性能影响的理论分析,采用光纤光学理论计算了磨损所引起的光开关的附加插入损耗,结果表明,所采用的微电磁驱动器磨损引起的附加插入损耗小于0.02 dB,其磨损特性可以满足光通信开关的要求,实验结果证明了理论分析的正确性。此方法对光开关和MEMS微驱动器的研究具有指导意义。     

双层悬空结构片状微电感研究

利用MEMS工艺制作了一种双层悬空结构的圆形片状微电感，并研究了其在S波段的性能。双层微电感的底层线圈制作在玻璃衬底平面上，外径为500μm，匝数为2，导线宽度70μm，导线间距15μm，顶层线圈的悬空高度为20μm，顶层线圈的匝数为1．5，其它结构参数与底层线圈相同。研究表明，所制作的双层结构微电感在2GHz～4GHz时其电感量达到2．2nH，其品质因数达到22。在制作过程中首次引入的光刻胶抛光工艺大大简化了微电感的制作过程。     

电磁激励微谐振式传感器的设计与制作

利用微电子机械加工技术成功研制出电磁激励-电磁拾振硅谐振梁式压力传感器。传感器以"H"型双端固支梁为谐振器,采用差分检测结构。工艺制作采用体硅加工工艺,并且采用一种减小封装应力的结构完成压力传感器的真空密封及封装。利用锁相环微弱信号检测技术建立的开环频率特性测试系统及闭环自激测试系统测试了传感器的频率、压力特性等相关技术指标。谐振器在空气中的品质因素Q值大于1200;在真空中的Q值大于7000。压力满量程刻度为0～120kPa。差分输出的结果优于单个谐振梁的输出结果,差分输出结果的线性相关系数为0.9999,灵敏度为225.77Hz/kPa。     

Fabrication of a new micro bio chip and flow cell cytometry system using Bio-MEMS technology

This experiment was required the base technology's of micro packaging technology, micro fluidic technology, micro optical technology and electricity signal processing technology. This experiment emphasizes Bio-MEMS (micro electro mechanical system) technology and application. Material of chip was used the hydrophilic properties of good glass more than that of PDMS (poly dimethylsiloxane) and PMMA (poly methyl methacrylate). Method to use in chip manufacture is the BOEM (buffered oxide etchant method), ECDM (electro chemical discharge method) and UVAM (UV sensitive adhesives method). It is possible to measure the characteristics of various DNA. Therefore, those applications may be useful in other MEMS technology and optical science of biotechnology field [H.M. Shapiro, M.D, Practical Flow Cytometry, third ed., 1995; Z.D. kiewicz, J.P. Robinson, H.A. Crissman, Flow Cytometry, second ed., 1995].