MEMS传感器性能提高相关技术研究

在分析MEMS（微电子机械系统）传感器当前的发展现状、特点特别是在器件实用化和产品化进程中所面临的挑战后，提出了MEMS传感器技术实用化的关键－提高器件性能满足应用要求。根据研究经历举例说明改进传感器材料、结构、制作工艺和器件工作原理等具体措施对提高器件性能的作用。     

基于MEMS镍平面微弹簧尺寸误差分析

对微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)加工的S型微弹簧垂直方向弹性系数影响最大的参数是弹簧线宽b。鉴于此,特针对采用LIGA工艺加工出的两组不同弹簧的线宽进行了精密测量,分析计算出加工误差对弹性系数的影响大小,并对S型微弹簧的设计提出几点建议。     

压电微机器人平面致动机理和谐振频率分析

对一种平面、管道复合型压电微机器人的平面致动机理和谐振频率进行了分析 ,为该机器人提高爬行速度、　选择控制电压的谐振频率提供了依据。     

仿医蛭微机器人中SMA的布局及与偏置弹簧匹配的研究

为使仿医蛭管内微机器人在管内爬行时不产生振动,在研究其致动机理和振动特性的基础上,提出了该机器人弹性是中SMA的最佳布局方式及收缩部件中SMA与偏置弹簧倔强系数之间的最佳匹配关系,为此类微机器人的设计奠定了基础。     

微尺度热科学及其在MEMS中的应用

主要介绍了微尺度热科学最新研究成果及其在MEMS中的应用。微电子机械系统（MEMS）的高速发展为微尺度物理现象及其内在机理的研究提供了机遇和挑战。微尺度热科学是微尺度物理学的一个重要分支，包括微尺度传热学、 微尺度动力学和微尺度热测量学等。一般来说，微尺度热现象的尺度效应可以归结为热流密度大和热惯性小这两个特点，在MEMS器件中有广泛的应用。尽管近年来微尺度热科学取得了快速的发展，但仍处于不断发展的阶段，完整的理论体系还没有建立；微尺度下成熟的实验方法还在摸索中，实验数据处在原始积累阶段；大规模计算条件的实现和分子水平的数值模拟方法的解决提供了另一条途径。     

微流体实验技术研究

微流体实验技术的研究是微流体器件发展的迫切需要，它不仅可以提供测量微流体器件性能必备的工具，而且对于探索微观尺度流体的传输机制具有极为重要的意义。文章对微流体实验技术的难点进行了概括，并对几种主要的微流体实验技术进行了讨论，指出流动显示技术由于对流动本身的干扰非常小，而且在一些研究人员的努力下精度得到不断提高，已经成为一种最有潜力的微流体实验技术。     

MEMS平面W型弹簧变形特性研究

平面W型弹簧是一种典型的MEMS(micro-electro-mechanical system,MEMS)器件,目前主要是利用线弹性力学理论研究其弹性系数,而缺少对其弹塑性变形特性的研究。根据弹塑性力学理论,建立了W型平面弹簧的弹塑性分析模型,利用Ansys软件对其变形特性进行了仿真研究,得到了微弹簧在弹性变形条件下的最大拉力、弹性系数和弹性位移范围,并对镍基W型弹簧开展了拉伸实验,实验结果与仿真结果的误差在8%以内,验证了仿真结果的正确性。此外还对W型弹簧的结构参数对其变形特性的影响进行了研究,得到了微弹簧的最大弹性拉力、弹性系数和最大弹性位移量与弹簧线宽、厚度和半夹角等结构参数的关系,为合理设计W型弹簧的结构提供了依据。     

平面S型等线宽与渐变线宽微弹簧弹性系数分析

针对微惯性器件中平面S型等线宽弹簧的弹性系数理论计算公式尚未完善,利用力学能量法,推导出了弹性系数理论公式。在平面S型等线宽弹簧基础上,提出了S型渐变线宽弹簧并推导出了弹性系数理论计算公式。利用ANSYS仿真软件验证公式的正确性。分析得到在集中力作用下,弹性系数相对误差小于3%;在惯性力作用下,其平均相对误差小于5%。分析表明,S型渐变线宽弹簧具有变形量与应力分布均匀、抗高过载的特性。研究结果为微惯性器件的优化设计提供了一定的理论参考。     

平面微弹簧性能比较研究

针对平面微弹簧性能比较方法的缺乏,提出了弹簧柔度性能比较系数,通过在相等的弹簧占用结构面积情况下,分析C型、S型以及W型弹簧中任意两种弹簧柔度系数比的对数值分布情况。利用仿真软件验证了公式正确性,分析表明弹簧柔度性能比较系数理论值与仿真值相对误差小于5%。分析表明在S型弹簧与C型弹簧柔度性能比较系数以及C型弹簧与W型弹簧柔度性能比较系数为零情况下,弯梁夹角和弯半径与直粱(弯梁等效直粱长度)比值无关;在S型弹簧与C型弹簧柔度性能比较系数为零情况下,随夹角增大,弯半径与直粱比值先增大后减小。弯半径与直粱比值大小影响C型、S型、W型弹簧单位结构面积柔度系数顺序排列。     

微电子机械技术的研究和发展趋势

MEMS技术作为一门新兴的技术，越来越受到世界各国的重视。文中主要阐述了MEMS的研制背景、加工工艺、现状和发展趋势，并对MEMS技术面临的问题进行了简要分析。     

刨床空载时声音信号特征的研究

在刨床的运转过程中，会产生一定的声音信号，而且这种声音信号自身具有一定的特征。我们通过研究分析刨床空载运转过程中产生的声音信号，运用数字信号处理技术，包括时域分析、幅域分析和频域分析的方法，提取出了它在不同域内的特征参数，进一步深入研究可以将该特征参数用于刨削加工过程的识别与诊断。     

Fabrication and measurement of high-g MEMS accelerometer

A high-g beam-mass structure accelerometer was designed. In this structure, by means of KOH back etching on the mass, V-groove structure was fabricated on the backside of the mass, so the weight of the mass and also the relative distance between the mass center and the neutral plane were all decreased. With the thin mass structure, we can take advantage of both beam-mass structure and flat film structure ; the fabrication process is also simple. By means of Hopkinson shock test system, we did the accelerometer calibration. According to the test result,the sensitivity of the MEMS accelerometer is 0.71 μV/g, which keeps in accordance with the theoretical calculation. After a 200 000 g shocking test, the micro structure worked as usual, so this design can satisfy the requirements of high shock, seriously vibration test environment.     

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。     

MEMS中基底和薄膜的CMP制造技术

化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing,CMP)工艺已运用于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)中,并逐渐成为研制高品质微纳器件不可或缺的一道关键技术。区域压力调整、抛光终点检测等技术已经引入到CMP工艺,确保片内不均匀性(Within-wafer Nonuniformity,WIWNU)小于5%,同时有效减小"蝶形"和"腐蚀"等抛光缺陷。CMP在MEMS领域中的运用工艺过程更为复杂,抛光对象更为多元,表面质量要求更高。结合硅、介质层、石英、锗、铂和聚合物等自行开发的CMP工艺以及抛光后清洗处理,详细讨论和阐述CMP工艺如何运用于MEMS领域。实验结果表明,采用CMP工艺,结合抛光液改进和兆声清洗,不仅可以实现薄膜的全局平坦化,而且可以获得高品质的超薄基底、无损的硬质应变薄膜和用于低温直接键合的表面粗糙度小于0.5nm键合表面。CMP技术是研制高品质的可应用于MEMS器件的基底和薄膜的有效手段。     

SiC薄膜制备MEMS结构

采用PECVD方法制备了无定形SiC薄膜,在此基础上,以SiC为结构层,利用传统的表面硅牺牲层工艺制作了电容式谐振器以及薄膜残余应力的在片检测结构。对SiC的MEMS结构进一步进行了长时间的腐蚀,以获得SiC材料的腐蚀特性。对SiC材料的力学特性进行了研究。深入探讨了退火工艺、薄膜硅碳原子比对SiC薄膜力学特性的影响,同时对薄膜硅碳原子比与制备工艺参数(包括硅烷、甲烷流量)之间的关系进行了实验研究。     

MEMS谐振器刚度非线性特性及其表征

为了准确表征微电子机械系统(MEMS)谐振器在大振幅运动时的行为特性,建立了刚度非线性MEMS谐振器集总参数模型,并创建了一整套MEMS谐振器非线性特性的表征方法和测试系统。搭建了基于锁相环和自动增益控制的MEMS谐振器闭环工作电路,分析了不同驱动振幅下,MEMS谐振器的工作状态。推导建立了工作振幅、工作频率与MEMS谐振器刚度非线性之间的数量关系。最后,基于衰减模式和稳定振荡模式两种工作形态,实际测量了MEMS谐振器的无阻尼自然谐振频率和刚度非线性。结果显示:无阻尼自然谐振频率和刚度非线性系数的测量重复性分别为18.6×10-6和1.50%。针对实测的MEMS谐振器无激励振幅自衰减曲线,分别用理想二阶系统谐振器模型和刚度非线性谐振器模型进行残差分析。结果显示后者的残差要比前者的残差小9.5%,表明刚度非线性MEMS谐振器模型更接近真实情况,也验证了该刚度非线性特性表征方法的准确性。基于该方法,测量了MEMS谐振器刚度非线性系数和无阻尼自然谐振频率的温度特性,得到的无阻尼自然谐振频率的温度系数为-0.487Hz/℃,线性拟合度达99.964%。     

谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装

为了提高传感器的品质因数,有效保护谐振器,提出了一种基于绝缘体上硅(SOI)-玻璃阳极键合工艺的谐振式微电子机械系统(MEMS)压力传感器的制作及真空封装方法。该方法采用反应离子深刻蚀技术(DRIE),分别在SOI晶圆的低电阻率器件层和基底层上制作H型谐振梁与压力敏感膜;然后,通过氢氟酸缓冲液腐蚀SOI晶圆的二氧化硅层释放可动结构。最后,利用精密机械加工技术在Pyrex玻璃圆片上制作空腔和电连接通孔,通过硅-玻璃阳极键合实现谐振梁的圆片级真空封装和电连接,成功地将谐振器封装在真空参考腔中。对传感器的性能测试表明:该真空封装方案简单有效,封装气密性良好;传感器在10kPa~110kPa的差分检测灵敏度约为10.66 Hz/hPa,线性相关系数为0.99999 542。     

微机电系统惯性电学开关的设计与制作

基于非硅表面微加工技术,给出了微机电系统惯性电学开关的一种新式设计,该设计采用两端悬空固定的多孔弹性梁作为固定电极,由连体蛇形弹簧连接悬空的质量块作为可动电极,可动电极位于支撑层和弹性梁之间,该结构在保证微开关具有足够灵敏度的同时,可有效提高两电极间的接触效果和器件的抗冲击保护。使用成本较低的多次叠层电镀镍的方法制作了设计的微型惯性开关,并对其元器件进行了试验测试,结果表明：开关在100g加速度作用下的响应时间和接触时间分别约为0.40ms和12μs,与有限元动力学仿真结果吻合较好,表现出较高的灵敏度和良好接触效果。     

Parallel-kinematics XYZ MEMS part 2: Fabrication and experimental characterization

This paper, the second of a set of two papers addressing parallel-kinematics MEMS stages for spatial translation, deals with fabrication, characterization and control of such devices. Double device layer SOI (silicon-on-insulator) substrates are used, providing three layers (two device layers and the handle) into which the elements of the stage can be mapped. Using the mechanism concept, realization scheme, and kinematic and dynamic models developed in the first paper of this set, this paper provides a detailed approach to fabricating these devices. The stages fabricated have a workspace cube of roughly 20 μm on the side, an in-plane stiffness of 96 N/m, and an out-of-plane stiffness of 166 N/m. Further, it characterizes the performance of the individual actuating and sensing elements, configures feedback controllers for each actuated joint, and assesses and verifies the stage’s designed performance. Finally, it demonstrates full 3-axis, closed-loop positioning of a MEMS stage.     

三极板型RFMEMS压控电容的分析与制作

设计并制作了基于硅基的射频微机械压控电容.该电容采用三对极板的传动结构,当两侧控制极板受到静电力驱动时,位于中部的电容极板将得到更大的位移.能量分析和软件模拟表明,该结构有助于提高压控电容的变化比例.测量表明,该电容品质因数为17@2GHz,并具有较大的电容变化比例(大于50%).该电容工艺简单,实现温度较低(小于350℃),具有与CMOS工艺集成的可行性.