层合薄膜电容式微加工超声换能器(CMUTs)谐振频率分析

电容式微加工超声换能器（Capacitive micromachined ultrasonic transducers,CMUTs）在3D超声成像、水下超声等领域具有重要应用价值。谐振频率决定着超声成像的分辨率,是CMUTs结构设计的重要参数之一。针对具有多层圆形薄膜的CMUTs结构,提出其薄膜结构和材料参数以及有效电极距离的等效方法,建立在直流偏置电压和交流电压共同作用下多层圆形薄膜的振动方程,并分别采用伽辽金法和能量等效法进行求解,获得多层薄膜CMUTs在偏置电压作用下的两类谐振频率解析式。基于有限元模型,利用数值解来验证谐振频率解析式的正确性,并开展参数化研究。结果显示,基于能量等效法的谐振频率解析式比基于伽辽金法的谐振频率解析式具有更高分析精度,适用于薄膜直径/厚度比在20~100范围内、空腔高度/薄膜厚度比不大于1的多层薄膜CMUTs的谐振频率分析;在从0 V到接近于塌陷电压的几乎整个偏置电压变化内,解析解与有限元仿真结果的相对误差小于5%。此外,利用所加工的具有三层薄膜的CMUTs芯片对谐振频率解析式进行试验验证,结果显示在不同偏置电压下谐振频率的试验测试值与理论分析值基本一致。因此,所提谐振频率的理论分析方法可广泛应用于多层薄膜CMUTs结构的设计与优化。     

热超声键合PZT阻抗和功率动态特性研究

鉴于热超声芯片封装工艺的键合点空间高度局部化和时间瞬态性等特点，通过分析系统前端PZT阻抗和功率的动态变化规律，研究了芯片金球凸点与基板的键合过程及键合质量。结果表明：对于恒压源的键合系统，PZT换能器电流、阻抗及功率信号可表征键合过程的动态变化，且可将金球凸点与基板键合过程分为初始、平稳、结束三个阶段；键合环境的变化反映在PZT阻抗和功率变化之中，且PZT阻抗和功率与键合强度存在直接关系。试验及分析表明，PZT换能器阻抗和功率变化反映了金球凸点与基板键合过程及键合质量的差别，可用以分析整个键合系统。     

热超声键合换能系统阻抗/导纳模型

采用等效电路方法建立换能系统的阻抗/导纳集总参数模型,包含各子部分的材料特性、尺寸、系统损耗因子、谐振频率、激励电信号以及不同负载下系统阻抗和导纳等动力学特性。以无键合工具与有键合工具两种不同负载为例计算得到,在100 kHz范围内系统包含4阶轴向谐振频率;相比于无键合工具条件,有键合工具负载条件下的各阶谐振频率增大,其电阻值增大,电导值降低。阻抗分析仪试验与有限元分析结果均验证系统阻抗/导纳模型的正确性。     

基于误差灵敏度的静电刚度式谐振微加速度计频率鲁棒性设计

运用误差灵敏度分析理论对静电刚度式谐振微加速度计在工艺误差下的初始谐振频率进行鲁棒性设计,通过解析法建立频率鲁棒条件下的机电耦合参数关系,指出合理的机械结构尺寸关系与合理的静电场电压调节都可以提高加速度计的频率鲁棒性,从而大大地降低结构设计难度与工艺加工要求;根据静电刚度式谐振微加速度计的刚度耦合特性及微加工工艺的不成熟性,频率的鲁棒性是通过驱动电路电压调节来实现的,从而说明了在微电子机械系统中,由工艺误差所引起的器件性能波动可以通过适当的电路调节进行补偿;运用硅微键合工艺与深反应离子刻蚀技术加工出加速度计的谐振器结构,将结构尺寸代入参数关系式中,得出保证频率鲁棒性的外加检测电压为1.37V。     

电容式微机械超声传感器的工艺综述

电容式微机械超声传感器(CMUT)自出现以来,因其频谱宽、分辨率高、声阻抗匹配好等优势,在超声成像领域大有取代传统压电式传感器的趋势。围绕CMUT最主要的两种制造工艺方法,重点简述了表面微加工技术和晶圆键合技术的基本方法、工艺材料、薄膜形成等相关概念,并介绍了基于这两种方法加工制造CMUT的基本流程。从表面微加工方法中薄膜的沉积材料和结构以及晶圆键合方法中键合方式和键合温度等方面进行论述,总结介绍了CMUT加工工艺的研究现状。在此基础上对CMUT加工工艺的未来进行展望,提出应从工艺温度、薄膜材料、晶圆粗糙度和粘滞现象等4个主要方面进行重点研究,从而使CMUT早日实现推广应用。     

PC微流控芯片黏接筋与溶剂的协同辅助键合

为了在微流控芯片上形成封闭的微通道等功能单元,克服热压键合中微流控结构的塌陷和热压所致芯片微翘曲对后续键合的影响,提出了一种适用于硬质聚合物微流控芯片的黏接筋与溶剂协同辅助的键合方法。以聚碳酸酯(PC)微流控芯片为研究对象,通过热压法在PC微流控芯片上的微通道两侧制作凸起的黏接筋,通过化学溶剂丙酮微溶PC圆片的表面,然后将PC圆片与带有黏接筋的PC微流控芯片贴合、加压、加热,从而实现微流控芯片的键合。分析了键合机理,并对键合工艺参数进行了优化。实验结果表明:键合质量受丙酮溶剂溶解PC圆片的时间和键合温度的影响,能够保证键合质量的最佳键合温度为80~90°,溶解时间为35~45s,芯片的键合总耗时为3min。与已有键合工艺相比,所提出的黏接筋与溶剂辅助键合工艺有效提高了键合效率。该键合方法不仅适用于具有不同宽度尺寸微通道的微流控芯片,还可扩展用于不同材料的硬质聚合物微流控芯片。     

金硅共晶键合在微机械Golay-cell红外探测器中的应用

利用硅微机械加工技术制备微机械Golay-cell红外探测器硅可动敏感薄膜,探测器气室由带薄膜结构硅片与带孔结构硅片键合密闭形成,气室中敏感气体吸收红外辐射而膨胀,使硅膜产生形变,借助硅膜电极板与金属电极板形成的平行板电容反映该形变变化量.运用Si/Ti/Au/Au/Ti/Si实现对探测器的金/硅共晶键合封装,形成气室,制备出探测器样品并初步得到响应.该键合方法能够进行选择区域键合,实验证明键合强度达到体硅强度.     

面向即时检测芯片超声波精密键合的熔接结构及工艺参数

针对芯片即时检测(POCT)芯片对键合精度、键合强度、生产效率和生物兼容性的要求,基于超声波键合技术设计了结构化的导能筋布置形式和阻熔导能接头结构。研究了超声波键合时间和键合压力对微通道高度保持性能的影响,确定了精密超声波键合工艺参数。利用高精度显微镜、拉伸试验机和羊全血分别对键合后芯片的微通道高度、键合强度、微通道密闭性以及液体自驱动性能进行了测试。结果表明:所设计的导能筋布置形式合理可靠;利于芯片各功能的集成,阻熔导能接头结构能够较精确地控制键合后微通道的高度,键合精度达到2μm;全血驱动时间的极差在20s以内;所确定的键合工艺参数能够实现高强度的键合,键合强度不小于2.5 MPa。该熔接结构及工艺参数具有键合精度高、键合强度高、生物兼容性好和熔接均匀等优点,可应用于医用POCT芯片产品中。     

辅助溶剂对PMMA微流控芯片模内键合的影响

为了提高聚合物微流控芯片的键合效率,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片为对象,以微型注塑机为平台,研究了聚合物模内键合方法.利用注塑机提供的合模力作为键合力,利用模温机提供键合温度,选择异丙醇作为辅助溶剂,借助溶剂溶解特性来降低模内键合中的键合温度和压力.在30～70℃,用测量显微镜和台阶仪测试分析了不同键合温度条件下,辅助溶剂对芯片的表面形貌和微通道结构的影响;利用辅助溶剂进行模内键合实验,用电子万能实验机测试了芯片的键合强度,对模内键合工艺参数进行了优化.结果表明:异丙醇对键合质量的影响与键合温度、键合时间有关,在较高温度下会使芯片产生皲裂、微沟槽变形和堵塞;在键合温度为35℃,键合时间为5 min时,芯片的表面质量和微沟槽形貌较完整,键合强度不小于2.64 MPa.     

基于并联谐振匹配的超声电机阻抗特性

针对目前对超声电机及其驱动系统的阻抗特性测试均局限于单定子和低电压的现状,提出了超声电机及驱动器组成的并联等效电路整体模型,通过电学仿真得到机电系统的阻抗特性。通过傅里叶分解的方法对电机驱动电压和驱动电流信号进行处理,得到超声电机实际工作中的阻抗特性。通过仿真分析和实验可知:机电系统随着驱动频率的降低,阻抗呈单调增大的趋势,同时电机负载扭矩(小于额定扭矩)越大,系统阻抗越小;机电系统谐振匹配频率越小,系统阻抗越小,同时谐振匹配点越靠近电机共振频率,系统阻抗模随着驱动频率的减小,增大得越快。最后,通过机电系统阻抗特性提出超声电机实际工作的理想频率和驱动器的谐振匹配频率均应略大于电机共振频率的频率点。     

两自由度碰撞结构的压电MEMS能量采集器的设计与性能测试

为克服传统压电能量采集器工作频带窄、输出性能低等问题,提出了一种两自由度碰撞式压电能量采集器结构,建立了其理论分析模型,并利用键合与减薄技术制备了以磷青铜为基底的高性能压电厚膜,在此基础上通过MEMS工艺完成器件样机的制造。性能测试表明:在不进入碰撞机制时,最高测试加速度为5g,两自由度器件一阶、二阶谐振频率分别为26.4 Hz和55.2 Hz,主梁和副梁在一阶谐振、二阶谐振频率点的输出电压分别达到20.3 V/17.0 V、18.2 V/16.5 V。在引入碰撞机制后,在设定的4g加速度下,器件的有效输出频率为26 Hz～31 Hz和55 Hz～58 Hz两个频率范围段,有效频宽拓宽至15.6 Hz。     

压力约束模式下热超声倒装键合的试验

在采用压力约束模式夹持倒装芯片的条件下，实现了热超声倒装键合。通过观测键合过程中的输入超声功率、工具末端和芯片的振幅变化情况，研究了压力约束模式下不同键合参数对键合过程和键合强度的影响规律。试验结果表明：在这种约束模式下，键合力和功率对键合强度具有重要的影响；键合力对金凸点的变形是决定性的；键合强度与输入的超声能量总量有关，过小和过大的超声能量都不能形成好的键合强度，高强度的键合并不需要大的超声功率输入，键合过程中能量主要耗散于工具／芯片间相对运动导致的摩擦做功，并造成了芯片和工具的磨损。     

芯片级原子器件MEMS碱金属蒸气腔室制作

提出了基于两步低温阳极键合工艺的碱金属蒸气腔室制作方法,用于实现原子钟、原子磁力计及原子陀螺仪等器件的芯片级集成.由微机电系统(MEMS)体硅工艺制备了腔室结构.首先采用标准工艺将刻蚀有腔室的硅圆片与Pyrex玻璃阳极键合成预成型腔室,然后引入氮缓冲气体和由惰性石蜡包覆的微量碱金属铷或铯.通过两步阳极键合来密封腔室,键合温度低于石蜡燃点198℃.第一步键合预封装腔室,键合电压小于缓冲气体的击穿电压.第二步键合在大气氛围中进行,电压增至1 200 V来增强封装质量.通过高功率激光器局部加热释放碱金属,同时在腔壁上形成均匀的石蜡镀层以延长极化原子寿命.本文实现了160℃的低温阳极键合封装,键合率达到95％以上.封装的碱金属铷释放后仍具有金属光泽,实现的最小双腔室体积为6.5 mm×4.5 mm×2 mm.铷的吸收光谱表明铷有效地封装在腔室中,证明两步低温阳极键合工艺制作碱金属蒸气腔室是可行的.     

空气耦合式电容微超声换能器的设计与分析

传统的电容式微超声换能器(CMUT)采用密闭腔体,振膜两侧存在压力差不易起振,需要施加较大的偏置电压;同时狭小腔体对振膜振动产生阻碍,降低了机电耦合效率。针对这一问题,设计了带孔的振膜结构,消除了腔体密闭带来的不利影响;研究了振膜腐蚀孔的大小、位置对CMUT频率特性的影响;设计了基于表面硅牺牲层工艺的工艺流程,加工了64阵元CMUT阵列;对CMUT阵列中单个阵元进行了阻抗校准,测试了振膜的谐振特性,并进行了阵列中的阵元一致性扫查。实验结果表明:非密闭腔体带孔方膜CMUT满足设计需求,且各阵元之间一致性良好。     

陶瓷谐振器多参数扫频测试法研究与实现

采用扫频法测量陶瓷谐振器串联谐振频率、并联谐振频率、谐振阻抗、等效电容、等效电感等参数,推导出各种等效参数的计算方法,并据此构成了实际测试系统.测试系统主要由扫频信号发生器、放大器、分压电路、检波电路、A/D转换器等几部分组成.扫频信号由LA1200任意波形发生卡产生.系统中不仅可以给出陶瓷片的多种参数,而且可以直观地观察到其频率特性曲线.将该测试方法应用到陶瓷谐振器自动化分拣装置上,实验结果表明,可以分拣45片/min以上.     

超声振动辅助磨削电源谐振频率自动识别研究

针对传统超声电源不能自动识别因更换刀具而导致的超声刀柄谐振频率变化的问题,利用最大电流法与相位控制法相结合的频率检测方法实现了超声电源频率自动识别功能.对制作的样机进行了频率自动识别稳定性和精确性测试,结果表明:超声电源测得的超声刀柄谐振频率与阻抗分析仪测得的超声刀柄谐振频率差值变化<221 Hz,误差<1％;手动模式...     

热超声倒装键合振动传递与键合强度形成研究

采用多普勒激光振动测量系统，获得了热超声倒装键合过程中工具末端及芯片的振动速度曲线。通过比较分析两条曲线，揭示了热超声倒装键合强度的生成过程：在键合初始阶段，键合界面的相对运动主要发生在芯片金凸点与基板焊盘表面之间，并使其接触表面氧化层和污染层被破坏，裸露出新鲜原子，为金凸点与焊盘间的原子扩散并最终形成键合强度提供条件；随着键合的进行，芯片振动速度开始下降，而工具末端振动速度继续增大（即出现速度分离现象），工具末端和芯片间产生明显相对运动，表明键合强度已产生，芯片金凸点／基板焊盘间的结合力超过工具末端／芯片间的摩擦力；速度分离后芯片与工具末端的振动速度和位移曲线表明了超声振动能量部分耗散在芯片／工具的摩擦上。     

热超声倒装键合界面的运动传递过程

采用改进的激光多普勒振动测量系统,获得小直径激光斑,解决了大量数据采集和分析、同步触发等技术问题,实时精密测量热超声倒装键合过程中工具和芯片的运动.通过分析运动曲线,发现"速度分离"是表征键合过程状态改变的重要临界现象;发现在"速度分离"前工具/芯片粘着在一起运动,之后它们间是"粘滑"交替的过程;在"速度分离"后的运动过程中,工具能量一部分通过芯片传递到键合界面,形成键合强度;另一部分消耗在芯片/工具间的摩擦上,磨损芯片和工具,损害键合界面结构和强度.根据研究结果提出了新的超声加载过程思路,以期减小磨损,提高键合强度.     

适用于宽电压恒流输出的半桥LLC谐振变换器研究

半桥LLC谐振变换器以其结构简单、效率高等特点在开关电源领域得到了广泛运用.针对宽电压恒流输出的应用需求,分析并比较了半桥LLC谐振变换器的3种工作方式特点,选用了开关频率大于谐振频率的工作状态,控制方式采用了固定死区的互补调频方式,利用了变压器的励磁电感和外置谐振电感与谐振电容发生谐振,此时原边MOSFET实现ZVS,输出整流管为连续模式,适合用于恒流输出场合,次级整流部分采用全波整流方式,选用了智能同步整流驱动芯片的同步整流技术,降低了低压大电流输出场合下副边整流管的导通损耗,进一步提高了变换器效率.结合LLC控制芯片L6599和同步整流芯片TEA1795AT,设计了一款240 W\36 V输出的半桥LLC谐振变换器原理样机,最高效率达到93.4％,仿真和实验验证了设计方案的正确性.     

基于超声振动的阳极键合试验台设计

基于超声振动理论,针对当前阳极键合面临的键合温度较高、易产生残余应力对器件结构造成破坏等问题,在分析超声在机械加工中的应用后,创造性地将超声振动应用到MEMS封装中的阳极键合工艺中来,设计了一种键合强度高、试验温度低、结构简单、工作可靠的超声振动阳极键合试验台,为研制超声振动阳极键合机奠定了坚实基础,对于缩短阳极键合时间、降低阳极键合所需温度、提高MEMS器件的键合性能、满足实际生产需要具有重要意义。