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。     

微机械角振动谐振器在低气压下的非线性振动

本文研究气压对微机械角振动谐振器振动特性的影响。基于谐振器的梁的弹性力矩和角位移之间的3次多项式关系,建立了谐振器非线性振动方程。给出了谐振器自然频率与振幅的关系和频率响应特性与振幅关系的理论解。测试了在大气压、1100Pa和130Pa下谐振器的频率响应曲线。通过对大气压下振动频率特性的分析,得到了非线性振动方程的基本参数,将这些参数和低气压小振幅下的品质因数代入频率特性的理论解,推算出的低气压大振幅下的频率特性与实测曲线符合。随着气压的降低,谐振器振动频率响应的非线性程度增大。     

基于气体润滑技术的MEMS透平研究进展

高能密度和微型化已经成为动力设备发展的必然趋势,然而,润滑技术的发展直接制约着高速透平的极限转速。微机电系统(MEMS)中的高速透平内轴承与转子间最小间隙为微米量级甚至更小,必然会给装置的设计和制造带来一些新问题。文中简要介绍了基于气体润滑技术的MEMS透平国内外发展状况,并对相关领域的研究进展进行了展望。     

微机电系统(MEMS)磨损的分形分析

基于M-B分形磨损模型,建立微机电系统(MEMS)表面磨损率与分形维数之间的关系,对MEMS表面的磨损规律与表面特性进行相关分析.结果表明,分形维数对MEMS表面磨损率的影响具有一定的规律性,当分形维数在某一范围时,磨损率随着分形维数的减小而迅速增大;当分形维数为1.5时,磨损率达到最小值.当分形维数一定时,磨损率随着尺度系数、磨损概率常数的增大而增加,随着MEMS材料性能参数的增大而减小.当其它影响参数保持一定时,磨损率随着MEMS表面接触面积的增大而增加.     

非接触式表面电势测量的MEMS微型静电压仪

针对工业中的表面电势测量应用,研制了一种新型的基于微机械加工技术(MEMS技术)的微型静电压仪.为了提高器件的信噪比和灵敏度,传感器敏感结构基于谐振式工作原理,并采用差分激励和差分敏感的结构设计.基于高速数字芯片和数字信号处理技术,研制了传感器的数字化检测系统原理样机.该传感器可实现非接触式表面电势测量,在距离目标表面20 mm位置,该传感器最小分辨电压优于10 V,精度优于10%.文中还进行了摩擦泡沫表面电势的测量,试验结果表明:该传感器可反映表面电势的变化和电荷衰减.     

MEMS节点化建模及其在集成微系统设计中的应用

为实现MEMS产品的快速设计和性能验证,在借鉴其结构化设计思想即节点分析法的基础上,提出了一种与常规信号流类比不同,适于集成微机电系统快速仿真的等效电路建模思路和方法。首先,对系统及MEMS器件进行功能及结构分解;然后,分别对各基本单元进行节点化建模,并在一定的机电类比规则下将其转换为等效电网络(元件);最后,根据节点变量约束关系,将这些等效网络(元件)逐层重构为器件级和系统级等效电路。结合一类典型MEMS集成系统——梳齿式静电反馈微加速度计的分析实例,对上述方法进行了具体介绍和验证。利用OrCAD等电路仿真器分析、测试了所建立的体现多能域耦合关系的微系统数字化分析原型,结果显示,相对于VHDL-AMS描述法,该模型具有单一域内的更加直观的模型形式和快捷的仿真速度,表明本文提出的方法在复杂MEMS集成系统的分析设计中具有一定的应用价值。     

MEMS加速度传感器的数据采集和预处理

设计了一种基于微机电系统(MEMS)加速度传感器的数据采集单元,用微处理器通过内部集成电路(I2C)总线采集加速度传感器ADXL345的数据,对数据进行低通滤波、零偏误差修正以及去除重力加速度等,从而得到载体的运动加速度,并对加速度进行二次积分得到位移,在100 m范围内实测多次,仿真计算位移误差在2%以内。     

MEMS宽带电化学地震检波器

针对深部油气勘探的需要,研制了基于微机电系统(MEMS)的宽带电化学地震检波器。仿真分析了影响该检波器频带的结构参数,并对其MEMS实现及封装方法进行了研究。利用有限元软件分析绝缘层厚度和阴极孔径对检波器幅频特性的影响,得到了优化的几何参数。基于仿真结果,利用MENS工艺加工硅基的Pt电极和Su-8的绝缘层,然后用物理紧固的方法进行器件封装。最后,分别在水平振动台和基岩上进行了检波器的性能测试和微震监测实验。实验结果表明:无需进行频率补偿,由20μm孔径阴极和200μm厚绝缘层封装的器件的频带可扩展到3~90 Hz,低频扩展到60S的补偿额度小于30dB,检波器的动态范围不小于130dB。实验显示:这种改进的检波器可以作为宽带地震检波器用于深部或海底的油气勘探。     

基于节点分析法的复杂MEMS系统级仿真研究

系统级仿真在MEMS产品的设计开发过程中具有重要作用。本文在概要介绍两种统一环境下MEMS系统级仿真建模方法,即模拟/混合信号硬件描述语言（VHDL-AMS、Verilog-A等）表述法和等效电路法的基础上,借鉴MEMS结构化设计即节点分析的思想,提出了一种有别于常规信号流类比方法,适于复杂MEMS系统快速仿真的等效电路建模思路与方法,并结合一类典型MEMS集成系统——梳齿式静电反馈微加速度计的分析实例,对其进行了具体介绍和验证。最后,对VHDL-AMS语言描述法与本文所提出的等效电路法各自的应用原理、特点等进行了比较和总结。     

基于MEMS微加速度计的无视觉传感器防摇控制系统研究

通过建立起重机吊重摆动的数学模型,明确吊重摆角与小车运行加减速之间的关系,并将MEMS微加速度计应用到起重机的防摇控制中,建立闭环控制系统,适时根据吊重摆角大小修正小车速度指令,实现防摇控制。实验证明,这种方法简单、经济,不需要安装视觉传感器测量吊重摆角,可以有效地消除载荷的摇动。     

MEMS器件与电路共同仿真原型系统

为了预测MEMS器件与电路组成的完整MEMS系统的行为,建立了一个支持MEMS器件与电路共同仿真的原型系统。首先,根据MEMS系统级仿真与模拟电路仿真的共同特性,提出了MEMS器件与电路共同仿真的原理和方法,并依托国产电路仿真平台Zeni VLG建立了共同仿真原型系统的框架结构;然后,分别根据修正节点分析方法和模拟电路行为级建模方法开发了该共同仿真原型系统所必需的两个参数化模型库。通过一个跷跷板式微加速度计分别与其开环电路和闭环带载波电路的共同仿真对原型系统和模型库进行了测试,与国外商业软件Saber对比,开环仿真结果相对误差为2.1%,表明提出的原型系统能够有效进行MEMS器件与电路共同仿真,并且具有较高的精度。     

平面电极型MEMS电化学地震传感器

针对传统电化学地震传感器的加工工艺成本高、一致性差等问题,设计了一种新的平面电极型微机电系统(MEMS)电化学地震传感器结构。建立了平面电极型MEMS电化学地震传感器的计算模型,通过Comsol多场耦合数值模拟分析方法,对影响传感器的结构参数如:电极宽度、电极间距、流道高度等进行了计算和优化。采用MEMS表面工艺和准LIGA工艺,制备了平面电极型MEMS电化学地震传感器。最后,与采用传统方法精密加工的MET2003器件进行了频率响应和微震动的对比测试。实验结果表明:与MET2003器件相比,平面电极型MEMS电化学地震传感器的带宽从1Hz扩展到了30Hz,两种器件的采集结果具有很好的相关性和一致性,相关系数为0.887,在1Hz处的噪声低于120dB。     

MEMS硅半球陀螺球面电极成形工艺

由于球面电极是曲面结构,电极各处的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀深度不一致,在加工过程中常发生球面电极还未刻蚀到位而谐振器已被破坏的现象,故本文提出了新的球面电极成形工艺。基于ICP刻蚀固有的lag效应,采用刻蚀窗口宽度由60μm渐变至10μm的V形刻蚀掩模调制电极各处的刻蚀速度,在电极各处获得了基本一致的归一化刻蚀速度(2.3μm/min)。利用台阶结构拟合球面电极的3D曲面结构,并保证通刻阶段的硅厚度基本一致为150μm来消除球面电极加工时最薄处已经刻穿阻挡层并破坏谐振器而最厚处还没有刻蚀到位的现象。结合台阶状的二氧化硅掩模对球面电极各点处的硅ICP刻蚀当量进行了调整,使其基本相等,通过一次ICP刻蚀即完成了对硅球面电极的加工。利用提出的方法成功制备出了具有功能性输出的微机电系统(MEMS)半球陀螺的硅球面电极,其最大半径可达500μm。     

频率合成技术发展概述

随着电工电子技术的不断发展，人们对频率源的要求越来越高，频率合成技术也跟着不断发展，本文介绍了自频率合成技术理论形成以来的三代发展过程。     

低温环境下MEMS微构件的动态特性及测试系统

研究了微机电系统(MEMS)微构件的谐振频率等动态特性在低温环境下的变化规律,从理论上分析了改变环境温度对微悬臂梁谐振频率的影响,并对低温环境下微构件的动态特性测试技术进行了研究。研制了低温环境下MEMS动态特性测试系统,采用半导体冷阱实现低温环境,利用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源,通过底座的冲击激励,使微悬臂梁处于自由衰减振动状态,使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测,从而获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的测试系统,在-50℃～室温的环境下对单晶硅微悬臂的谐振频率进行了测试,结果表明,随着温度的降低,微悬臂梁的谐振频率略有增大,其谐振频率的温度变化率约为-0.263 Hz/K,与理论分析的结果基本一致。该测试装置能够有效地完成在-50℃～室温环境下微构件的动态特性测试。     

高精度石英全息透镜的MEMS工艺制作

通过微电子机械技术(MEMS)在抛光的熔融石英基材表面制作了平面精度达到0.4μm的超大单片面积的全息透镜。采用了分辨率达到0.2μm的步进投影式拼接光刻,适合石英基材的专用等离子耦合刻蚀(ICP)干法刻蚀技术,特殊的物理清洗方法,以及相关的多项辅助工艺。透镜理想面形横截面曲线为分段抛物线,每一片由23个柱状结构单元周期横向排列构成,采用等深度不等宽度的4台阶结构拟合,单元宽度约为2.966mm。在4in(10.16cm)圆片上,获得了单片尺寸为68mm×68mm的方形透镜。采用接触式台阶仪,扫描电子显微镜(SEM),高倍光学显微镜等方法进行不同阶段检测。结果显示:台阶平面精度为0.4μm,垂直精度为30nm,有非常好的立墙陡直度和刻蚀均匀性。此工艺方案可实现小规模批量生产,成本适中,可以直接用于制作6in(15.24cm)以上同等级要求的石英透镜,经适当改进也可用于蓝宝石等基底材料的制作。     

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。     

复杂微机电系统多学科设计方法研究

针对复杂微机电系统设计涉及多个学科领域的特点,提出了应用多学科设计优化方法来设计复杂微机电工程产品,归纳分析了复杂微机电系统在设计过程中可能涉及的学科,探讨了多学科设计方法在复杂微机电系统设计中的应用。     

Application of He’s variational iteration method to the estimation of diaphragm deflection in MEMS capacitive microphone

In this paper, He’s variational iteration method (VIM) is used to analyze the deflection of poly silicon diaphragm of Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) capacitive microphone. The residual stresses in the material used to make the diaphragm change the vibrational characteristics of the microphone diaphragm and consequently influence the microphone’s first resonant frequency, cutoff frequency and sensitivity. The most successful devices use poly silicon as a diaphragm material, because of its residual stress is controllable by high-temperature annealing after ion implantation by boron or phosphorous. External acoustic force causes to deflect the diaphragm of the structure and VIM is a powerful analytical method to predict the structural behavior and the microphone performance. Comparison of this new method with the previous approximate solution [1], is applied to assure us about the accuracy of solution.