MEMS开关悬臂梁建模及有限元分析

在传统式的以绝缘体上硅即SOI为基底的MEMS接触式开关基础上进行模型的设计及优化。利用SolidWorks三维建模软件建立MEMS开关悬臂梁和质量块的三维模型,以SolidWorksSimulation仿真软件对悬臂梁进行有限元分析,网格的划分、载荷分析、应力分析以及位移分析并进行二次优化设计从而达到最佳方案。最终选择六边形的多孔质量块作为配重,选取扭梁结构作为梁最终结构,使梁在受到相同的惯性力的作用下应力更小、体积更小、灵敏度更高。最终提高MEMS开关的可靠性与灵敏度。     

MEMS加速度开关的冲击失效仿真分析与试验

针对微机电系统(MEMS)器件的低可靠性问题,以MEMS加速度开关为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件,采用"扭梁-悬臂梁-质量块"结构作为MEMS加速度开关主要作用部分,建立了开关的有限元模型。对MEMS加速度开关3个方向上的跌落冲击情况进行了有限元分析;通过仿真计算分析,得到了器件在冲击载荷作用下的最大量级,分析了导致加速度开关不能作用的主要失效模式;利用马歇特锤击实验平台进行了冲击试验,得到了加速度开关冲击失效的极限量级,证明了MEMS加速度开关的主要失效模式为断裂失效。研究结果表明:针对MEMS加速度开关主要失效模式的仿真分析结果可靠,与试验验证结论相符。     

新型硅-铝-硅结构MEMS加工技术及应用

提出了一种新型的硅-铝-硅结构的MEMS器件加工技术.采用了微电子工艺中的铝-硅烧结技术,将具有铝层的两个硅片键合在一起,并采用全干法深刻蚀技术在其中的一层硅片上进行MEMS器件的加工.该技术已成功应用到MEMS光开关及其他MEMS器件的制作中.     

静电式MEMS光开关新器件设计开发流程

在研究MEMS集成系统设计经验的基础上,简要论述了设计流程在MEMS设计中的重要性,提出静电式光开关新器件的开发流程,并以悬臂梁式MEMS光开关为例,进行了理论分析、静电-结构耦合场分析、材料选择、结构参数优化和控制电路设计等方面的研究.所提出的设计开发流程也适用于静电驱动的其他器件的开发,如RF-MEMS器件.     

基于SOI晶圆材料的硅微压传感器

为解决硅微压传感器制作过程中存在的问题,以SOI晶圆材料为基础,使用有限元方法优化设计岛-膜型1kPa压力敏感结构,采用MEMS工艺完成传感器芯片制作,并对封装后的传感器进行了测试。测试结果表明,传感器输出灵敏度大于60 mV/kPa,非线性小于0.1%FS,精度小于0.5%FS,器件具有较好的性能指标。     

基于Weibull分布的MEMS器件冲击可靠性建模

提出一种针对MEMS(micro-electro-mechanical systems)器件机械失效进行可靠性建模与预测的概率方法。首先从材料力学性能的尺寸效应出发,介绍脆性材料断裂强度的不确定性及其Weibull概率分布;然后,针对典型的MEMS表面微加工工艺,推导得出基于牺牲层技术的淀积薄膜结构残余热应力表达式;在此基础上,以一种悬臂式MEMS多晶硅器件在冲击载荷下的断裂失效为研究实例,建立体现其尺度、工艺及载荷特性的可靠性分析模型,并利用相关文献对多晶硅力学性能的测试数据,对该器件的冲击可靠度进行定量计算。结果表明典型多晶硅MEMS结构具有高达103g～104g数量级的抗冲击能力(g为重力加速度)。同时可看出,MEMS可靠性受多种关联因素的综合影响,准确的可靠性建模及设计在很大程度上依赖于大量的微尺度下材料性能或行为的基础性实验数据。     

基于非硅衬底的微机电系统惯性开关的研制

以非硅表面微加工技术为基础,在玻璃衬底上设计和制造一种简单可靠并有反向冲击保护的单向一次触发微机电系统(Micro electro-mechanical system,MEMS)惯性电学开关.该设计采用连体蛇形弹簧将可动电极(质量块)悬空固定,用挡块作为反向冲击保护,其敏感方向为平行于衬底面的水平方向,整个器件使用成本较低而又方便的叠层电镀镍工艺制作.通过对弹簧一质量块系统运动过程的理论分析和有限元仿真,研究器件阈值加速度与其质量块厚度的关系,并用落锤试验对封装器件的阈值加速度以及峰值为100g(g=9.8 m/s2)半正弦冲击下的响应进行了测试,得到该微开关的阈值加速度分布在58g～72g,基本符合预期设计的60g阈值加速度要求,响应时间约为10-4s量级,与有限元仿真结果吻合较好.     

基于几何反弹簧结构的高分辨率MEMS加速度计北大核心CSCD

为了提高MEMS加速度计分辨率和灵敏度,提出并设计了一种基于几何反弹簧原理的新型MEMS加速度计结构。拟采用静电力将加速度计静态工作点设置在梁低刚度位置来提高灵敏度。首先通过理论计算和有限元仿真,分析了几何反弹簧结构实现准零刚度的原理,并优化了关键几何参数;其次基于免划片SOI工艺完成了MEMS芯片制作;最后搭建了开环测试电路进行测试验证。测试结果表明:施加25 V偏置电压后,加速度计灵敏度从46.3 mV/g提高至51.1 mV/g,线性度为0.99%。验证了静电偏置几何反弹簧结构通过降低刚度系数来提高加速度计的灵敏度的可行性。     

基于可靠度仿真的MEMS加速度开关结构优化

基于MEMS加速度开关的结构与作用原理,利用ANSYS对悬臂梁进行有限元分析,获得在冲击载荷作用下悬臂梁的受力情况以及位移的大小; 采用蒙特卡罗方法产生伪随机数,模拟不同样本变量的随机分布情况,以解决试验样本不足的问题,对MEMS加速度开关的可靠度进行了分析计算; 采取改进结构以优化设计,降低开关的潜在危险和失效概率,提升可靠度。     

基于异构宏模型的MEMS系统级建模方法

针对含复杂结构的MEMS器件,提出基于异构宏模型的系统级建模方法,即将基于解析法和基于数值计算的宏建模方法结合起来提取复杂器件的参数化宏模型,在此基础上实现MEMS系统级仿真。以z轴加速度计为例,在Saber中进行其系统级的时域、频域仿真,将仿真结果与有限元分析进行了比较,其仿真时间小于3min,相对误差小于3%,表明该方法能够快速有效地实现复杂结构MEMS器件的系统级仿真。     

MEMS微型柔性力-位移传动机构设计

为了提高微机电系统中微执行器的作用距离,设计了一种全硅结构的微型柔性力-位移传动机构,用于放大微执行器的输出位移。建立了传动机构的简化力学模型和有限元模型,并对机构性能的影响因素进行了分析。用深层反应离子刻蚀工艺在硅隔离衬底上成功制备了电热微执行器-微型柔性传动机构样机,并进行测试。结果表明,柔性力-位移传动机构能够有效地放大微执行器的输出位移,实测放大倍数达到18.9,可以极大地扩展微机电系统微执行器的应用范围。     

表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递分析

表面粘贴式MEMS应变传感器已被广泛运用于航空航天、汽车工业及土木工程等领域的应变测量和监测中。但由于粘接层的影响,结构的应变并不能全部准确、有效地传递到MEMS应变传感器上,造成传感器的测量值与结构的真实应变之间存在一定误差。为了分析表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递机理,基于剪滞理论建立了MEMS应变传感器的力学分析模型,推导出基体和MEMS应变传感器基底上的应变分布、粘接层中的剪力分布及表征MEMS应变传感器应变传递效果的应变传递率,并与有限元数值模拟结果进行了比较。特别地,具体分析了粘接层及MEMS应变传感器基底的几何参数和物理特性参数对应变传递率的影响。结果表明,金属类粘接材料的应变传递率明显高于有机胶的应变传递率,且粘接层厚度越薄,应变传递效果越好。此外,在制造MEMS应变传感器时,采用厚度较薄的Si或Si C基底能保证较高的应变传递率。     

MEMS工艺模拟与有限元软件接口的实现(英文)

微机电系统工艺模拟可在实际加工前预测MEMS器件的实际结构,有利于理解工艺机理,缩短设计周期,减少生产费用.针对目前用于MSMS器件分析的模拟软件尚不能很好地与有限元软件对接的问题,设计了工艺模拟软件与有限元分析软件的接口.通过这个接口,将MEMS工艺模拟所得到的数据经过数据格式的转换导入有限元分析软件(ANSYS)中并建模,使之可以进行诸如机械、热、电等物理参量的分析.在分析了目前关于(曲线)边界轮廓提取的各种方法后,引进了最大圈算法,解决了工艺模拟结果在有限元软件中的模型重构问题,实现了从工艺模拟到有限元分析的无缝对接.提出的接口设计对实现MEMS CAD体系化具有重要的促进作用.     

微电子机械系统中典型构件的力电耦合分析及其应用研究

力电耦合是大多数微电子机械系统（尤其是以静电驱动的微机械）的重要特征。文中采用有限元（FEM）结合边界元（BEM）的方法来混合求解MEMS中的力电耦合问题,利用自行研制的程序给出了几种典型构件（平行板、悬臂梁和固支梁）的分析结果,并同其他商业软件（ANSYS和Intelisuite）的计算结果进行了比较。同时,还将这种分析方法应用到微继电器的设计和MEMS构件残余应力的检测中。     

强冲击条件下MEMS封装可靠性有限元分析

在强冲击载荷(104g或更高,g为重力加速度)作用下,弹载微电子机械系统(Micro electro-mechanical system,MEMS)(如陀螺仪或加速度计)及电子器件的封装和互连结构失效是影响整弹可靠性及其任务成功性的重要因素.利用有限元建模和动态响应仿真分析方法对强冲击条件下板级微电子机械系统封装结构的可靠性问题及其影响因素进行研究.有限元动态响应分析方法针对MEMS陀螺仪的典型封装结构——无引脚芯片载体进行.分析过程中焊点材料选取更接近工程实际的双线性随动硬化材料模型,详细分析相关敏感因素对焊点互连结构可靠性的影响,并给出提高封装结构可靠性的工程设计建议.     

环形波动陀螺结构设计与仿真

基于 MEMS 技术,提出了一种环形波动陀螺结构并建立了谐振子的有限元模型。利用 ANSYS软件对谐振子进行了模态分析,确定了各阶振型和固有频率。通过分析谐振子结构参数对振型和频率的影响,得到了谐振子的优化设计参数,优化后其工作频率与其他振型频率的差大于1 kHz,有效避免工作模态与其他模态间的频率耦合。经仿真验证,设计的环形结构的性能参数满足要求,具有明显的优越性。     

An automated CAE system for multidisciplinary structural design: its application to micro accelerometer

This paper describes a new computer-aided engineering system for multidisciplinary structural design. An automatic finite element mesh generation technique, based on fuzzy knowledge processing and computational geometry, is incorporated into the system, together with one of the commercial finite element analysis codes. A bubble is generated if its distance from existing bubble points is similar to the bubble-spacing function at the point. The bubble-spacing function is well controlled by fuzzy knowledge processing. The Delaunay method is employed as a basic tool for element generation. Automatic finite element generation for three-dimensional MEMS holds great benefits for analyses. An optimum design solution or satisfactory solutions will be automatically searched using the genetic algorithms modified for real search space, together with the automated finite element analysis system. A novel CAE system was developed, and successfully applied to the shape design of a micro accelerometer based on a tunneling current concept.     

Design, fabrication and experiment of a MEMS piezoresistive high-g accelerometer

High-g accelerometers are widely used in explosion and shock measurement. This paper describes a MEMS piezoresistive high-g accelerometer whose range is more than 50000g. It is designed on the basis of silicon on insulator (SOI) solid piezoresistive chip. The chip has a structure where both ends of the beam are fixed. Through the stress analysis and mode analysis of the accelerometer, the detailed parameters of the structure are established. The experimental results obtained from the drop hammer shock machine test and live-fire test show good properties of the accelerometer such as good output characteristic, repeatability and fast response speed. Therefore, the accelerometer in this paper meets the requirement of explosion and shock measurement basically.     

基于信噪比的MEMS压力传感器设计与分析

为了研制高精度MEMS压阻式压力传感器,基于信噪比对其压敏结构进行了设计与分析.首先运用ANSYS有限元模拟仿真获得了不同压敏电阻结构芯片的应力分布,并对其噪声和信噪比进行了理论分析,发现在低频区闪烁噪声是传感器噪声的主要来源.仿真结果表明,芯片结构对其噪声、输出信号和信噪比均存在影响,增加压敏电阻折叠条数通常有助于获...     

灌封对高量程微机械加速度计封装的影响

灌封是高量程微机械加速度计实用化的一个关键步骤。文中根据自制的一种压阻式高量程micro-electro-mechanical system(MEMS)加速度计芯片及一种实用的封装结构，对其有限元模型进行模态分析和高g值加速度载荷下的响应分析。封装结构的模态频率随着灌封胶弹性模量的增大而增大。但弹性模量过小时，模态频率反而比未灌封时低，可能会干扰输出信号。对器件加载10万g加速度表明，器件的模拟输出电压值随着灌封胶弹性模量或密度的增加而缓慢减小。模拟输出电压值与解析解很接近。封装之后传感器的模拟输出电压与加速度载荷具有良好的线性关系。