多晶硅微电子机械构件材料强度尺寸效应研究

为了解构件尺寸的微型化给材料的强度带来的影响 ,利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲试验法来测量多晶硅微构件弯曲强度 ,利用电磁驱动微拉伸装置测试了抗拉强度。试验研究表明 ,多晶硅微构件的弯曲强度和抗拉强度表现出随构件尺寸的减小而增加的尺寸效应。统计分析表明 ,多晶硅微构件的平均弯曲强度为 ( 2 .885± 0 .40 8)GPa ,其平均抗拉强度为 ( 1.36± 0 .14 )GPa。研究结果为微机械构件的可靠性设计提供依据     

CMOS微机械加工温度传感器所用多晶硅层的特性研究

为了用ＣＭＯＳ工艺与微电子机械加工系统机容技术研制一种温度传感器。对其所用的５种多晶硅层的电阻温度关系及其可重复性进行了实验研究。测得材料的基准温度电阻，电阻温度系数及能够确定传感器工作范围的临界温度。找到适于作传感器的两种多晶硅层。     

微型材料的拉伸测试方法研究

微电子机械系统技术的迅速崛起,推动了微型材料拉伸测试方法的发展。文中列举几种典型的微型材料拉伸实验方法,具体说明其驱动方式、力和位移测试原理,并介绍实验中的难点,如试样加工、夹持和对中等方法。并进一步分析能满足未来发展需求的拉伸测试原理。     

单晶硅微构件力学特性片上测试系统

设计一种集成静电梳状驱动器和测试结构，专用于单晶硅微构件断裂、疲劳性能测试的片上测试系统。详细介绍测试系统的结构和工作原理。对静电梳状驱动器的驱动电压一驱动力关系、结构刚度以及谐振频率进行计算。利用MEMS（micro-electro-mechanical system）体硅工艺制造该测试系统，加工得到的测试系统在显微镜工作台上进行静态和动态弯曲实验，并将实验结果与ANSYS分析结果进行对比。结果表明，该测试系统性能稳定，能够实现对单晶硅微构件的弯曲断裂和疲劳测试。     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。     

微尺度流动特性

通过微推进器小型化的具体问题说明微型化不是简单的尺寸缩小。微尺度流动所基于的物理因素与宏观流动不同,体现在流动涉及的表面积与体积之比增强、梯度参数效应及界面力效应等。物理因素作用的改变或新的因素参与,使微尺度流动呈现新的特点,这为设计芯片和传感器中的流动提供了新的思路,正如文中介绍的增强层流混合方法。微尺度效应在流体力学理论方面也会有所体现,包括对基本方程、边界条件的修正。然而对流动现象的深入认识则是理论发展的关键。文中简单介绍了作者的研究组在微尺度液体流动实验方面的研究结果。     

多晶硅微机械构件损伤的表面效应

利用电磁力驱动微拉伸装置，考察多晶硅微构件表面粗糙度和施加表面分子自组装膜(octadecyltrichlorosilane，简称OTS)对抗拉强度及断裂损伤的影响。结果表明，微构件的抗拉强度表现出依赖表面性质的表面效应。抗拉强度随表面粗糙度的增加而降低，并受环境气氛的影响。当构件表面施加表面分子自组装膜后，在以上两因素的作用下．多晶硅微构件的抗拉强度提高了32．46％。研究结果可用于微机械构件的材料表面改性设计。     

微电子机械系统的力学特性与尺度效应

针对微电子机械系统（MEMS）材料的力学特性,工艺过程对力学特性的影响以及微执行器、微机器人的尺度效应等力学问题进行了研究。从力学角度提出了硅和常用的薄膜材料作为MEMS结构材料时应遵循的设计和加工原则,并系统地分析、归纳了静电、电磁、压电、形状记忆合金等各种微执行器的尺度效应特征。通过对机器蚂蚁、微型飞机、微型机器鱼等微机器人在微尺度下的动力学特性分析,得到微机器人在尺寸越小时越容易被驱动的结论,为设计和制作微机器人等复杂微系统提供了理论依据。     

多晶硅薄膜离面疲劳特性研究

多晶硅薄膜材料为微电子机械系统(MEMS)器件最重要的材料之一,对其疲劳特性的研究是现阶段失效分析研究的热点和重点.利用表面加工的多晶硅矩形微悬臂梁结构对该问题展开实验研究.通过干法刻蚀在微悬臂梁根部制作纵向应力集中区,利用静电激励激励微悬臂梁进行离面振动,谐振频率检振方法跟踪微悬臂梁机械性能的变化.结果证明在1010～1011次循环振动载荷作用后,微悬臂梁结构刚度下降,谐振频率减小,频率最大绝对偏移量达到1.544 kHz,相对偏移量达到结构本征频率的1.3%.这些结果首次验证了MEMS结构在离面振动方向上也存在显著疲劳现象.和已有文献相比,实验中结构所受应力幅度较其小2个数量级(约1～10 MPa量级),而频率偏移量却高于其数十倍.这很可能是因为纵向干法刻蚀引入了较大的粗糙度,显著加速了多晶硅结构的晶界分离速度,因而也加速了疲劳.     

国家基金委机械学科在微／内米技术领域资助项目概况

纳米技术是在近年来国际前沿研究领域,世界主要发达国家的政府均投入巨资加强该领域的研究或设立国家研究机构,以期望在纳米材料、纳米生物技术、微纳米加工技术及测量、信息技术和相关国防应用领域取得突破,并形成一个庞大的产业。本文概述了国家自然科学基金委员会机械学科在纳米技术领域中的资助情况,进行了一定的分析和总结,并指出了今后的发展趋势。     

微电子与微电子机械系统（MEMS）中的现代光学测试技术

介绍了微电子和微电子机械系统（MEMS）中几种常用的变形和形貌测量方法以及相关的测量设备。其中相移云纹干涉技术用于微电子器件的面内位移测量,灵敏度可达到纳米量级。显微栅线投影技术用于MEMS的离面变形和形貌测量,灵敏度可达0．1微米。     

桌面式微型工厂原型系统建模研究

借鉴虚拟制造的建模方法,开展了针对以准分子激光直写刻蚀加工为主要加工手段,以微集成机构为产品对象的桌面式微型工厂建模研究,规划了桌面式微型工厂的框架,确定了系统的结构组成,讨论了组成模块的功能、实现方式及不同模块间的联系与集成关系等。     

大气环境下多晶硅薄膜的疲劳性能

为评估多晶硅薄膜材料的加载可靠性,发展一种新型多晶硅薄膜疲劳性能测试实验系统,利用片外测试方法研究多晶硅薄膜在大气环境下的拉伸疲劳特性.实验试件采用MEMS(micro-electro-mechanical systems)工艺制造,具有相同的长度、厚度和不同的宽度.每个加载条件下重复10次实验,应用Weibull方法对疲劳实验数据进行处理,得到0.35 GPa～0.70 GPa应力幅值范围内5个应力水平下多晶硅薄膜拉伸疲劳的S-N曲线.研究表明,多晶硅薄膜的疲劳寿命随着交变载荷幅值的减小而增大,二者呈对数线性关系.该结果可以直接用于多晶硅薄膜材料MEMS器件的可靠性设计.     

金属疲劳极限与静强度的相关性

研究了20Cr、40Cr、30CrMo、GC4、300M等钢在应力比r=-1或r=0.05条件下,金属内部疲劳极限与静强度的关系,建立了便于工程应用的实用性规律。根据金属疲劳裂纹萌生的微细观过程理论,以及金属表面和内部疲劳极限的概念,对上述相关性进行了理论分析。     

微机电系统多学科设计优化

多学科设计优化是一种针对于涵盖多个学科领域的复杂系统进行设计优化的方法,强调各子学科系统在独自设计优化的基础上的相互之间的并行协作。鉴于微机电系统(Micro electro mechanical systems,MEMS)设计中存在多学科交叉耦合等问题,将多学科优化设计方法引入到MEMS的设计中,研究分析MEMS本身的多学科特性和设计现状,建立面向MEMS的多学科设计优化系统(Micro electro mechanical multidisciplinary design optimization system,MMDOS),提出四种多学科设计优化方法,对提升MEMS的设计水平和产品质量具有积极意义。     

加速松弛法及其在静电—力耦合问题仿真分析中的应用

基于有限元和边界元耦合法 ,建立了一种新的求解微电子机械系统 (MEMS)中多能量场耦合问题的数值方法———加速松弛法。这种方法能有效地避免使用牛顿法时求解Jacobi方程的困难。算例表明 ,加速松弛法具有收敛速度快、稳定性好等特点。