MEMS惯性器件的主要失效模式和失效机理研究

针对微机电系统(MEMS)器件的可靠性问题,通过大量的历史资料调研和失效信息收集等方法,针对微机电系统(MEMS)器件的可靠性问题,对冲击、振动、湿度、温变、辐照和静电放电(ESD)等不同环境应力条件下的MEMS惯性器件典型失效模式及失效机理进行了深入分析和总结,研究结果有利于指导未来MEMS惯性器件的失效分析和可靠性设计.     

静电驱动阶梯型微悬臂梁吸合电压分析

针对静电驱动微机电系统(Micro-electro-mechanical system,MEMS)器件中常见的阶梯型微悬臂梁结构,提出一种吸合电压的计算方法。基于欧拉梁理论和修正的偶应力理论,运用能量法推导出吸合电压理论模型。采用试函数与待定系数的积来表示微悬臂梁位移,利用泰勒展开来简化求解过程。通过与有限元结果对比来验证模型的正确有效性,讨论试函数的选取以及泰勒展开阶数的确定,并与传统质量弹簧模型方法进行对比,最后研究其吸合特性。结果表明,泰勒展开阶数取8时截断误差可以忽略,试函数选择阶梯型微悬臂梁位移函数,理论模型预测误差小于5%,预测结果明显优于传统方法。吸合电压随宽度比增加而单调递增,随长度比增加出现先减小后增加的变化现象,可为低驱动电压MEMS器件设计提供参考。该理论模型中考虑了边缘场效应、尺度效应的影响,可应用于微纳米尺度的微悬臂梁的吸合电压预测。     

微加速度计冲击可靠性及防护

通过实验研究了梳齿电容微加速度计器件在大过载冲击下的失效模式,发现了失效的主要原因是由于弹性梁的断裂,并对实验现象进行了分析和讨论,指出了微加工工艺的不确定性对器件失效的影响。检验了在结构设计中对可动质量块进行限位的作用,可以明显提高器件的抗冲击能力。提出了金属橡胶这一新材料在微加速度计冲击防护中的应用,并对其作用进行了实验验证,结果表明金属橡胶除了靠金属螺旋卷接触点之间的相互摩擦来耗散能量外,还可以明显增加冲击脉冲的宽度,有效的缓冲和吸收冲击能,提高器件的抗冲击能力和可靠性。     

欧姆接触式RF MEMS开关设计与仿真

利用表面微加工工艺设计了一种双悬臂梁支撑的欧姆接触式MEMS开关,开关的材料为Au。通过对开关驱动电压的理论分析得出,悬臂梁的刚度越低,下拉电压就会越小;又因为刚度与悬臂梁厚度的三次方呈比例,所以,降低刚度最有效的办法就是减少梁的厚度。通过对开关的性能仿真发现:开关的闭合电压为44V;触点的接触力为22.45μN;谐振频率为25.5kHz。开关闭合时,触点接触后并非立即稳定,而是要弹跳数次后才趋于稳定,此现象增加了开关从闭合到稳定的时间。驱动电压为50,60 V时开关的弹跳时间分别为174.94,66.84μs,由此可见,通过适当增加电压可有效降低开关时间和由闭合到稳定的时间。     

微阵列电极电化学生物传感器

以微阵列电极为基础的电化学生物传感器近几年来发展迅速,是实现生物传感器微型化和集成化的一个重要途径。介绍了微阵列电极以及作为信号转换器在电化学生物传感器中应用的有关进展情况,特别是在基因研究中的应用。     

应用于流动控制的MEMS传感器和执行器

出现于20世纪80年代后期的微机械技术可以制作出微米尺度的传感器和执行器。这些微器件与信号调节和处理电路集成后,组成了可执行分布式实时控制的微电子机械系统(MEMS)。这种性能为流动控制研究开辟了一个崭新的研究领域。利用MEMS技术设计和制作了一种传感器和一种执行器。实验证明,采用体硅腐蚀的工艺制作微流体器件是可行的,同时可以避免牺牲层腐蚀和释放的复杂工艺。     

基于单晶硅梁的静电RF MEMS开关

RFMEMS开关是低功耗、低损耗高频通讯电路和系统的关键部件,静电驱动RFMEMS开关因具有零直流功耗、开关时间短、结构简单、易集成的优点而成为研究热点,但是驱动电压高、薄膜应力变形严重、寿命短等问题制约了其发展,提出了一种基于单晶硅梁的推拉式静电RFMEMS开关结构,能够解决静电RFMEMS现有的缺陷。     

氧气吸附对碳纳米管电子特性的影响

碳纳米管暴露在空气中会引起其电子特性的改变.使用微电子工艺在硅衬底上制备出生长碳纳米管的阵列图形,使用热CVD法实现碳纳米管在硅平面上的定点生长.研究了不同温度下空气氛围对多壁碳纳米管电子特性的影响.实验结果表明,空气中的水分子和氧气都会影响碳纳米管的电子特性.在室温环境中,水分子对碳纳米管电子特性的影响起主要作用,随着环境温度的升高,氧气对碳纳米管电学性质的变化起主要作用.