MEMS矢量水听器敏感结构的后CMOS释放工艺研究

纤毛式微机电系统(MEMS)矢量水听器可探测水下质点振速等矢量信息,与互补金属氧化物半导体(CMOS)集成能够很大程度地提升其性能。针对纤毛式MEMS矢量水听器的CMOS集成提出了一种方案,该方案在MEMS后处理工艺中,利用侧墙保护和各向异性湿法腐蚀从正面释放水听器的十字梁敏感结构。整个后处理过程不需要光刻,降低加工难度的同时,保证了加工结构的精确性。设计出了一种验证性的工艺流程,具体分析了4种不同结构的湿法腐蚀过程。最终完成了这4种结构的工艺流片,对实验结果进行了分析。实验验证了该方案的可行性,为纤毛式MEMS矢量水听器的CMOS集成奠定了基础。

一种基于正面对准的CMUT制备工艺

基于晶圆键合的电容式微机械超声换能器(CMUT)制备工艺凭借其对膜厚控制度高、制备过程简单且良品率高等优势,是当前CMUT的主要制备工艺之一。分析了上电极位置准确性对CMUT发射声压的影响,结合薄膜透光率和光刻机正面对准精度高的特点,提出了一种基于正面对准的CMUT制备工艺并完成了CMUT阵列的制备。制备过程中通过两种开窗工艺获得正面对准标记,通过正面对准的方式实现上电极金属图形化,提高了上电极金属制备的可重复性和准确性。挑选制备好的CMUT阵列进行了一致性测试,经测试其接收灵敏度在-207.30~-208.01 dB以内,表明基于此工艺制备的CMUT阵列具有很好的一致性,为后续大规模批量制备用于无损检测和超声医疗成像的CMUT器件奠定了基础。

基于Si纳米膜的差分结构矢量水听器工艺研究

通过关键工艺步骤,将硅(Si)纳米膜制备在差分结构水听器上作为压敏电阻,利用Si纳米膜的巨压阻效应来提高水听器的灵敏度;利用深Si刻蚀,将Si柱与芯片一体化,减少了差分结构的对准误差,同时抑制海洋洋流带来的振动干扰。设计了相对应的光刻掩模版和整套工艺流程,通过MEMS工艺,成功加工出Si纳米膜作为压敏电阻,实现矢量水听器芯片与Si柱集成化。对制备好的芯片进行观测与测试,使用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜(SEM)设备观察芯片形貌良好,尺寸与设计基本一致;通过半导体分析仪测量得到压敏电阻器的阻值为15.3×10^(4)Ω,线性度良好,符合矢量水听器功能需求。

高灵敏度MEMS三维矢量风速计设计

本项目针对矿井通风监测问题,提出仿蟋蟀尾须纤毛的MEMS三维矢量风速计,实现三维风向和风速感知.传感器传感单元采用四梁支撑结构,信号接收区域采用"盘型"结构接收X,Y和Z方向的风速信号,在满足测量带宽前提下实现三维方向的高灵敏度检测.分析了三维MEMS矢量风速计的敏感机理,根据三轴受力分析,合理排布悬臂梁上压阻的惠斯通电桥检测方式;通过ANSYS仿真分析了"盘型"直径对敏感梁应力和结构谐振频率的影响;在优化的结构参数下分析了X,Y,Z三轴灵敏度.仿真结果表明:盘型结构设计可以实现三维风速感知,相比于一维和二维风速计而言在探测维度上有所改进.

基于Parylene封装的宽频带MEMS矢量水听器

针对目前水听器的聚氨酯封装所导致的窄频带问题,提出一种新的高疏水Parylene薄膜无透声帽封装矢量水听器,即利用Parylene薄膜的淀积高保形性、低渗透性和高绝缘性实现无透声帽封装,解决透声帽带来共振峰引入问题,拓宽水听器的频带。实验结果表明:水听器的共振峰由450 Hz提高到了1 400 Hz。

基于梳齿式电容加速度计的深硅刻蚀

梳齿式电容加速度计对梳齿的形貌有很高的要求,如需要梳齿侧壁具有良好的垂直度和粗糙度等。利用深硅刻蚀机对梳齿结构进行加工需要对刻蚀参数进行分析和调整。以SF_6和C_4F_8为刻蚀气体,设定深硅刻蚀中极板功率、腔室压力、刻蚀/钝化周期、气体流量等工艺参数,着重研究了刻蚀速率、垂直度、粗糙度、光刻胶选择比、均匀性等直接影响刻蚀形貌的几项因素,得到了宽5.3μm、深50μm的沟槽结构,且垂直度为89.5°,侧壁凸起高度为83.69 nm,而预期目标为垂直度90°±2°,侧壁凸起高度小于120 nm,故结果符合要求。最终将调整好的工艺用于刻蚀SOI片上的梳齿结构,得到了良好的形貌。

面向陀螺应用的硅基大尺寸楔角型谐振腔

针对集成光学陀螺中核心敏感单元难以同时实现集成化和高灵敏度问题,提出了硅基二氧化硅楔角型谐振腔的制作方案。通过理论分析得出,由光电探测器散弹噪声引起的陀螺极限灵敏度与谐振腔的直径和品质因数乘积(D×Q)成正比。运用MEMS工艺,制作出直径达1.5 cm、楔角22°的谐振腔;通过控制氧化硅腐蚀时掩膜层的参数,获得了不同楔角的谐振腔,并论述了腐蚀楔角跟掩膜层参数的关系。通过耦合测试,该谐振腔品质因数为2×106,理论上采用上述谐振腔研制的陀螺,其极限灵敏度可达6(°)/h。

多参量微纳集成传感器

为了满足采煤机械工作状态在线监测在线分析系统对微纳传感系统小型化和集成化的要求,设计了一种将压阻式振动传感器与铂电阻温度传感器集成的多参量微纳集成传感器。振动传感器由一个惯性质量块、八个梁和边框组成,惯性质量块通过八个梁悬挂在边框上。为了减小集成传感器的面积,铂电阻温度传感器的形状为"蛇"形。对所设计的多参量微纳传感器进行了流片加工和性能测试,铂电阻温度传感器的灵敏度为1.04 mV/℃,量程为-20~80℃,振动传感器的灵敏度为49.89 mV/g,灵敏度幅值线性度为-0.33%,量程为50g。实验结果表明,研制的多参量微纳集成传感器满足对振动和温度信号测量的需求。

基于热粘性声学的电容式声压水听器

针对水下设备平台对于声压信号探测的需要,设计了一款微电子机械系统(MEMS)电容式声压水听器,通过理论分析和Comsol仿真分析,确定水听器敏感振动薄膜的半径为600μm,膜厚为3μm,空腔高度为3μm。考虑到声波在小尺寸声学换能器中传播时会受到热阻尼和粘滞阻尼的作用,在仿真分析的过程中创新性地加入了热粘性声学多物理场。在工艺加工的过程中尝试了牺牲层工艺和阳极键合工艺两种关键工艺步骤,并最终通过阳极键合工艺得到了质量较高的振动薄膜。测试过程中将水听器封装在金属屏蔽壳内,避免受到外界复杂电磁环境的干扰,利用阻抗分析仪对水听器进行测试,得到水听器平均电容值为4.277 pF,平均相位为-89.129°,证明水听器符合电容性特征并且具有良好的一致性,同时验证了振动薄膜加工方案的可行性,为制备薄膜结构的传感器提供了新思路。

基于各向同性干法刻蚀的大面积悬空Al膜制备

热声传感器随着多孔硅的热致超声发射现象的发现越来越受到关注。热声传感器通过改变器件表面热量而在周围空气中产生交变压力,从而向外发出声波。热声传感器的关键器件是悬空金属薄膜。制备大面积悬空薄膜释放有一定的难度,需要考虑金属薄膜本身的应力与粘附效应。该文提出了两种基于各向同性干法刻蚀的制备金属薄膜的方法,利用XeF2/SF6制备悬空Al膜。由于XeF2与SF6气体刻蚀硅时对于Al有较高的选择比,XeF2对于硅是各向同性刻蚀且有很高的刻蚀速率,而通过设置感应耦合等离子体(ICP)刻蚀机的参数也可利用SF6达到各向同性刻蚀。基于上述特点制备了悬空Al膜,设计相应的制备流程,探索XeF2刻蚀机与ICP刻蚀机合适的刻蚀参数。所制备的悬空Al膜平整、无杂质,具有良好的形貌。

一种电容式声压水听器的热粘性声学仿真研究

为了满足多领域中水下复杂环境声压检测的需要,提出了一种基于微机电系统(MEMS)的电容式声压水听器,开发出注油孔及注油沟道设计,将传感器封装于硅油中,通过平衡振动薄膜内外压强可以提高其耐受静水压能力。使用Comsol Multiphysics仿真软件对水听器建模,采取热粘性声-结构多物理场对传感器进行静态分析、模态分析及谐波声信号扰动下的灵敏度分析,在用有限元法分析模型时考虑了热效应与粘滞效应对小尺寸声学换能器的影响,使仿真结果更具说服力。得到了在幅值为10 Pa,频率在1 Hz^10 kHz的谐波声信号扰动下水听器的接收灵敏度为-147 dB。仿真结果表明,设计的电容式声压水听器据有高灵敏度和宽频带等特点,可以满足不同领域对水下低频声压信号的测量需求。

基于吹塑成型方法的微玻璃空腔的设计与制备

根据硼硅酸盐玻璃的内部结构特殊性和热学性质,设计并制备出两种3D微玻璃空腔,主要讲述了3D微玻璃空腔的设计过程和吹塑成型的制备方法。CORNING Pyrex 7740玻璃是硼硅酸盐玻璃的代表。将硅片进行深硅刻蚀形成深槽,并与7740玻璃进行常压下的阳极键合,形成微空腔;将得到的微空腔放入真空退火炉中进行退火,使玻璃空腔内部空气膨胀,最终形成3D微玻璃空腔。经过实验得到的两种3D微玻璃空腔表明其制备工艺的可行性,将制备出的3D微玻璃空腔运用到导航器件的设计和微结构的封装等方面,具有比较好的发展前景。

基于FPGA的电容式声压传感器阵列信号采集存储系统

针对水下声信号探测和电容式声压传感器阵列工程应用的需求,设计了一种应用于该传感器阵列的信号采集存储系统。该系统解决了实际应用中电容式声压传感器阵列输出信号无法直接检测、电容变化-电压变化转换精度低等问题。该系统以FPGA为控制核心实现该传感器阵列不同阵元的电路匹配,同时完成信号的预处理、采集及存储。系统测试过程中,采集并存储电容式声压传感器输出信号,并通过上位机对存储信号进行读取,测试结果表明:该系统在水下工作稳定,可正确记录水声信号。

应用于低频水声信号探测的小型潜标系统设计

针对水声信号探测和MEMS矢量水听器工程应用的需求,设计了一种应用于低频水声信号探测的小型潜标系统,该系统具有体积小、成本低、布放回收简便等优点。系统以FPGA为控制核心,控制三维姿态传感器采集MEMS矢量水听器姿态信息;同时将采集到的水听器信号一起传输至上位机分析和显示,实现水声信号的探测。实验结果表明:该系统数据传输速率为2 Mbyte/s,探测信号频段范围为20 Hz～1 kHz;该系统在水下工作稳定,可正确记录水声信号。

基于柔性干电极的肌电信号无线采集系统设计

传统Ag/AgCl湿电极存在柔韧性差、稳定性不高等缺点,已不能满足应用于智能可穿戴设备采集表面肌电信号(sEMG)的需求。提出一种通过微电子机械系统(MEMS)技术制备柔性干电极的方法,并针对柔性干电极的特点设计一套便携式16通道sEMG无线采集系统。通过光刻、刻蚀、聚二甲基硅氧烷(PDMS)形貌转移等工艺制成面积1 cm^2、厚度1 mm、底部直径80μm、高度143μm、中心距160~240μm的柔性微针阵列干电极。无线采集系统将采集到的sEMG进行放大、滤波、A/D转换和无线传输后,由LabVIEW编写的上位机进行波形显示和数据存储。整个采集装置尺寸为6 cm×2.5 cm×1.5 cm,电池容量为200 mA·h,充电5 min可在室外50 m范围内工作4 h左右。该无线采集装置配合柔性干电极提取sEMG具有采集通道多、稳定性好、传输距离远、实时显示波形、生物兼容性好等优点。

面向声压传感的硅基槽式谐振腔设计及研究

针对硅基波导腔在折射率传感领域的应用,提出了一种使用低杨氏模量的聚合物SU8作为上包层的硅基槽式微环谐振腔结构。基于耦合模理论优化了硅基槽式微环谐振腔的传输特性和特征参量,并分析了声压传感机理;采用MEMS工艺进行了器件的加工制备,并利用高温氮退火的方式对波导表面进行了光滑化处理;搭建了测试平台,对制备得到的谐振腔进行测试。测试结果表明:品质因数(Q值)可达2.76×10^(4),声压灵敏度可达2.19×10^(3)mV/kPa。相较于传统的全通型硅基波导微环谐振腔,文中设计的使用SU8封装的硅基槽式微环腔对光场的局域能力更强,在声压传感领域有着更好的应用潜力。

电容式微机械超声换能器的水下收发性能

为满足水下超声探测的应用需求,设计了一种采用硅基集成电路制造工艺制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)。首先介绍了CMUT的工作原理及其结构参数,然后完成了CMUT的水密封装,最后对封装后CMUT的电容-电压(C-V)特性、发送电压响应级、接收灵敏度与回波信号进行测试。测试结果表明,封装后的CMUT具有良好的C-V特性,电容变化量最大可达313.7 pF,其发送电压响应级最大值为163.83 dB@2 MHz,接收灵敏度最大值为-228.27 dB@1 MHz,因此其在水下环境具备良好的发射超声波与接收超声波的能力。该研究结果为高密度CMUT阵列的设计和封装及水下超声探测提供了理论和应用依据。

基于PDMS-石墨烯泡沫的柔性压力传感器

为了解决柔性压力传感器在大的工作范围内工作时难以兼顾灵敏度的问题,设计了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)锥形微结构且夹层为石墨烯泡沫的柔性压力传感器。介绍了该传感器的制备方法,对比了有无锥形微结构的PDMS基底对传感器灵敏度的影响,分别对它们进行了相关测试。结果表明,具有锥形微结构基底的传感器具有更高的灵敏度,基于锥形微结构PDMS-石墨烯泡沫压力传感器有较大的工作范围(0~25 kPa),灵敏度为0.177 kPa^(-1),几百次的压力实验表明该传感器的重复性和可恢复性良好。因此,该传感器可以应用于电子皮肤和柔性电子器件等领域。

MEMS电子听诊器信号采集传输系统

针对心音信号与MEMS电子听诊器声传感特点,设计了一种应用于该传感器的信号调理、采集传输系统,带宽为20 Hz^1 kHz。该系统以stm32和hc-05蓝牙模块为控制核心实现信号的采集与传输,将信号经过处理得到有效的心音信号并发送至上位机。并通过上位机实时显示波形。系统测试过程中,将声传感器采集到的心音信号通过电路系统处理并发送至上位机,并通过上位机对信号进行显示,测试结果表明:该系统工作稳定,可精确测量心音信号。

基于16×4阵元CMUT面阵的三维超声反射成像

为实现非接触式三维超声反射成像,搭建了基于16×4阵元电容式微机械超声换能器(CMUT)面阵的反射成像系统。利用面阵上单个阵元发射、所有阵元接收的方式对硅油中的铝块进行了三维成像测试。采用B模式及二次谐波两种成像算法分别对来自铝块的反射信号进行处理,获取被测物的三维图像及对应的二维切片。基于16×4阵元CMUT面阵的反射成像系统能够确定铝块的位置,实验B模式图像和二次谐波图像中铝块与换能器的距离重建偏差分别为3.63%及1.47%。该系统可实现对被测物的三维反射成像,且三维反射图像中被测铝块的表面清晰可见,重建偏差小,信噪比高。