微机电系统光学组件的系统级建模

为提高微机电系统(MEMS)中光学系统整体仿真的准确性和效率,解决光学组件系统级建模存在的问题,提出了一种光学组件系统级建模方法,该方法可同时支持与MEMS系统级机械组件和电路组件共同仿真。首先,介绍了多端口组件网络方法、高斯光束特点和空间坐标系变换理论。接着,以微平面镜为例,介绍了光学组件系统级建模方法的流程。最后,采用Verilog-A硬件描述语言建立了包含多个典型光学组件的系统级光学库。使用该库的光学组件在MEMS集成设计工具MEMS Garden中搭建微扫描系统进行了仿真与测试。与商业软件CoventorWare的分析结果相比,提出的建模方法解决了扫描盲区问题,且非差分电压分析的误差小于3%。结果显示,本文提出的建模方法精确有效,对MEMS的系统级设计有参考价值。

微流控的系统级设计

微流控设计技术对于提高微流控设计效率,降低研发成本具有重要意义。微流控设计技术中的系统级建模与仿真是实现微流控快速设计、优化、验证的重要方法。本文首先对微流控设计的原理和方法做了简要介绍。在此基础之上,重点论述了微流控系统级设计中的两种主要方法——节点分析法和等效电路法,对两种方法的建模与仿真理论进行了分析,并总结了两种方法近十年来在国内外的研究发展概况和最新进展。最后,分析总结了这两种方法的优缺点,并对微流控系统级设计技术进行了总结与展望,指出微流控系统级建模与仿真技术在解决大规模、复杂性、多功能微流控系统的设计方面有巨大的优势。

基于近似模型的y轴微机械陀螺系统级优化

提出一种基于近似模型的MEMS系统级优化方法,给出具体实现流程,并结合一个y轴微机械陀螺进行优化。该方法解决了如何得到近似优化目标函数表达式的关键问题。所得的y轴微机械陀螺优化参数,使得陀螺驱动模态谐振频率fx和检测模态谐振频率fz分别为3 074 Hz和2 998 Hz,两者之间相差7 6 Hz,较好的实现了模态匹配,且都在3 000 Hz的设计要求附近,约束条件也得到了满足。该优化方法为在MEMS设计中快速获得系统级优化方案提供较好参考。

硅微机械谐振压力传感器技术发展

硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一,是航空航天、工业过程控制和其他精密测量领域压力测试的最佳选择。系统阐述30年来国内外硅微机械谐振压力传感器技术的研究成果,简单介绍硅微机械谐振压力传感器的分类及工作原理,针对压力敏感膜片与谐振器复合结构和振动膜结构两种主要的芯体结构形式,详细论述硅微机械谐振压力传感器的研究历史、主要研究机构、国内外发展现状以及最新的研究成果,重点根据不同激励与检测方式对各种硅微机械谐振压力传感器的芯体结构进行深入分析比较。在此基础上,总结归纳不同芯体结构及其激励与检测方式的特点,并对硅微机械谐振压力传感器的未来发展趋势进行展望。

用于微小型飞行器姿态估计的四元数扩展卡尔曼滤波算法(英文)

针对MEMS陀螺、加速度计、磁强计组合的姿态确定系统,笔者设计了用于微小型飞行器姿态估计的四元数扩展卡尔曼滤波算法.取姿态误差四元数和陀螺随机漂移构建滤波状态向量,通过误差四元数微分方程和陀螺随机误差模型建立了卡尔曼滤波状态方程;采用改进的高斯-牛顿算法将传感器观测量转化为四元数,通过与利用陀螺信息估计的四元数相乘,得到姿态误差四元数作为卡尔曼滤波量测值,显著减小了机动加速度对姿态估计的影响.仿真实验显示:四元数静态估计误差小于0.22%,在动态情况下,四元数估计值能够较好地跟踪真实值的变化,表明该滤波算法能够有效提高姿态估计的精度.

用于壁面切应力测量的微传感器设计

壁面切应力的测量是流体动力学领域中一项非常重要的测试任务,采用MEMS技术设计、加工的微型切应力传感器能够为壁面切应力的测量提供新的手段。微传感器设计过程中推导其浮动单元线性位移与弹性梁宽度的关系,通过限位装置提高了微传感器的抗过载能力。有限元仿真结果与试验模态分析的最大偏差为8.2%,表明仿真过程中对结构进行的简化以及单元的选取是合理的。加工过程中,采用等离子刻蚀工艺形成传感器的结构,湿法刻蚀工艺完成浮动单元的释放,所加工传感器的整体尺寸为3.4 mm×2.5 mm×0.6 mm。开发了一种封装结构实现传感器与壁面的平齐安装。风洞试验结果说明在0～30 m/s风速范围内传感器的灵敏度为51.2 mV/Pa,该传感器可以用于壁面切应力的测量。

压阻式微型压力传感器敏感结构设计

在设计某一压阻式压力传感器特定敏感结构的过程中,对出现的技术难题进行了研究。文中的第2部分设计了弹性膜片的典型结构;第3部分设计了压敏电阻的尺寸以及阻值;第4部分使用ANSYS软件分析了弹性膜片在不同压力作用下的应力、应变分布,确定了压敏电阻在弹性膜片上的最佳分布位置。分析结果表明:压敏电阻距离弹性膜片边缘越近,灵敏度越高。同时计算了不同外界压力载荷和不同位置条件下压敏电阻的电压输出变化情况,提取了敏感膜片的固有频率和响应时间。文中响应时间曲线表明:所设计的微型压阻式压力传感器响应速度快,稳定时间仅为1.0×10^(-5)s。

MEMS微型热敏传感器的隔热结构及其性能分析

MEMS微型热敏传感器在流动测量领域有重要应用,而隔热结构对传感器性能有着决定性影响。综合六种常见的隔热结构,借助有限元计算研究对比了硅基底上不同隔热层材料、硅基底上有无隔热空腔结构、全聚合物柔性基底、全硅基底等对传感器灵敏度、热响应速度的影响情况,结合对热敏传感机理的分析进行了影响原因及其规律探讨。该研究可为微型热敏传感器的隔热结构设计及其性能优化提供参考依据。

全柔性热膜微传感器阵列制造工艺及性能优化

为了测量飞机、流体管腔等气动面上的温度、剪应力等流场参数分布,以镍作为热敏材料,利用MEMS微加工技术在聚酰亚胺衬底上制作出了一种全柔性的热膜微传感器阵列。该传感器阵列的整体厚度薄(100μm以内)、软性可弯,可以紧贴曲型壁面从边界层底部实现非破坏性的动态流场参数测量。设计了器件阵列结构,研发了基于溅射成型与退火热处理的微加工工艺。结合工艺与测试实验,系统地分析了氩气压强、衬底温度、溅射功率、退火温度等工艺参数对电阻温度系数的影响规律。为了获得更高的器件灵敏度,通过优化工艺参数提高了柔性热膜微传感器的电阻温度系数,使其达到了4.64×10-3/℃,并且保持了好的线性度。

静电激励硅微机械谐振压力传感器设计

设计了一种静电激励／电容检测的硅微机械谐振压力传感器，采用改进的侧向动平衡双端固支音叉谐振器，利用基于绝缘体上硅的加工工艺制作。为了抑制压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度变化，在谐振器固定端设计了全新的桁架结构。针对传感器检测信号微弱和同频干扰严重的特点，在芯体和接口电路设计中采取添加屏蔽电极、降低交流驱动电压幅值、差动电容检测和高频载波调制解调方案等多项措施。同时基于该接口电路设计了开环测试系统，并在常压封装条件下对传感器进行了初步性能测试。实验结果表明：其基础谐振频率为33．886kHz，振动品质因数为1222；测量范围为表压0-280kPa，非线性为0．018％FS，迟滞为0．176％FS，重复性为0．213％FS；在--20-60℃的温度范围内，谐振器的平均温度漂移为-0．037％／℃。

一种用于主动流动控制的气泡型微致动器

面向先进主动流动控制,在国内率先研发了一种基于微机电系统(MEMS)的气泡型微致动器阵列技术。分析了气泡型微致动器用于主动流动控制的原理,阐述了致动器结构及其加工工艺。通过对气泡样件的压力载荷-变形行为的测试,表明其具有较好的线性和较大承载能力。结合不同翼型的风洞试验表明,微致动器作动可以影响翼型表面的压强分布,从而可用于增升等控制目的。

基于SOI的硅微谐振式压力传感器芯片制作

采用SOI硅片,基于MEMS技术,设计并加工了一种新型三明治结构的硅微谐振式压力传感器,根据传感器敏感单元的结构设计,制定了相应的制备工艺步骤,并且针对湿法深刻蚀过程中谐振子的刻蚀保护等问题,提出了一种基于氮化硅、氧化硅和氮化硅三层薄膜的保护工艺,实验表明,在采用三层薄膜保护工艺下进行湿法刻蚀10 h后,谐振子被完全释放,三层薄膜保护工艺对要求采用湿法刻蚀镂空释放可动结构具有较高的实用价值。最后对加工完成的谐振式压力传感器进行了初步的性能测试,结果表明,在标准大气压力下谐振子的固有频率为9.932 kHz,品质因数为34。

聚酰亚胺微刻蚀加工工艺研究

研究了RIE刻蚀聚酰亚胺的刻蚀速率、刻蚀表面粗糙度与不同加工工艺参数(包括射频功率、腔室压力、刻蚀气体成分等)之间的相互关系。刻蚀速率与射频功率、腔室压力都呈线性关系,与气体成分的关系是低SF6含量时呈线性,高SF6含量时出现饱和。刻蚀面的粗糙度几乎不受腔室压力的影响,而射频功率高于300 W和低SF6含量时粗糙度会急剧上升。采用腔室压力40 Pa、功率275 W、O2流量80 cm3/min、SF6流量20 cm3/min,通过RIE刻蚀获得了深度为39.5μm的微腔结构,为形成柔性基底空腔以及上悬结构等提供了技术基础。此外,对柔性基底固定技术进行了研究,提出了一种有效固定聚酰亚胺膜的新工艺方法。

一种改进的振动式微机械陀螺驱动电路

采用闭环控制电路使振动式微机械陀螺驱动模态保持谐振是提高其灵敏度和稳定性的最为直接、有效的方法。基于锁相控制环路是目前振动式陀螺驱动广泛采用的控制方法之一。对包括陀螺在内的锁相环各个环节进行了建模。对各部分模型线性化处理后,推导了微机械陀螺锁相环控制电路的系统传递函数。传递函数的分析表明该系统是一个有差系统,即压控振荡器发生频率和陀螺谐振频率总是存在一定的频差。文中引入了校正环节来消除稳态误差。采用音叉电容式微机械陀螺进行了实验,转台实验显示刻度因子有所提高,表明该控制方案能够有效的提高陀螺的灵敏度及其稳定性。

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。

梳齿分布结构对静电驱动二维微扫描镜机械转角的影响

为增大静电驱动二维微扫描镜的机械转角,基于非线性动力学理论研究了不同梳齿结构对其振幅的影响,理论上得到发散型梳齿分布相较于平行型梳齿分布具有更大的机械转角。此外,采用绝缘体上硅(SOI)加工工艺设计并制作了这两种结构的微扫描镜,并对其相关特性进行了测试。测试结果表明:在相同的驱动电压下,发散型结构始终都比平行型结构具有更大的机械转角,与仿真结果基本一致;当加载驱动电压为42 V的方波信号时,发散型结构扫描镜的可动框架和镜面的最大机械转角可以达到12.3°、13.49°,而平行型结构扫描镜的可动框架和镜面的最大机械转角则为10.25°、11.68°。

基于Agent的微型工厂加工过程仿真研究

文章开展了针对以准分子激光直写刻蚀加工方法为主要加工手段,以微集成机构(Integrated Mechanism,IM)为产品对象的桌面式微型工厂(Micro-factory)加工过程仿真的研究,得出基于Agent的方法对微型工厂中的激光加工过程进行仿真是较为有效方法的结论,指出基于Agent加工过程的仿真模型包括建立设备模型、产品模型和工艺模型等几个方面,并讨论了采用Agent方法进行加工过程仿真的分析和实现方法。

牺牲层刻蚀实验的在线观察与研究

设计了多种测试结构,采用在线实时观测的手段,深入研究了氢氟酸(HF)刻蚀二氧化硅牺牲层中,多种因素对刻蚀过程产生的影响,并对实验结果进行了详细分析.实验中可以明显观察到刻蚀过程中的反应限制阶段与扩散限制阶段,说明经过长时间的刻蚀,HF酸的扩散效应将成为影响刻蚀速率的主导因素.对于实验过程中观察到的"凹"状的刻蚀前端和"晕纹"现象,分析认为结构中的应力梯度以及材料间不同的亲水性质是产生这些现象的主要原因.实验方法与结论对MEMS牺牲层释放工艺的研究具有一定的参考意义.

一个单芯片硅微惯性测量组合

论文基于普通的体硅工艺设计实现了一个单片集成式硅微惯性测量组合.通过对敏感表头的结构优化设计达到异构图形长和宽的较高一致度,从而有效降低刻蚀延迟效应(RIELag)对大面积结构深刻蚀造成的影响.所加工的样片在不到1cm2的硅片面积上同时包含了三个不同轴向的硅微加速度计和三个不同轴向的硅微陀螺,可对载体在笛卡尔坐标系内六个自由度上的运动分量进行测量.针对这六个片上惯性元器件,分别设计了相应的接口电路并进行了测试.测试表明其中的陀螺可达到1deg/s左右的精度,加速度计有33mV/gn的标度因子.论文研究表明这种单片集成式硅微惯性测量组合的实现方法工艺简单,可有效降低惯性测量组合的体积,同时具有进一步提高精度的潜力.

玻璃基底上的蛋白质微接触压印图型化(英文)

研究了一种将胶原Ⅰ型蛋白通过微接触压印技术图型化于玻璃基底表面的方法.采用标准光刻工艺制备印章母版,并运用反应离子刻蚀设备对印章表面进行氧等离子体处理,以期改善印章表面亲水性能.将涂敷了胶原Ⅰ型蛋白,并经返潮处理的印章以50 g/cm2大小的力与玻璃表面接触10 s,得到蛋白质微图型.结果表明,采用反应离子刻蚀技术能显著改善聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章表面的亲水性.表面亲水性得到改善的PDMS印章,在经过湿盒返潮后,再进行微接触压印得到的蛋白质微图型其质量得到显著提高.