混合介质层类同轴硅通孔等效电路模型的建立与验证

混合介质层类同轴硅通孔(coaxially-shielded through-silicon-via with mixed dielectric layer,MD CSTSV)结构由于其电学性能优良、制备工艺简单和成本低廉的特点,在高密度射频封装领域中具有极大的应用前景.本文基于多导体传输线理论和引入比例因子λ的环形介质层的复电容的计算公式,提取了该结构的单位长度RLGC电学参数,并建立了相应的等效电路模型.在0.1~40 GHz的频率范围内,利用MD CSTSV的等效电路模型仿真计算得到的S参数结果与基于HFSS全波仿真得到的S参数结果之间匹配良好,最大误差不超过7%.相关结果表明,所提取的MD CSTSV的单位长度RLGC电学参数以及相应的等效电路模型较为准确且可以很好地模拟其信号传输性能.

微喷管内气体流动特性研究

研究旨在提高微型空间推进器和微型气体涡轮机等微器件的性能.采用硅微加工技术在硅片上制作出矩形截面三维收缩-扩张微喷管,喉部宽度为16,深度为20,收缩比为1.625:1.实验测量了不同进出口压比条件下微喷管内氮气流量特性.实验设定进出口压比范围为1.0～5.0,由此出口体积流量范围为0～0.2mL/s,出口截面特征雷诺数小于500.基于两种数值模拟方法(有限体积法和Boltzmann气体动力学方法)对微喷管内部流动特性进行了数值模拟.数值模拟结果与实验结果相吻合.数值模拟结果发现几点不同于宏观流动的异常现象:随着压比的提高,声速截面逐渐偏离喉部,向下游区移动,并且下游区的流动不断加速.当压比达到5.0时,出口截面中心区域的马赫数达到1.26.沿程压力分布呈现非线性下降的趋势.这些现象主要是由于相比于常规尺度管道,微小尺度下表面效应引起的粘性附面层效应和三维效应更显著.

微型喷管内气体流动的流量壅塞现象

基于MEMS微加工工艺,在硅片上加工出带有内部测压孔的微型喷管,其喉部宽度为20μm,深度为240μm,扩张比为1.7,采用实验研究和数值计算相结合的手段研究了微型喷管内气体的流动特性.研究结果表明:保持进口压力不变,不断降低背压,当喉部马赫数达到0.8时,内部流动出现了质量流量壅塞现象.此时对应的壅塞临界压比为0.650;同时发现,当进出口压差为48 kPa和66 kPa时,喉部下游扩张段出现了局部超声速环.这些异于常规喷管流动特性的现象主要归因于微型喷管内较大的粘性耗散.

绝缘体介电电泳细胞分离器件数值分析和优化

绝缘体介电电泳(iDEP)利用微流体管道中均匀绝缘柱阵列产生介电电泳(DEP)所需要的非均匀电场,实现微全分析系统(μTAS)和芯片实验室(LOC)中细胞等生物粒子的分离.对这种新型的iDEP器件进行理论分析,建立了数值计算方法.基于有限元数值计算理论,利用Ansys软件,计算了细胞的介电电泳力,验证了iDEP的富集原理,对iDEP器件的介质形状、尺寸、间距和微管道长度等参数进行了优化,提出了设计准则.选用间距10μm,圆形,微管道长度3550μm的5×5绝缘柱阵列,器件性能最优.

可压缩气体合成射流微喷优化设计

借助Fluent软件,基于标准k-ε湍流模型和PISO算法,采用动网格方法构造动边界条件,在可压缩模型下,对二维、黏性、非定常气体合成射流微喷的频率特性及影响射流性能的3个关键因素(驱动频率、振动膜峰值速度和喷口尺寸)进行数值模拟,为合成射流微喷的优化设计提供了依据.结果表明,在可压缩模型下,合成射流微喷的频率特性仿真结果与理论计算结果较吻合,验证了其在可压缩气体模型下仿真的必要性;同时,对任一给定的合成射流微喷,驱动频率和喷口宽度存在最优值.

微管道内剪应力传感器的研制与优化

基于微机电系统(MEMS)微加工工艺,开发了一种能够测量微管道内壁面剪应力的热式传感器,以多晶硅为热敏元件,在低阻硅衬底上形成多孔硅膜隔离硅衬底损耗.利用水浴加热方法测量得到电阻温度系数为0.21%/℃.采用数值模拟的方法对剪应力传感器进行了热分析,探讨了提高剪应力传感器灵敏度和线性度的方法,为优化其设计和使用提供了理论基础.数值模拟结果表明:随着微管道深度的增加,传感器灵敏度提高,但线性度下降.

微型剪应力传感器的热特性分析

研究不同结构、不同热敏元件温度和不同工作介质等情况下剪应力传感器的性能差异.通过实验和数值模拟相结合的方法对剪应力传感器进行了热特性分析.数值模拟结果发现:采用热敏元件下部埋置真空空腔的结构,隔热效果最佳;选择相对较高的热敏元件温度和较高热物性系数的工作气体有助于获得较高的灵敏度.该结果对优化设计微型剪应力传感器具有通用的指导意义.

变截面微管道的制作与气体流动特性分析

为提高硅微无阀泵和空间微推进器的性能 ,采用微电子机械工艺在硅片上加工出不同长度、不同喉部宽度、断面形状为矩形的变截面微管道 ,实验测量微管道内氮气的流量特性 ,分析不同因素对流动特性的影响。研究发现 ,相同变截面微管道 ,扩张方向的性能好于收缩方向 ;不同变截面微管道 ,随着扩张角、等直段长度、宽度的不断增加 ,流动性能逐渐提高。

基于泰勒级数估计的油井数据无损压缩

为了实现油井数据的高效传输,提出一种新的无损压缩算法.利用泰勒级数分解拟合出油井数据曲线,进行后向估计,通过传输拟合值与实际值的估计误差,实现数据的无损压缩.实测油井数据仿真表明该算法压缩率可达25%-40%,其整体性能优于霍夫曼编码、LZW编码等无损压缩算法至少20%,并具有时间空间复杂度低的特点.通过大港油田数据远程传输系统验证,该算法可将传输网络数据负荷降低至45%.

边界层分离点实时数据采集与处理系统的设计与实现

通过分析实时数据采集与处理的基本原理和系统构架,搭建了适用于微型飞行器边界层分离点检测的实时信号采集与处理系统.该系统主要由模拟低通滤波电路、模数转换电路(ADC)、场可编程门阵列(FPGA)控制电路及USB接口电路构成.测试结果为:基准电平0.1mV,峰峰值407mV,频率1kHz,满足边界层分离点实时检测和判定的要求.

BCB介质层同轴TSV的热力学仿真分析

穿透硅通孔(through silicon via,TSV)的热机械可靠性问题已经成为制约TSV市场化应用的重要因素.本文对BCB介质层同轴TSV的热力学特性进行了研究分析,同时对其几何参数(SiO2绝缘层厚度、屏蔽环厚度、TSV间距、中心信号线半径)进行了变参分析,为降低热应力提供指导意见.结果表明,在阻抗匹配的前提下,通过增加SiO2绝缘层厚度、减小屏蔽环厚度能够有效降低同轴TSV的诱导热应力;相比之下中心信号线半径和TSV间距的变化对其影响可忽略不计.

混合介质层类同轴垂直硅通孔的高频性能研究

为了改善T/R组件中2.5 D转接板的高频特性,本文提出一种工艺简单、结构新颖的混合介质层类同轴硅通孔(through silicon via,TSV)结构,对混合介质层类同轴TSV结构的外围TSV数量、TSV直径、混合介质层厚度等参数进行了仿真研究,并与传统同轴TSV的回波损耗、插入损耗、串扰等性能进行对比.结果表明优化后的混合介质层类同轴TSV结构在1~45 GHz频率范围内,具有良好的射频传输性能.

硅基自屏蔽式MEMS带通滤波器

基于硅基深反应离子刻蚀、表面金属化、热压金-金键合等微机电系统(micro-electro-mechanical-systems,MEMS)加工工艺,并结合耦合系数设计方法,选用终端开路式交指结构,实现了一种应用于C波段的自屏蔽式MEMS带通滤波器.开发了该新型滤波器工艺加工流程,并基于高阻硅衬底成功实现了滤波器的制造和测试.测试结果表明,所制造的滤波器中心频率为3.96GHz,频率误差为2.6%,通带内插入损耗约4dB,驻波比小于1.2,相对带宽为20.7%,器件整体尺寸为7.0mm×7.8mm×0.8mm,器件质量小于0.1g,具有尺寸小、重量轻、性能高、造价低、可批量生产、易于单片集成等显著优点,适应了微波毫米波电路对于滤波器件小型化、轻质化、集成化发展的应用要求.

退火工艺对于TSV结构热-机械可靠性影响研究

针对铜柱穿透硅通孔(through silicon via,TSV)结构的热机械可靠性,进行退火工艺对其影响的有限元分析研究.介绍了基于聚酰亚胺(Polyimide,PI)介质层的TSV结构的加工工艺.比较了在400℃退火温度,保温退火30 min条件下,PI和SiO2分别作为介质层时TSV结构的Von Mises应力及Cu胀出高度的分布.在此基础上,进一步针对PI-TSV结构分别对其尺寸参数(介质层厚度以及TSV直径、高度、间距)和退火工艺参数(退火温度、时间)进行变参分析.结果表明,与SiO2-TSV相比,PI-TSV结构退火后具有更好的热机械可靠性,并且适当增加介质层厚度是降低退火后PI-TSV结构的Cu胀出高度和以及热应力的有效方法.

MEMS微型热敏传感器数值模拟

借助计算流体动力学软件Fluent,采用有限体积法、非定常N-S方程、Realizable k-ε湍流模型及无滑移壁面边界条件对微电子机械系统(MEMS)微型热敏传感器进行三维数值模拟.全面地分析了传感器绝缘层材料、空腔内介质材料以及结构尺寸参数对其灵敏度的影响情况,探讨了提高传感器灵敏度的方法.同时,设计了一款高灵敏度的MEMS微型热敏传感器.数值模拟结果发现,采用具有较低热导率的结构材料及工作气体,隔热效果最佳;合理优化传感器尺寸参数有助于获得较高的灵敏度.该结果对微型热敏传感器的优化设计和实际加工、制造提供了依据.

微管道内的剪应力传感器

制作了一个微管道内的剪应力传感器,该传感器通过热传递的原理工作。采用硅微加工技术制作微管道,在玻璃上通过溅射方法形成钛铂合金热膜,最后将两者键合封装,形成埋置了热膜的封闭微管道。测量了热膜的电阻温度系数,确定了热膜处于不同输入功率下的过热比。对该剪应力传感器进行了方波实验,确定其工作在不同过热比下的时间常数。对传感器进行实验标定,得到不同进出口压差下,微管道内的壁面剪应力大小。

可压缩气体合成喷射流数值模拟

为了更深入地研究合成喷射流性能与激励器结构参数的关系,在考虑气体可压缩性质的条件下,对合成喷射流进行了理论分析,得出了合成喷射流性能与激励器结构参数的函数关系式,并采用动边界条件模拟实际压电膜的振动,对合成喷外部射流场和激励器腔体内部射流场进行了联合数值模拟.计算结果与已有的实验结果及理论分析结果吻合较好,验证了该数值模拟方法的可行性.

微喷管内声速点位置及临界压比

为提高微型空间推进器和微型气体涡轮机等微型器件的性能,利用有限体积法求解二维可压缩N-S方程模拟了扩张比为1.7的收缩-扩张微喷管内部的流场结构和温度分布,研究了尺度效应对微喷管内部流场结构的影响,计算中微喷管的喉部宽度为1～200μm.数值结果表明：在扩张比和进出口压力相同的条件下,微喷管出口马赫数随着微喷管尺度的减小而减小.微喷管内首次出现声速点的位置随着喷管尺度的缩小从喷管喉部逐渐移向喷管出口,临界压比值随着喷管尺度的减小而减小.

高能压电合成射流激励器的实验研究

为有效控制飞行器边界层的流动分离和增强掺混,提出了一种全新的流动控制技术.采用微细加工技术成功地制作了压电合成射流激励器,并对其流场特性进行了测试,得到了激励器的流向和展向射流速度分布规律以及流向速度与频率之间的关系.结合理论分析和数值模拟,验证了实验结果的合理性,对合成射流激励器的优化设计提供了重要参考.从流向速度与频率关系曲线中,获得了Helmholtz频率(fH=425Hz)及压电薄膜的固有频率(fM=850Hz).流向速度分布曲线表明,中心线速度最大值出现在喷口下游.

压电合成射流激励器LEM方法研究

基于线性复合平板理论,将机-电-声等效方法应用于压电合成射流激励器,建立了激励器的集总参数模型(LEM).借助ANSYS软件和Matlab软件提取等效模型的关键参数,并使用Matlab软件对合成射流激励器的LEM模型进行了仿真.仿真结果与实验测试值进行了对比,两者吻合得较好.与传统仿真方法相比,所提出的LEM方法具有操作简单、耗时短、占用资源少和效率高等优点.