激光共焦扫描显微镜在微机电系统中的应用

研究了激光共焦扫描显微镜(LSCM)在微结构分析中的应用,综述了该项应用的优势。LSCM的高分辨率和光强调节功能,使其可用于大角度测量;与图像处理系统相结合,便于微结构的定性和定量分析;而全自动样片台沿X轴和Y轴的自动扫描实现了图像的拼接功能。实验结果表明:运用LSCM测量的斜面最大角度至少可以达到50°;在悬臂梁的形貌分析中,可获得清晰的三维形貌,同时通过二维定量分析精确测得其形变为3.145μm;在100×物镜下,运用拼接功能获得384μm×288μm的视场面积,解决了高放大倍数下,在单帧显微图像中无法获取所观测对象全貌的问题。LSCM在微结构分析中的应用弥补了其它形貌分析设备测量功能上的不足,提升了微机电系统的测试水平。

超声技术在硅湿法腐蚀中的应用

为了获得平滑的硅湿法腐蚀表面，在硅湿法腐蚀中引入超声技术。对超声湿法腐蚀系统进行了改进，以确保腐蚀溶液的顶部和底部温差在0．5℃之内。采用60℃，10％质量分数的KOH溶液，在超声频率为59kHz，超声功率为60～180w（间隔10W）条件下对（100）硅片进行湿法腐蚀。最后，运用激光共聚焦扫描显微镜（LSCM）对腐蚀后硅片表面粗糙度进行测量，并探讨超声参数的选择对腐蚀表面质量的影响。实验结果表明：超声功率在120W时，可以获得平滑的腐蚀表面，表面粗糙度Rq值为0．020um。在湿法腐蚀系统中采用超声技术，可以明显改善腐蚀表面质量，在较低温度和较低浓度的KOH溶液中，选择合适的超声参数可获得高品质的腐蚀表面。

采用硅和PDMS的堆栈式微型直接甲醇燃料电池的设计和制作

在堆栈式微型直接甲醇燃料电池μ-DMFC(Micro-Direct Methanol Fuel Cell)中,为了避免硅基流场板因为封装压力过大而破裂,采用了硅和PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)材料分别制作阳极和阴极流场板。首先,采用微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术制作硅基阳极流场板。其次,通过铜箔与阴极流场板一体成型、有机清洗和PDMS表面活化等改进措施显著提升了PDMS阴极流场板金属化的能力。最后,比较和分析阳极流场板上3种不同结构的流道形式的堆栈式μ-DMFC的输出性能。实验结果表明,活化后的PDMS阴极流场板与Cr/Au的粘附性能和粘接强度显著提高,同时阳极流场板的流道一半开设为凸台,一半开设为通孔时,其堆栈式μ-DMFC的输出性能最优。最大输出电流密度为81.25 mA/cm2,最大输出功率为7.73 mW/cm2。采用硅和PDMS材料分别制作流场板,不仅简化了堆栈式μ-DMFC的结构,而且能够缓冲锁紧力,有效保护硅基阳极流场板。同时优化阳极流场板上的流道结构,能够有效提升堆栈式μ-DMFC的输出性能。

MEMS中基底和薄膜的CMP制造技术

化学机械抛光(Chemical&Mechanical Polishing,CMP)工艺已运用于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)中,并逐渐成为研制高品质微纳器件不可或缺的一道关键技术。区域压力调整、抛光终点检测等技术已经引入到CMP工艺,确保片内不均匀性(Within-wafer Nonuniformity,WIWNU)小于5%,同时有效减小"蝶形"和"腐蚀"等抛光缺陷。CMP在MEMS领域中的运用工艺过程更为复杂,抛光对象更为多元,表面质量要求更高。结合硅、介质层、石英、锗、铂和聚合物等自行开发的CMP工艺以及抛光后清洗处理,详细讨论和阐述CMP工艺如何运用于MEMS领域。实验结果表明,采用CMP工艺,结合抛光液改进和兆声清洗,不仅可以实现薄膜的全局平坦化,而且可以获得高品质的超薄基底、无损的硬质应变薄膜和用于低温直接键合的表面粗糙度小于0.5nm键合表面。CMP技术是研制高品质的可应用于MEMS器件的基底和薄膜的有效手段。

运用研磨和化学机械抛光技术制备高品质的石英薄膜

石英薄膜的质量是决定各种石英基底的微纳器件品质高低的关键所在。阐述如何运用研磨和化学机械抛光CMP(Chemical&Mechanical Polishing)技术获得高品质石英薄膜的方法。由于石英属于高硬度材料,选用金刚石研磨液和球墨铸铁研磨盘对石英衬底进行研磨,以获得较高的研磨速率和较好的研磨后的表面粗糙度。在石英CMP中,采用特殊的"两步抛"工艺,对衬底进行抛光。第一步粗抛抛光液采用金刚石颗粒直径为0.3μm的研磨液与SiO2颗粒直径为50 nm的抛光液相混合,第二步精抛只采用SiO2的抛光液。实验结果表明,采用上述技术,可以获得高品质的石英薄膜,厚度为(25.1±3.2)μm,表面粗糙度约为0.89 nm(RMS)。

基于透明的不同流道宽度微型直接甲醇燃料电池的性能比较与分析

以微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell,简称μ-DMFC)输出性能为研究对象,首先通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)工艺,分别制作4种透明的不同流道宽度(800、400、200、100μm)的阳极流场板,并进行μ-DMFC的整体封装。而后,选定某一特定流道宽度的μ-DMFC,研究不同甲醇溶液流速对μ-DMFC输出性能的影响。所制作的透明流道可实时观察μ-DMFC内阳极流场板CO2气体的生成。实验结果表明:阳极流场板选用流道宽度为400μm,1mol/L甲醇溶液的流速为1mL/min时,μ-DMFC的输出性能最优,最大输出功率为4.62mW/cm2,最大电流密度为49.11mA/cm2。合理的流道宽度和甲醇流速对于获得最优的μ-DMFC输出性能有重要影响。

一种微型直接甲醇燃料电池的制作与测试

微型直接甲醇燃料电池(micro direct methanol fuel cell,μ-DMFC)具有发电效率高、环境污染少、安全、携带方便等优点,在小型民用电源和单兵携带电源上具有广泛的应用.讨论了微型直接甲醇燃料电池(micro direct methanol fuelcell,μ-DMFC)的特点,研究了运用微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺,设计并且制作μ-DMFC的过程.主要是运用MEMS工艺制作μ-DMFC的流场板;制备膜电极(membrane electrode assembly,MEA);通过改进μ-DMFC的封装结构,采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)和金属夹具对μ-DMFC进行封装,有效地避免甲醇的渗漏;并且通过测试μ-DMFC的I-V特性,比较了不同封装结构下,μ-DMFC的电性能.实验结果表明,封装结构改进后的μ-DMFC,最大电流密度为14.82mA/cm2,最大输出功率为0.661mW.

音箱前壳注塑模具的改进设计

分析音箱前壳塑件工艺性和模具设计中的难点。提出了塑件结构和模具结构的改进方案，避免塑件注不满、黏定模等缺陷。详细介绍型腔表面电火花加工技术和浇口设计方案。

用于承载铷原子钟滤光泡的高品质微腔体制备

在芯片级铷原子钟中,需要微腔体来承载Rb—87滤光泡,为此,提出了一种用于制作高品质微腔体的新技术。为了获得光滑的腔体侧面和避免腐蚀过程中凸角处产生削角现象,研究中采用了超声腐蚀技术和凸角补偿技术。首先,分别在纯KOH溶液,并结合搅拌和超声等方法,对(100)硅片进行湿法腐蚀,并运用激光共聚焦扫描显微镜对腐蚀后的{111}表面进行粗糙度测量,表明运用超声腐蚀技术可以获得光滑的{111}腔体侧面。在此基础上,引入条形掩模凸角补偿方法进行微腔体腐蚀。实验结果表明:在80℃、质量分数为30%KOH、超声频率和功率分别为59 kHz和160 W的溶液中腐蚀,其{111}腐蚀表面粗糙度为0.117μm,同时条形的长度取1200μm时,可以获得平滑规整的微腔体。

基于Fluent的微型直接甲醇燃料电池阳极流场结构分析

微型直接甲醇燃料电池中阳极流场结构对电池的性能有着重要的影响。为了合理设计阳极流场结构,改善甲醇燃料在阳极流场中的分布,采用计算流体动力学(CFD)软件Fluent对微型直接甲醇燃料电池进行建模并仿真分析。分析比较了点型、平行和蛇形3种不同流场图案下得到的压降与流速分布,得出蛇形流场能够更有利于甲醇燃料的均匀分配。在此基础上分别建立不同流道宽度(800,400,200,100μm)的蛇形流场模型,通过仿真计算甲醇燃料的分布情况来分析其对燃料电池性能的影响,并结合实验结果进行对比得出流道宽度为200～400μm之间为优化值。

基于COMSOL的微型直接甲醇燃料电池的数值模拟

利用CFD软件COMSOL对微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell, µDMFC)进行模拟仿真分析,该三维稳态模型综合考虑了电化学动力学、化学反应和组分传递的耦合过程,分析了电池内部物质的传输与扩散层和催化层的结构参数对电池性能的影响。分析结果表明,扩散层厚度对电池性能的影响很大,选择合适的扩散厚度20 - 40 mm,可以获得更好的电池输出性能。

化学气相沉积法制备单层石墨烯的优化

作为碳原子家族的最新成员,二维结构的石墨烯具备优异的物理化学性质和广阔的应用前景,成为新材料研究领域的热点研究对象。对化学气相沉积(CVD)法进行了优化,成功制备得到了高质量的单层石墨烯。优化后的实验工艺为:首先对铜箔进行化学抛光和退火预处理;然后将预处理后的铜箔加工成荷包状;氢气(H2)氛围下,以甲烷(CH4)为碳源,对石墨烯进行化学气相沉积;当甲烷和氢气体积流量分别为10 cm3/min和20 cm3/min时,在1 030℃条件下生长20 min制备得到最终样品。扫描电子显微镜(SEM)和激光喇曼光谱表征的结果显示:该方法制备的样品为大面积连续的单层石墨烯。

微型电容式压力传感器硅基薄膜的设计与制备

获得均匀、平整的硅基薄膜是制备出高灵敏度的微型电容式压力传感器的关键步骤.首先在理论分析的基础上,确定了微型电容式压力传感器的基本参数,而后在制备中,发展了一种新型的硅基薄膜制作方法,即利用硅-玻璃键合工艺,结合浓KOH溶液超声腐蚀与化学机械抛光的方法,得到了厚度为10μm的均匀、平整的硅基薄膜,为制备微型压力传感器奠定了工艺基础,也可用于其他微机电系统(MEMS)压力传感器.

基于MEMS技术的F-P腔滤波器分析与设计

通过对微光纤法布里-珀罗(F-P)腔滤波器工作原理的综合分析,确立了微F-P腔滤波器静电驱动腔长调谐方案。对可调谐滤波器的主体部分进行光学设计和分析,确立了反射镜的多层薄膜光学结构,并借助ANSYS有限元力电耦合分析,最终选择L型桥臂支撑的腔体结构,可以实现0.625μm的调谐范围;保持桥面平行的能力很高,可实现高精度的滤波效果;结构稳固,能够抵抗制造时的残余应力。

带有Si_3N_4薄膜的玻璃-硅-玻璃三层结构的阳极键合

为了获得高品质的带有Si3N4薄膜三层(玻璃—硅—玻璃)的阳极键合结构,对阳极键合的相关工艺参数进行了研究;设计搭建了实验平台并采用点阴极,以实时观察键合界面是否达到同形质的黑色从而判断阳极键合质量,对键合后的样品进行拉力测试,研究表明:当采用键合温度为400℃,电压为1200 V,压力为450 Pa,可获得键合面积大于90%的带有Si3N4薄膜的三层阳极键合结构。

微F-P腔可调谐滤波器关键工艺研究

采用表面加工工艺,AZ5214E光刻胶进行光刻并反转,磁控溅射Ni Cr合金,剥离出高度为2.3μm的金属桥墩,填充聚酰亚胺作为牺牲层,再在牺牲层上光刻、沉积金属形成金属桥面,在金属桥面的中心嵌入第二布拉格反射镜。采用O2等离子体刻蚀去除聚酰亚胺膜,制作成微法布里—珀罗(F-P)腔,不需要硅片键合,克服了传统F-P腔高度不够高、调谐范围有限、腔平整度不好以及对设备要求高的缺点,并且可以做出大阵列结构,易于探测器集成。着重对腔体关键工艺,即金属桥墩的Ni Cr剥离工艺进行研究,针对现有技术缺陷,提出解决办法。