L波段硅基多层堆叠MEMS耦合器

基于射频传输理论设计并制备了一款Si基多层堆叠微电子机械系统(MEMS)耦合器。该耦合器以高阻硅作为衬底材料,采用高精度三维MEMS加工工艺制备而成。利用电磁仿真软件进行了建模仿真,并经过金属图形化、硅基通孔(TSV)、晶圆减薄、晶圆键合等MEMS工艺完成器件制备。采用三层硅片进行堆叠,信号传输时,通过上下两层金属的层间距离对耦合度进行调整,相比常规的平面耦合具有更小的横向尺寸。同时,为了减小信号传输过程中的辐射效应,在信号线周围设计了接地通孔,实现对耦合器的全屏蔽,使其免受外部电磁场的影响。所制备的硅基多层堆叠MEMS耦合器的频带范围为0.75~1.25 GHz,性能指标良好,尺寸仅为5.5 mm×6.0 mm×1 mm,相比常规的平面耦合结构缩小了50%,相比多层印制电路板(PCB)结构缩小了20%。

X波段Si基片集成脊波导MEMS环行器

基于波导传输理论设计并制备了一款Si基片集成脊波导(RSIW)微电子机械系统(MEMS)环行器,该环形器以高阻硅作为衬底材料,采用高精度三维MEMS加工工艺制备而成。通过在基片集成波导(SIW)结构中添加脊梁结构,形成RSIW传输结构,使传输主模TE10模的截止频率比矩形波导TE10模的低,从而实现相同频率下更小的器件尺寸。同时,通过电磁仿真软件对射频匹配和磁场分布进行了精确的建模仿真,完成了Si基片集成脊波导MEMS环行器的仿真设计。制备了尺寸为6 mm×6 mm的环行器样品并进行了测试,结果验证了仿真设计的准确性,其工作频率为8~12 GHz,回波损耗大于20 dB,隔离度大于18 dB,插入损耗小于0.5 dB。实现优良微波特性的同时,相比于常规的SIW结构环行器尺寸缩小了20%左右。

基于微形变分析的电容式MEMS加速度计温漂误差精密估计方法

针对传统的电容式微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度计(capacitive MEMS accelerometers,CMA)温漂误差(temperature drift error,TDE)补偿方法存在非精准溯源TDE致使TDE估计精度低、反复尝试估计模型构型导致构建过程复杂繁琐的问题,提出基于微形变分析的CMA TDE精密补偿方法。首先,通过微形变分析内部结构精准溯源TDE,基于径向基函数神经网络(radial basis function neural network,RBFNN)构建改进型TDE精密估计模型;其次,基于专家经验和模糊理论提出Expert-Fuzzy辅助决策下TDE估计模型辨识方法,为改进模型提供有效的构型指导;然后,设计升温试验测试CMA,构建传统模型和改进模型并通过对比其输出偏置稳定性评估TDE估计性能。实验结果表明,改进模型构建过程大大简化,补偿后CMA偏置稳定性提升约35%。本方法能够更加精准地估计TDE,有效解耦硅基材料的温度依赖性并提升CMA的环境适应性。

一种用于振动测量的MEMS电磁式加速度计

基于电磁感应原理,设计并制备了一种用于振动测量的微机电系统(MEMS)电磁式加速度计,其具有无源、集成度高、对加工工艺精度要求低及不受温度、湿度影响等优势。首先通过有限元分析软件对加速度计敏感结构及永磁体磁场进行仿真分析,然后利用MEMS微加工工艺制备敏感结构及电磁线圈等主要部件,将加速度计芯片与嵌有永磁体的陶瓷基板进行键合封装。通过敏感结构受到振动并带动线圈相对永磁体发生位移产生电压信号。最后通过振动测试系统对电磁式加速度计的灵敏度、量程、线性度及抗过载能力等动态参量进行评估。实验结果表明,在0~3g量程范围内,加速度计可实现对63~69 Hz频率振动的测量,灵敏度最高为263 mV/g,非线性误差为3.3%,可用于恶劣环境下低g值的振动测量。

面向MEMS振镜激光雷达系统的近程接收机设计

针对1550 nm波段铟镓砷探测器小光敏面无法有效接收MEMS较大扫描视场回波的问题,设计了一种适用于近程宽视场的接收装置。接收端光学系统利用像方远心结构作为接收天线,通过仿真在1 mm的光敏面下实现了36°的接收视场,整体相对照度超过95%,集光性能和通光性能较好。同时,接收电路采用T型网络放大结构,结合时刻鉴别电路,利用TDC7200实现高精度时间测量。实验结果表明,飞行时间测量精度在200 ns量程下小于120 ps,在8 m范围内测距精度优于2 ns,能够满足近程探测的需要。

高频压电MEMS微镜设计与仿真

阵列化微镜设计可以实现微镜的高频工作。本文采用将驱动器隐藏在六边形镜面下方的设计方案来实现微镜阵列单元的制备,减小了微镜尺寸。在镜面内部引入了柔性结构匀散应力,降低微镜应力断裂风险,提高了微镜的可靠性,采用六边形密排的方式可以实现大于90%的占空比。所设计的微镜可以实现倾斜、偏转和活塞3种工作自由度,工作频率达到了23 000 Hz以上,共振偏转角度可以达到6.5°。对比传统的微镜阵列设计,本文设计提高了空间利用率和致动效率。

基于MEMS水听器的水下探测系统设计与实现

微电子机械系统(MEMS)水听器作为声呐的核心部件,具有灵敏度高、低频特性好的优势,在进行水下探测时,可同时得到水下声场的声压及振速信息,被广泛应用于声呐浮标、无人水下航行器(UUV)等水下平台,实现对水下目标的实时探测。以现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心,基于MEMS水听器,选择合理的存储协议和能量检测算法,设计并实现了一套应用于声呐浮标的水下探测系统,并开展了室内测试与室外湖试实验。室内测试结果显示,MEMS水听器的矢量通道灵敏度约为-210 dB@100 Hz,可测带宽为10~2000 Hz,具有平滑的“8”字指向性;标量通道具有全向性,灵敏度为-189.5 dB@100 Hz,可测带宽为10~1250 Hz;系统功耗约1.55 W,同步采样率为10 kHz,存储容量为64 GB,可实现信号的实时检测以及对3路模拟信号和3路数字信号的存储。湖试实验结果表明,该系统在水下能够稳定工作,可以连续工作约23 h,经数据处理分析,系统采集到的水声信号正常,对目标信号的探测性能良好。

X波段MEMS硅腔折叠基片集成波导环行器芯片

通信系统向小型化、高性能、集成化的快速发展对射频组件的体积和电性能提出了苛刻的要求。设计了一种X波段硅腔折叠基片集成波导(FSIW)环行器芯片。当基片集成波导(SIW)工作于主模时,将中央的对称面等效为虚拟磁壁,沿着窄边对电磁场进行多次折叠,形成FSIW。以该技术作为设计思路,提高空间利用率,实现了FSIW整体结构的小型化。将FSIW的优势融入环行器中心结设计,使设计的环行器芯片具有高功率容量、低插入损耗、体积小、质量轻的优点。基于微电子机械系统(MEMS)工艺,以高阻硅为衬底材料,制备了该硅腔FSIW环行器芯片,芯片整体尺寸为6.5 mm×6 mm×2.5 mm,工作频率为8.5~11.5 GHz,回波损耗>18.5 dB,带内插入损耗<0.4 dB,隔离度>20 dB。

MEMS心音传感器及检测电路优化设计

对基于微电子机械系统(MEMS)技术的心音传感器声敏结构进行了优化且设计了其检测电路。首先,针对心音信号的特点,设计了二次集成的扁平状仿生纤毛结构,对该结构进行仿真,确定了纤毛的尺寸参数和梁上最大应力1.2×10^(5) N/m^(2),对纤毛进行特征频率仿真,在硅油域中结果为711 Hz;其次由扁平状纤毛结构X轴接收噪声时梁上的应力仿真结果可知该结构具有抗干扰能力;最后设计了后端的放大电路和滤波电路并对传感器封装后进行测试。测试结果表明,该结构的信噪比达到了27 dB,较传统的圆柱形纤毛提高了35%,且其抗干扰能力也优于传统的圆柱形纤毛。优化过后的MEMS心音传感器具有抗干扰、低噪声、低成本、采集的信号不失真等优势,可为临床心音信号的采集提供关键核心部件。

基于硅基MEMS技术的三维集成宽带延时器

为满足宽带相控阵天线小型化需求,本文采用微电子机械系统(MEMS)三维异构集成技术,设计了一种宽带四位延时三维集成器。延时器工作频率覆盖8GHz~15GHz,器件内部集成了GaAs芯片、COMS芯片和固定延时器等电路,具有射频信号延时控制、增益补偿和电源同步调制等功能。器件尺寸为20mm×20mm×1.3mm,重量1.35g,背面为接地面,采用微组装粘接方式安装,输入输出端口通过键合线方式连接传输。测试结果表明,硅基延时器工作频段内延时波动量≤3ps,插入损耗≤22dB,端口驻波≤1.5,各延时位态幅度一致性≤±1dB。

一种用于MEMS加速度计温度性能提升的双质量全差分结构

微电子机械系统(MEMS)加速度计作为应力敏感器件,很容易受到外界应力的影响,尤其是对温度应力非常敏感,MEMS加速度计的温度性能成为了制约加速度计性能提升的关键因素。为了提高MEMS加速度计的温度性能,减小温度漂移,提出了一种新型的双质量、全差分MEMS敏感结构方案。通过双质量的差分效果,可以将外界温度变化引起的变形差分掉,从而降低加速度计的温度系数,提高温度性能。利用有限元仿真的手段,优化双质量结构的布局,验证加速度计的温度漂移结果。实验结果表明,加速度计温度性能得到了有效提升。

基于兰姆波压电谐振器的高频低相噪MEMS振荡器仿真研究

发达的现代通信设备对时钟源器件提出了更高的要求,在保障频率信号稳定的同时还需要器件具备可集成、微型化等特点,微机电系统(MEMS)振荡器因其具备这些优势,已逐渐替代传统振荡器,成为电子设备中信号源的常用元器件。该文设计了一种MEMS振荡器并对其进行仿真测试,该振荡器的核心选频器件由Lamb波压电谐振器组成,在应用于振荡电路前,对设计的MEMS谐振器进行了仿真测试,并提出两种优化其寄生模态的方法,所得谐振器的品质因数(Q)为1357.5,串联谐振频率为70.384 MHz。将优化后谐振器应用于振荡电路后,对振荡器输出信号和相位噪声进行测试,结果表明,MEMS振荡器的输出载波频率为70.58 MHz,相位噪声为-64.299 dBc/Hz@1 Hz及-144.209 dBc/Hz@10 kHz。

用于三轴MEMS加速度计的集成数字调理电路

基于0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,设计了一种用于三轴微电子机械系统(MEMS)加速度计的集成数字调理电路,实现了三轴加速度信号的数字后处理。该数字调理电路采用级联积分梳状(CIC)与有限冲击响应(FIR)相结合的滤波器形式,有效滤除了带外的量化噪声,提高了输出信号的信噪比;零位采用四阶多项式拟合温补算法,标度因数采用二阶多项式拟合温补算法,有效降低了加速度输出随温度的漂移,提升了加速度计的测量精度。此外,FIR滤波器采用时分复用的实现形式,温补模块采用串行实现形式,有效减小了芯片面积,最终芯片面积为1.5 mm^(2)。测试结果表明,滤波器符合设计值,三轴MEMS加速度计的零偏不稳定性为15μg,速率随机游走为0.035 m/s/√h,温补后零偏全温区变化量为3.55mg,提升了5.4倍;温补后标度因数全温区变化量为0.0026,提升了4.1倍,电路性能良好。

集成差分电容式MEMS微型电场传感器设计与研制

在继电保护实际运行中,屏柜内部一些隐性故障将造成压板投退失效,严重威胁着电网的安全可靠运行。为了能够可靠、有效地监测出口压板的带电状态或电气导通性,设计了一种SOI差分电容式MEMS电场传感器。所设计的传感器以微机械元件物理设计为基础,构造出可靠的运行结构,并且依靠一个低噪声、高动态范围的接口IC来完成操作。所设计的接口集成电路在应对脉冲式的间歇性操作的同时,组织互补设备阵列以感应各种不同的测量信号。通过COMSOL Multiphysics仿真实验可以看出,所设计的传感器能够很好地满足压板状态监测的需求。

用于双极化T/R组件的X~Ku波段MEMS环行隔离组件的设计

多极化合成孔径雷达(SAR)能够提供丰富的目标特性,增强目标的识别、分类和抗干扰能力,成为重要的发展方向。其关键组件T/R组件采用了发射分时、接收同时的模式,每个通道射频(RF)前端包含一路发射通路和两路接收通路。利用微电子机械系统(MEMS)技术设计了一款X~Ku波段环行隔离组件,在实现射频前端小型化双接收通路集成的同时解决了两路通道隔离问题。该环行隔离组件工作频率为10~18 GHz,尺寸为6 mm×11 mm×2.5 mm,三端口回波损耗均≥16 dB,并且双接收通路的隔离度≥29 dB。

采用基片集成波导技术的毫米波MEMS环行器

设计并制备了一款毫米波的微机电系统(MEMS)环行器。该毫米波MEMS环行器芯片采用高阻硅作为衬底,利用基片集成波导(SIW)技术,基于硅基MEMS工艺,采用低损耗金属化技术,实现了硅通孔金属化的制备。采用三维电磁仿真软件进行模拟,设计了该毫米波MEMS环行器的结构以及SIW与微带线的过渡匹配,并在此基础上优化设计了一套通用的制备毫米波MEMS环行器的工艺流程。并对制备的毫米波MEMS环行器进行了性能测试。结果表明,该环行器的频率范围为24~28 GHz,频带内插入损耗≤0.5 dB,隔离度≥17 dB,尺寸仅为5 mm×5 mm×2.5 mm,能够满足大部分应用需求。

基于MEMS工艺的微热加速度计和微热陀螺仪的制备

微热加速度计和微热陀螺仪两者传感芯片结构相似,并且制备工艺完全兼容,在同一块绝缘体上硅(SOI)基板上运用同一工艺流程同时制备出了微热陀螺仪传感芯片和微热加速度计传感芯片。为了准确地创建微尺度的图案和结构,设计了四块光刻掩模版来制作该微热加速度计芯片和微热陀螺仪芯片,分别对应于接触孔开口、热敏电阻、互连布线和背面空腔。轻掺杂硅热敏电阻的可控电阻温度系数(TCR)大于传统金属丝,因此选择p型硅作为热敏电阻材料。TCR由硅片的掺杂浓度决定,使用了三种不同掺杂浓度的硅片进行对比实验,从而选定硅片的掺杂浓度为1×10^(17)cm^(-3),对应的TCR为3500×10^(-6)/℃。选择SOI作为衬底材料,显著增强了微热陀螺仪和微热加速度计的耐高温性,并且提高了其灵敏度。在电感耦合等离子体-反应离子刻蚀(ICP-RIE)和氢氟酸(HF)蒸气工艺过程中,通过光刻胶和聚酰亚胺层成功保护了非常薄和易碎的热敏电阻,在4英寸(1英寸=2.54 cm)SOI基板上一次最多可以成功制备出180个微热陀螺仪传感芯片和108个微热加速度计传感芯片,制备的微热加速度计传感芯片尺寸为2 mm×2 mm×0.4 mm,微热陀螺仪传感芯片尺寸为5.8 mm×5.8 mm×0.4 mm。分别对制备的微热加速度计和微热陀螺仪进行了测试,微热陀螺仪x轴灵敏度为0.107 mV/(°/s),y轴灵敏度为0.102 mV/(°/s),微热加速度计灵敏度为13 mV/g。通过一次工艺流程制备出两种热流体惯性传感器,极大地缩短了制备时间,降低了制备成本,成功实现了高精度的批量生产。

压电AlN MEMS的新进展(续)

Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN薄膜具有较好的压电性能,与CMOS工艺相兼容,压电AlN MEMS首先在手机应用的射频谐振器、滤波器方面取得突破,实现量产,近年来压电AlN MEMS已成为MEMS技术创新发展的热点。介绍了压电AlN MEMS在掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,包含掺钪AlN薄膜研制、AlN薄膜多层结构、AlScN薄膜性能、AlN薄膜制备;体声波(BAW)谐振器与固体安装谐振器(SMR)、薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜压电MEMS、轮廓模式谐振器(即兰姆波谐振器)、混合谐振器、AlN压电微机械超声换能器(PMUT)等结构创新;有利于CMOS集成,批量高可靠,压电AlN薄膜的晶圆量产,AlScN器件工艺优化;AlN MEMS热疲劳和抗辐照;谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等方面研究成果。分析和评价了压电AlN MEMS关键技术进步和发展态势。

压电AlN MEMS的新进展

Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN薄膜具有较好的压电性能,与CMOS工艺相兼容,压电AlN MEMS首先在手机应用的射频谐振器、滤波器方面取得突破,实现量产,近年来压电AlN MEMS已成为MEMS技术创新发展的热点。介绍了压电AlN MEMS在掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,包含掺钪AlN薄膜研制、AlN薄膜多层结构、AlScN薄膜性能、AlN薄膜制备;体声波(BAW)谐振器与固体安装谐振器(SMR)、薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜压电MEMS、轮廓模式谐振器(即兰姆波谐振器)、混合谐振器、AlN压电微机械超声换能器(PMUT)等结构创新;有利于CMOS集成,批量高可靠,压电AlN薄膜的晶圆量产,AlScN器件工艺优化;AlN MEMS热疲劳和抗辐照;谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等方面研究成果。分析和评价了压电AlN MEMS关键技术进步和发展态势。

用于实验教学的数字化MEMS地震仪开发

开发了基于全数字化MEMS的实验教学用地震仪,该仪器采用AS3002A芯片作为数字化检波器,直接输出数字信号,无需传统地震仪的前级输入电路和模数转换电路;利用STM32作为主控芯片,通过STM32的串行外设接口(SPI)通信读取MEMS的采集数据,并将数据分包存储到SD卡;采用WIFI或4G无线通信等模块传输到上位机进行实时显示,也可利用该仪器开展脚步声采集等实验。通过室内实验测试了该仪器的各项性能指标,结果表明,该地震仪能长时稳定地实现震动信息的实时采集、传输和存储。该仪器较传统地震仪无需单独的前级输入和模数转换电路,大大降低了成本和体积,且性能满足实验教学要求。