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。

MEMS微热板结构设计与仿真

微热板作为很多微机电系统(MEMS)传感器和执行器的基础结构,对器件性能影响极大,在气体传感器、燃料电池等领域都有着重要的应用。本文提出了几种悬浮式结构的微热板设计,并利用有限元分析方法(FEA),在气体传感器常用的工作温度400℃下,从热稳定性、机械稳定性、功耗和效率多方面对微热板进行了仿真,结果表明:螺旋形微热板的综合性能更好。进一步对可能影响微热板性能的多个因素,如电极电压、支撑层厚度、微加热器线宽间距比等进行了优化,获得了综合性能最优的微热板图形及参数设计。

电容式MEMS微波功率检测芯片悬臂梁负载模型的构建与应用

为了提升电容式微电子机械系统(MEMS)微波功率检测芯片的性能,针对典型的单悬臂梁结构,建立悬臂梁负载模型。根据有限元仿真验证结果,等效受力位置设置在悬臂梁与信号线交叠电容内侧边缘时,悬臂梁形变情况拟合度最高,相对误差仅11.42%。利用该模型分析了电容式MEMS微波功率检测芯片的过载功率、灵敏度以及温度特性等。实验结果表明,检测芯片在X波段范围内的回波损耗均小于-10 dB;在输入信号频率为10 GHz条件下,检测芯片的灵敏度为62.54 fF/W,而悬臂梁负载模型的灵敏度预测值为51.91 fF/W,与测试值相对误差仅为17.01%。因此,该理论模型对电容式MEMS悬臂梁微波功率检测芯片的设计具有一定的研究价值。

电阻悬浮的MEMS热膜式气体流量传感器设计

设计了一种新型电阻悬浮结构的热膜式气体流量传感器,具有测量精度高、灵敏度好、抗压能力强、微加工工艺简单等特点。采用ANSYS软件对传感器芯片在不同流速下的温度场进行了有限元仿真,得出了上下游温差与流速的关系曲线。通过比较热膜电阻非悬浮与悬浮时的导热损失和压力分布,得到了将热膜电阻悬浮的流量传感器的性能要优于一般传感器的结论,其灵敏度为一般传感器的3.6倍。分析表明,传感器的响应时间仅为0.17 ms,比一般传感器快了好几倍;流速在0～0.5 m/s和0.5～2.5 m/s时,传感器输出信号都有较好的线性度,使其能够应用于小流量和大流量的测量当中;流道高度为150μm时,流量为0～2.7 L/h。根据工艺条件和仿真结果,确定了传感器芯片的结构尺寸和微加工工艺流程。

MEMS环形振动陀螺结构设计与仿真分析

针对轴对称壳形振动陀螺的工作机理与振动特性,提出了一种新颖的全对称U型梁MEMS环形波动陀螺,并分析了其工作原理、振动特性与敏感工作方式。在此基础上应用ANSYS有限元分析软件建立了该环形振动陀螺谐振结构的有限元模型,分别进行了模态分析、谐响应分析、瞬态冲击响应分析与静力分析。仿真分析结果显示该环形陀螺驱动与敏感模态固有频率的频差为33 Hz,工作模态的频率匹配性较好;工作模态与其他振动模态的最小频差为1 032 Hz,能够有效抵抗环境振动的干扰;谐振结构在10 000g的瞬态冲击作用下最大应力为39.5 MPa,可以正常稳定工作。

全解耦硅MEMS陀螺仪正交耦合分析

为了减小正交误差对硅MEMS陀螺仪性能的影响,进一步提高陀螺精度和工程化成品率,对MEMS陀螺正交耦合的影响因素进行了研究。通过MEMS陀螺的运动学简化模型,分析了正交耦合的起因;计算了MEMS陀螺的静电驱动力和阻尼系数,建立了MEMS陀螺有限元参数化模型,利用谐波分析模拟了陀螺在驱动模态下的运动状态;在谐波分析的基础上,研究了不同误差来源对正交耦合的影响。结果表明：侧壁垂直度误差不是正交耦合的起因;科氏质量重心偏移对正交耦合的影响很小,即使在误差敏感方向上,正交耦合系数的敏感度也只有0.003 2%/μm;振动结构支撑梁的加工误差是引起结构刚度不对称并产生正交耦合的主要因素,其中正交耦合系数对梁宽误差的敏感度可达2.15%/μm（梁宽误差为±0.1μm）,对梁倾斜误差的敏感度高达16%/（°）（梁角度误差为±0.05°）。

跷跷板式MEMS加速度计锚点与梁优化设计

作为敏感外界加速度的器件,微电子机械系统(MEMS)加速度计容易受到外界应力的影响。而跷跷板式加速度计采用直梁的结构形式,其温度性能、抗冲击和过载能力都较差,在梁及其连接处会因应力集中,造成加速度计结构发生形变甚至损伤。因此为了提高跷跷板式加速度计的可靠性和温度性能,对锚点和梁进行了优化设计。首先,介绍了跷跷板式MEMS加速度计的工作原理,建立了其动力学方程,利用有限元仿真分别建立了锚点与梁的模型,分析加速度计的梁以及梁的连接处这两个应力集中部位的应力。其次,设计了带应力释放结构的锚点和带应力缓冲结构的梁。仿真结果表明,加速度计的锚点设置应力释放结构后,锚点与梁的连接处由过载产生的最大应力减小了约51%,梁上以及梁和结构连接处的热应力分别减小了约37%和38%。经过优化设计后,梁对敏感方向的抗过载能力提升最明显,梁与结构连接处的最大应力由约1 915 MPa减小到了约1 547 MPa,减小了约19%。实验结果表明,经过锚点与梁的优化设计后,加速度计的梁以及梁的连接处所受应力大大减小,提高了加速度计的性能和可靠性。

MEMS扭转疲劳试验装置设计研究

设计了一种平行板电容驱动MEMS扭转疲劳试验装置。通过理论分析和有限元分析两种方法去预测该装置的吸附电压,并将所得结果进行对比,证明两种方法具有一致性。最后通过对比试验结果与理论计算结果证实了该理论分析方法的有效性。同时也就证实了有限元分析方法的有效性。通过有限元分析得到的疲劳试样应力分布情况表明该装置可以达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平。

O型MEMS平面微弹簧弹性系数研究

对封闭O型MEMS平面微弹簧建立力学分析模型,用卡氏第二定律和胡克定律推导出这种平面微弹簧弹性系数的计算公式,并用ANSYS进行有限元仿真,仿真结果表明,两者的相对误差低于2%。在计算公式和仿真的基础上,研究了各种结构参数对弹性系数的影响规律,结果表明,弹性系数随节数和弯半径的增大而减小,随梁宽和厚度的增大而增大。研究结果为其他封闭结构的MEMS平面微弹簧的分析和设计提供了一定的借鉴。

一种微纳跨尺度一体化的MEMS矢量水听器

随着水下消声技术的发展,水下目标探测难度越来越大,单个水听器难以实现有效探测,需组成水听器阵列,而现有微电子机械系统(MEMS)矢量水听器存在粘接纤毛一致性相对较差、阵列应用相对困难等问题。设计了一种微纳跨尺度一体化MEMS矢量水听器。根据理论与有限元仿真分析,确定了在满足水下探测频率20~1 000 Hz使用条件下的MEMS矢量水听器的基本尺寸,并对该水听器进行了微纳跨尺度一体化加工流程设计,通过一体化加工工艺方式,加工出硅纳米线作为敏感压阻单元,使该水听器压阻达到约1.2×104Ω,相比现有水听器压阻的阻值有了明显的提高,并对硅纳米线压阻进行了压阻系数测试,结果表明一体化工艺加工出的硅纳米线比传统体硅压阻系数提高了3~4倍。同时该工艺将硅纤毛与二氧化硅梁集成在一起,减少了粘接过程存在的对准精度与一致性差的问题,为MEMS矢量水听器发展提供了一个新的研究方向。

MEMS压电式矢量水听器仿真与结构优化

针对微机电系统(MEMS)矢量水听器灵敏度低的问题,该文主要采用有限元频域分析法对一种新型结构的MEMS压电式矢量水听器进行了仿真与结构优化。对于一种新型具有U形槽悬臂梁结构的加速度灵敏度随压电层厚度或频率的变化进行了研究,优化了结构参数,提高了灵敏度。结果表明,当硅梁厚为16μm,压电层厚为硅梁的51%时,可使结构的加速度灵敏度达最大。与单臂悬臂梁结构相比,双U形槽结构的加速度灵敏度及相应的矢量水听器灵敏度提高了11 dB。

基于MEMS的Ⅴ型硅电热执行器设计与制备

基于Ⅴ型电热执行器执行力大、输出位移小的特点,设计了单个Ⅴ型电热执行器,对其温度分布和位移进行理论计算及ANSYS有限元分析,并利用柔性杠杆原理设计了具有位移放大结构的阵列式Ⅴ型电热执行器,采用微电子机械系统(MEMS)工艺在绝缘体上硅(SOI)片上完成Ⅴ型电热执行器的制备,并搭建静态性能测试和动态性能测试平台。测试结果表明,在17Ⅴ驱动电压的激励下将阵列式Ⅴ型电热执行器的位移从约12.6μm放大到178.089μm,15 ms内达到稳定的工作状态,具有位移幅度大、响应时间短的特点。

ZnO薄膜硅微压电矢量水听器

提出了一种基于ZnO压电薄膜的硅微压电矢量水听器,其核心部件是利用微电子机械系统(MEMS)技术制作的悬臂梁结构压电加速度计。由近似解析和有限元分析,得出加速度计的灵敏度和谐振频率,并在此基础上对其进行了优化设计。研制了MEMS压电加速度计,并装配后构成MEMS矢量水听器。测试结果表明:加速度灵敏度在20~1,200 Hz范围内约为0.83 mV/(m/s^2)。经过液柱法测量,在1 kHz时,MEMS矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5 dB(ref.1V/μPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB以上。

曲率测量技术在微机电系统薄膜残余应力测量中的应用

在比较曲率测量技术常用的Stoney公式及其修正式的基础上,利用有限元分析方法,建立薄膜/基底结构的有限元模型,给出一种薄膜残余应力的等效施加方法,从两个方面详细分析并对比这两个公式在微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)薄膜残余应力测量中的检测精度。仿真及分析结果表明,修正后的Stoney公式在很大程度上提高薄膜残余应力的测量精度,使曲率测量技术的适用范围得到较大扩展。但是当薄膜厚度接近于基底厚度或结构处于大变形状态下,修正式的计算精度也将受到较大影响,此时可以采用有限元分析方法来获得临界状态值,以提高残余应力的检测精度。同时,通过有限元分析,证实曲率测量技术应用中存在的另一个问题,即曲率的空间分布不均匀性现象。

非重叠Mortar有限元法在电磁分析中的应用

Mortar元法(mortar element method,MEM)是一种新型区域分解算法,它允许将求解区域分解为多个子域,在各个区域以最适合子域特征的方式离散。在各个区域的交界面上,边界节点不要求逐点匹配,而是通过建立加权积分形式的Mortar条件使得交界面上的传递条件在分布意义上满足。Mortar有限元法(mortar finite element method,MFEM)将MEM和有限元法(finite element method,FEM)相结合,在各区域中分别使用FEM网格离散,区域的交界面上通过施加Mortar条件实现区域间的自由度连续。该文阐述了非重叠Mortar有限单元法(non-overlapping MFEM,NO-MFEM)的基本原理,介绍了NO-MFEM的程序实现过程,使用NO-MFEM对2维静磁场问题和3维静电场问题进行了计算,并与FEM模型结果进行对比,验证了该文方法的有效性。将NO-MFEM应用于电磁分析,丰富了电磁场数值计算理论,为运动涡流问题和大规模问题的分析提供了新的选择。

激光微加工电热微夹钳设计与FEA仿真

选用厚度为12.5μm的镍箔,采用激光微加工技术制备尺寸为2.8 mm×1.4 mm×0.0125 mm的微夹钳。其每一对级联元件由一系列致动单元组成,而每个致动单元由一个制约器和两个呈半圆形的动作梁构成,其驱动原理是电热效应。运用有限元分析(FEA)仿真了微夹钳的动态性能,对其动态性能进行了实验测试。测试结果表明,当电压为1.9 V时,最大位移量达到28.8μm,延迟时间小于200 ms。

热温差型微流量传感器的温度补偿方法研究

热温差型微流量传感器的性能受多个因素的影响,如环境温度的变化、供电电源的波动、加热电阻的冷却和导线电阻的引入等。通过ANSYS软件对环境温度及加热电阻温度的改变进行了有限元仿真,发现当两者的温度差值为恒定值时,传感器的输出信号偏差较小。从环境温度与加热电阻温度差值恒定的思路出发,结合目前补偿方法存在的不足——导线引入误差、环境温度检测电阻的自热效应使其检测出错误的环境温度、加热电阻受被测流体冷却后使测量发生偏差以及供电电源波动的影响等,提出了一种可行的补偿方案,包括对前端信号采集电路的优化和后续单片机电路的设计,使影响流量传感器测量性能的诸多因素被削弱,且控制也更灵活。通过分析验证,在相同测试条件下,所提出的方法比常用补偿方法的测试精度高出约1.2%,误差为0.2%。

微机电系统中基于模态展开和边界元法的静电-结构耦合高效分析方法

为了提高微机电系统中静电-结构耦合数值计算速度,提出了一种新的针对微结构小变形的静电-结构耦合高效率数值计算方法。该方法将用于结构分析的微梁线性方程与用于静电场分析的边界积分方程相结合,微梁方程部分用标准的模态分析法处理,静电边界元方程则采用边界元法处理,并且将边界元方程用Taylor级数在微梁未变形的位置展开,以使静电计算能在微梁未变形的位置进行。同以往的常规算法相比,当微结构变形微小时,使用该方法,微结构变形后的面电荷密度可以在微结构未变形中计算,从而大大提高了静电-结构耦合数值计算效率。将该方法的计算结果与已有的文献计算结果和ANSYS的计算结果做了对比,验证了本方法的正确性,并且计算效率有显著提高。

基于谐振原理的微机械疲劳试验装置的研究

设计出一种基于梳状驱动器原理的静电力驱动的微机械疲劳试验装置,该装置可由典型的表面牺牲层标准工艺制作。对所设计的MEMS(micro-electro-mechanical system)疲劳试验装置中的圆弧梳状驱动器的电容及静电驱动力进行理论分析,并采用ANSYS机电耦合单元对装置的振动过程进行模拟,模拟结果与理论分析相吻合。研究结果表明在一定范围交流电压的驱动下试样能达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平,并对该电压范围进行预测。

一种微机械有限元仿真的多重网格预处理方法

在微机械结构设计中常用有限元方法进行仿真,然而,通用的三维有限元仿真算法在进行有限元分析时耗时较长,影响了仿真效率。针对常规MEMS工艺仅有二维成形能力的特征,提出了将二维多重网格方法融入条件共轭梯度法的预处理的方法。并以一种"三明治"式微加速度计的ANSYS模态分析为具体算例,提出了用多重网格思想对网点分布进行插值以求在不太提高条件数的情况下提高对这类低频非局部振型的模态分析问题的求解精度的二维预处理算法。所提出的多重网络的网络划分预处理算法将预处理前后的同精度分析计算时间由206 min减少到38 min,但相对精度从0.018%降低到了0.038%。这种算法可用于二维成形结构的静力分析和模态分析并提高设计效率。