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。

粒子群优化算法在MEMS压力传感器电桥电阻计算与零偏补偿中的应用

采用粒子群优化(PSO)算法对微机电系统(MEMS)压力传感器电桥电阻进行了优化设计和验证。基于PSO算法的基本原理,建立电桥参数模型,充分利用冗余的测量数据配置优化条件,通过迭代运算得到了传感器惠斯通电桥电阻数值解,并将其作为零偏补偿的依据。然后根据计算和测试结果进行了零偏补偿,对补偿后结果进行了验证。结果表明,计算输出零偏值与实测输出零偏值之间的相对误差<1%;补偿后传感器的零偏值控制在0.5mV以内,实测零偏满量程误差≤0.1%。研究证明采用该算法模型可有效计算出MEMS压力传感器的电桥电阻参数,基于其计算结果的补偿方案可提升传感器电桥精度。

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。

一种基于压电驱动的扭转式MEMS电场传感器设计与仿真优化

电力传感技术是实现新型电力系统数字化转型的关键,其中电场参量是重要的监测对象之一。提出一种基于压电驱动的扭转式微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)电场传感器。该微机电系统电场传感器的通过驱动结构带动屏蔽电极在感应电极表面周期性振动实现电场的调制测量。其压电驱动结构为4个对称分布的L型压电悬臂梁,屏蔽电极和感应电极为两对交错耦合的梳齿电极构成。接着通过COMSOL仿真软件建立了结构的固体力学-静电耦合模型,计算了敏感结构的谐振频率和振动幅值。结果显示:结构的工作模态下的谐振频率可达到25047 Hz,在3 V的交流驱动电压下屏蔽电极末端位移为85.06μm。进一步通过参数扫描方式对敏感结构的关键参数进行仿真分析。优化了梳齿电极的长度、宽度、间距、个数等参数以及感应电极长度、感应电极宽度、梳齿电极的个数和感应电极间距。最后完成了传感器的测试。测试结果表明:该传感器的灵敏度为3.24 mV/(kV/m),测量误差最大仅为3.75%。

面向MEMS质谱仪离子源的场发射针尖阵列研制及性能

针对微电子机械系统(MEMS)质谱仪应用中对高工作气压和高电子电流的需求,同时保持MEMS技术在体积和质量上的优势,研制了一种用于MEMS质谱仪离子源的基于场发射原理的针尖阵列。通过MEMS加工技术实现了最大44个/mm^(2)的针尖密度,并在4和6英寸(1英寸=2.54 cm)的硅基晶圆上完成平行批量制造。实验结果显示,1600个针尖组成的阵列在3.4×10^(-3)Pa气压下最大发射电流达到1.28 mA,在23.71 Pa的气压下达到92.93μA,同时单片集成结构使其具备与永磁体结合的放电增强能力,磁场下针尖阵列的最大放电电流提升175.79%。初步的测试结果证实了场发射针尖阵列作为离子源在MEMS质谱仪中的应用潜力。

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。

用于海洋三维温度场监测的MEMS温压一体式传感器

海水温度和深度信息的采集在水文、气象、渔业、生态保护等领域具有重要意义。基于微机电系统(MEMS)技术研制了一种用于海水温度及深度检测的温压一体式传感器。该传感器采用双面设计,利用薄膜式铂电阻传感单元和压阻式压力传感单元分别检测温度和深度信息。两种传感单元均可通过MEMS工艺进行制作,且制作工艺互相兼容,因此,该传感器具有尺寸小、易于大批量制造、可与CMOS集成等优点。经对该传感器性能进行测试,温度传感单元在0~40℃范围内的电阻温度系数为0.27%/℃,测量精度为±0.04℃,同一批次样品电阻温度系数标准偏差为±0.0049%/℃;压力传感单元的量程为0~10 MPa,在该量程范围内其有良好的线性度(R^(2)=0.9993)、灵敏度(14.14 mV/MPa)和批量一致性(灵敏度的标准偏差为±0.896 mV/MPa)。此外,利用温度传感单元信号对压力传感单元在不同温度下的输出电压进行温度-压力解耦,解耦后压力传感单元在5~35℃温度范围内的最大相对误差由8.42%降低至1.07%。开发的MEMS温压一体式传感器满足了海水温度和深度检测的性能需求,有望解决海洋三维温度场监测的难题,在海洋环境保护和水文信息采集等领域有着广泛的应用前景。

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。

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。

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。

采用菱形辐条的高对称MEMS蜘蛛网状盘式谐振陀螺仪

微电子机械系统(MEMS)陀螺仪因抵抗制造误差能力差和品质因数低等问题限制了其在高端领域的应用。通过对MEMS陀螺仪的理论分析和有限元仿真,基于绝缘体上硅(SOI)工艺设计并制备出了一种由多个同心嵌套的蜘蛛网环和菱形辐条组成的新型MEMS盘式谐振陀螺仪。实验结果表明,该陀螺仪的驱动谐振频率为42.749 kHz,感应谐振频率为42.798 kHz,频率失配为1.145×10^(-3),实测谐振频率与仿真结果差异为8.5%,优于采用相同工艺制作的环形盘式谐振陀螺仪。该MEMS陀螺仪不仅性能优异、工艺流程简单,而且由于采用全线性结构,所以对制造误差也相对不敏感,适合批量生产,具有较高的产业价值。

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。

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技术的离子门设计与制备

为了提高小型离子迁移谱仪分辨率,基于微电子机械系统(MEMS)技术设计并制备了Bradbury-Nielsen(BN)离子门。首先简要介绍离子迁移谱仪原理及结构,其次通过SIMION软件对漂移管进行建模,利用统计扩散模拟(SDS)多物理场的仿真程序模拟离子团在漂移管中的运动情况。根据理论分析和有限元数值仿真研究了BN离子门电极丝参数对离子迁移谱仪性能的影响,并确定参数的优化值为:电极丝间距200μm、直径20μm。最后根据工艺条件设计了适用于小型离子迁移谱仪的MEMS离子门,并绘制了相应的掩模版图形。在此基础上详细阐述了采用剥离工艺和深反应离子刻蚀(DRIE)工艺基于4英寸(1英寸=2.54cm)绝缘体上硅(SOI)晶片制备MEMS离子门器件的方法,对比了样品电极丝参数的设计值和测量值,并验证器件的平整度。

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。