SOC片上系统、MEMS微机电系统和Smart Dust智能微尘

SOC片上系统在国民经济与社会生活中,许多行业生产了所需求的产品。MEMS微机电系统和Smart Dust智能微尘的出现,不但使生产、生活产生了变化,同时会使人类哲学思想发展,产生与时俱进的变化。

微机电系统(MEMS)磨损的分形分析

基于M-B分形磨损模型,建立微机电系统(MEMS)表面磨损率与分形维数之间的关系,对MEMS表面的磨损规律与表面特性进行相关分析。结果表明,分形维数对MEMS表面磨损率的影响具有一定的规律性,当分形维数在某一范围时,磨损率随着分形维数的减小而迅速增大;当分形维数为1.5时,磨损率达到最小值。当分形维数一定时,磨损率随着尺度系数、磨损概率常数的增大而增加,随着MEMS材料性能参数的增大而减小。当其它影响参数保持一定时,磨损率随着MEMS表面接触面积的增大而增加。

微机电系统(MEMS)与纳机电系统(NEMS)

微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)是微米/纳米技术的重要组成部分.MEMS已经在产业化道路上不断发展,NEMS还处于基础研究阶段.本文强调了制造技术是微/纳机电系统发展的基础,在简单地介绍了典型的MEMS和NEMS器件和系统后,讨论了MEMS和NEMS发展中的几个问题和MEMS和NEMS的发展前景.

微机电系统(MEMS)在施药中的应用

探讨微型生物传感器和药液贮囊容器单元植入体内,用一无线集成系统能控制药物的释放。接收传感器接收并反馈信号,可同时进行治疗药剂注射及组织采样等作业。本文主要介绍了MEMS(NEMS)技术在施药系统中的应用,并且对其发展给予了展望。

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。

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。

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%。

基于MEMS声发射传感器的齿轮故障检测系统

声发射传感器广泛应用于装备实时健康检测,而传统使用的压电陶瓷换能器存在体积大、能耗高、难集成及成本高等问题,因此设计了基于ScAlN的六边形压电薄膜声发射传感器。该传感器的体积为Φ18 mm×6 mm,在40~500 kHz带宽内,其表面波和纵波灵敏度均高于60 dB[Ref.V/(m/s)]。通过匹配层设计和封装后,搭建了齿轮故障检测系统,能有效区分正常齿轮和断齿信号。测试结果表明,基于微机电系统(MEMS)的压电薄膜声发射传感器可同时兼顾高灵敏度和微型化,在齿轮故障诊断方面具有较高的可靠性和准确性。

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。

基于MEMS电场传感器的直流验电器系统设计

为了对高压直流输电(HVDC)的传输线进行可靠的带电状态检验,提出并设计了一种基于微机电系统(MEMS)电场传感器的非接触式直流验电器系统。MEMS电场传感器用于测量DC电场。为了实现对电场信号的采集和处理,设计了以32位嵌入式微处理器为核心的非接触式直流验电器系统。通过声光预警模块实现有电提醒,简化验电作业的操作复杂性。该系统的应用可以准确检测直流输电线路的带电状态信息,并在检测到输电线路带电时及时报警,具有操作简单,抗干扰能力强,电池寿命长达23 h的特点。

MEMS压电-磁电复合式振动能量采集器

具有高能量输出密度的自我供电振动能量采集技术有着迫切的应用需求,是智能化MEMS器件系统发展的重要方向。研究了一种可将外界环境振动能转化为电能的MEMS压电-磁电复合振动能量采集器,其综合了压电发电和磁电发电的优势,为新型MEMS供电研究提供了新思路。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PZT)压电功能薄膜的制备,采用MEMS加工技术完成器件四悬臂梁-中心质量块基础结构的设计和制作,结合集成封装技术实现微结构与永磁铁的微组装。测试结果表明:在一阶谐振频率247 Hz,10 g加速度激励的振动状态下,器件压电部分压电敏感单元与磁电部分电感线圈的单位体积最大有效输出电压分别为2.066×107和5.002×106 mV/cm3。

MEMS电容式超声传感器设计

在传统的电容式超声传感器(CMUT)制造过程中,用低压化学气相淀积技术形成的氮化硅薄膜残余应力大且机械性能难以预知。为此,设计了一种基于阳极键合技术的CMUT,传感器薄膜和空腔分别定义在均匀性好、残余应力低的SOI片和玻璃片上。建立了一个简化的分析模型对该结构进行机械性能分析,采用有限元分析软件ANSYS仿真验证该所建立的分析模型并预估传感器的性能。利用ANSYS静电-结构耦合仿真给出了塌陷电压。介绍了敏感单元的工艺流程。所设计的传感器频率为1.48 MHz,灵敏度为0.24fF/Pa,塌陷电压为70V,量程为48kPa。

基于压电效应的MEMS振动式微能源器件

设计了一种硅基压电功能材料的四悬臂梁-中心质量块结构MEMS振动式微能源器件,可将环境振动能量有效转化为电能。采用溶胶-凝胶法制备硅基锆钛酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3,PZT)压电功能薄膜,经干/湿法刻蚀和溅射沉积等MEMS工艺实现器件功能结构的制备。研制的器件整体结构尺寸为7 000μm×7 000μm×300μm,单个PZT压电单元面积为0.149 6 mm2。将悬臂梁上4个压电单元串联以实现输出最大化,测试结果表明,器件的谐振频率为300 Hz,适于低频振动环境;输出电压在一定范围内随加速度增加而增大;在加速度为10 g时压电单元单位面积输出电压达1.19 mV/mm2。

微机电系统惯性电学开关的设计与制作

基于非硅表面微加工技术,给出了微机电系统惯性电学开关的一种新式设计,该设计采用两端悬空固定的多孔弹性梁作为固定电极,由连体蛇形弹簧连接悬空的质量块作为可动电极,可动电极位于支撑层和弹性梁之间,该结构在保证微开关具有足够灵敏度的同时,可有效提高两电极间的接触效果和器件的抗冲击保护。使用成本较低的多次叠层电镀镍的方法制作了设计的微型惯性开关,并对其元器件进行了试验测试,结果表明:开关在100g加速度作用下的响应时间和接触时间分别约为0.40ms和12μs,与有限元动力学仿真结果吻合较好,表现出较高的灵敏度和良好接触效果。

平面线圈型MEMS微电磁驱动器的理论分析与实验研究

介绍了一种平面线圈型电磁驱动的MEMS微驱动器,基于分段磁路的网络方程法,针对微电磁驱动器所采用的平面线圈的结构特点,比较了考虑磁动势的分布效应和传统的集总处理两种方法所建立的平面线圈微驱动器的非线性磁路模型.实验结果表明考虑线圈绕组半径不同而产生的分布效应可以为平面线圈型微驱动器建立可靠的模型,便于定量分析微驱动器结构物理参数对于磁通分布和电磁力的影响,从而为进一步优化设计该微电磁驱动器提供了理论分析依据.

小量程MEMS电容式压力传感器的研究与发展

介绍了电容式传感器在小量程压力测量领域的优势和目前研制小量程MEMS电容式压力传感器的技术难点。从实现MEMS电容式传感器小量程压力测量的不同方法出发,详细论述了国内外的研究成果、关键技术及应用情况。最后分析总结了小量程MEMS电容式压力传感器的发展方向与挑战。

振动能量拾取MEMS压电式微能源研究

设计并制作了一种"四悬臂梁-中心质量块"结构的振动能量拾取微机电系统(MEMS)压电式微能源,实现了环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3,PZT)压电薄膜的异质集成制备;然后通过MEMS工艺和引线键合技术进行器件基础结构的集成制造;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,8Hz谐振频率工作状态下,该压电式微能源器件的输出电压峰-峰值随着加速度激励的增加呈线性增大,当加速度激励为10 m/s2时,该能量采集器件的输出电压峰-峰值为82.4mV。在器件两端加载2.0 MΩ的负载时,器件输出功率密度达最大值(为2.074 3μW/cm3)。

微机电系统磨损特性研究进展

对微机电系统,尤其是微旋转机械的磨损研究现状进行评述,介绍M EM S及微旋转机械中的各种磨损问题,分析材料和不同工况(表面粗糙度、环境以及载荷)等条件对M EM S及微旋转机械磨损性能的影响,介绍不同形式的磨损模型、分析方法与检测仪器,并对相关领域的研究进展进行展望.

微机电系统关键技术及其研究进展

微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域,集约了当今科学技术发展的许多尖端成果,在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医学、自动控制、国防军工等领域应用前景广阔。该文介绍了微机电系统发展的背景与基础理论研究,综述了微机电系统所涉及的器件设计、制作材料、3大加工工艺(硅微机械加工、精密微机械加工与光刻、电铸和注塑(LIGA)技术)、微封装与测试等关键技术,总结了微机电系统在微纳传感器、微执行器、微机器人、微飞行器、微动力能源系统、微型生物芯片等方面的典型应用,最后指明了MEMS技术的发展趋势,有望在近几十年将大量先进的MEMS器件从实验室推向实用化和产业化。

微机电系统光学组件的系统级建模

为提高微机电系统(MEMS)中光学系统整体仿真的准确性和效率,解决光学组件系统级建模存在的问题,提出了一种光学组件系统级建模方法,该方法可同时支持与MEMS系统级机械组件和电路组件共同仿真。首先,介绍了多端口组件网络方法、高斯光束特点和空间坐标系变换理论。接着,以微平面镜为例,介绍了光学组件系统级建模方法的流程。最后,采用Verilog-A硬件描述语言建立了包含多个典型光学组件的系统级光学库。使用该库的光学组件在MEMS集成设计工具MEMS Garden中搭建微扫描系统进行了仿真与测试。与商业软件CoventorWare的分析结果相比,提出的建模方法解决了扫描盲区问题,且非差分电压分析的误差小于3%。结果显示,本文提出的建模方法精确有效,对MEMS的系统级设计有参考价值。