高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器

开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器.在悬臂梁上面实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构.与通常的一阶模态谐振传感器不同,为了显著提高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率,提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法.在悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路,实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同时反方向驱动.研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作,并研制出了高性能的谐振传感器闭环接口电路.在空气中进行谐振实验,与传统一阶模态传感器相比,采用该优化驱动的二阶模态,谐振品质因数从195提高到857,谐振频率从49.156提高到298.132kHz,采用Allen方差的方法对谐振频率噪声进行分析,表明该优化驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从0.17改善到0.029pg,达到了4个痘病毒的质量分辨水平.     

电磁驱动电容检测微机械陀螺的设计

介绍了一种电磁驱动电容检测微机械陀螺的结构和工作原理.该陀螺的突出优点在于驱动和检测采用了相互独立的折叠梁和振动质量,故驱动和检测间的耦合大大地减小.本文从理论上分析了折叠梁结构参数对振动模态频率的影响,并针对初步确定的结构尺寸,利用COVENTER WARE软件进行了静力学和动力学分析,对理论计算结果进行了验证.     

微机械悬臂梁中的机械噪声机制分析

本文采用能量统计分布方法研究微机械悬臂梁的噪声模型,对热机械噪声理论模型进行了拓展和修正,使之适用于低温和高频条件.研究了温度、压力和频率对热机械噪声、温漂噪声和吸附-脱附噪声的影响.根据研究结果对静态检测悬臂梁和动态频率响应悬臂梁传感器进行了具体分析.对于静态下工作的微机械悬臂梁,振幅的随机变化取决于热机械噪声.对于工作在谐振状态的微米尺度悬臂梁,在室温常压下热机械噪声是主要的噪声机制;当尺寸进一步缩小至纳米尺度时,表面效应变得显著,吸附-脱附噪声成为主要的噪声机制.基于对不同情况下噪声特性的分析,对微机械悬臂梁传感器的优化设计规则进行了探讨.     

具有力感知功能的四臂式MEMS微夹持器研制

为了解决夹持器小型集成化、夹持力可控的问题，本文采用体硅加工技术成功的研制了一种基于单晶硅的、具有微力检测功能的新型四臂式MEMS微夹持器。以压阻检测技术为基础，利用MEMS侧面压阻刻蚀工艺将力传感器集成在微夹持器的夹持臂末端，实现夹持力的微力检测。采用有限元软件对微夹持器机构和传感器弹性体进行分析。S型柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化为夹持臂末段的转动，结合四臂式的末段结构，有效的扩展了夹持器的夹持范围。利用硅玻璃键合技术实现夹持臂的电隔离，通过施加80V电压，夹持臂的单臂运动范围为25靘，夹持器的夹持范围30-130靘。实验标定出传感器的最大量程在1mN以上，分辨率为3霳，可以实现夹持力的有效反馈。     

一种新结构硅微机械压阻加速度计

设计、制造并测试了一种新结构硅微机械压阻加速度计.器件结构是悬臂梁-质量块结构的一种变形.比较硬的主悬臂梁提供了一定的机械强度,并且提供了高谐振频率.微梁很细,检测时微梁沿轴向直拉直压.力敏电阻就扩散在微梁上,质量块很小的挠动就能在微梁上产生很大的应力,输出很大的信号.5 V条件下,灵敏度为14.80 mV/g,谐振频率为994 Hz,分别是传统结构压阻加速度计的2.487倍和2.485倍.加速度计用普通的N型硅片制造,为了刻蚀高深宽比的结构,使用了深反应离子刻蚀(DRIE)工艺.     

服务于微电子产业的MEMS新技术

UV-LIGA技术是MEMS微细加工中一种非常重要的技术.结合厚胶工艺,可以利用金属电镀的方法制作出各种金属MEMS结构.UV-LIGA技术一方面由于其低温的特点可以很好的与后COMS工艺兼容,被用在片上集成高性能射频无源器件方面.另一方面,还可以将金属电镀工艺与硅微机械技术相结合,制作出用于圆片级测试的微机械探卡.文中主要介绍这种有产业前景的技术及其在器件制作上取得的成果.     

自组装单层膜模板控制生长氧化亚铜晶体及其对DMMP气体的检测

使用了一种在自组装单分子层(SAM)模板衬底上由电化学氧化-还原自发生长的方法, 择优取向生长氧化亚铜(Cu₂O)微晶. 通过扫描电子显微镜和微区XRD等方法对合成的Cu₂O晶体进行了形貌和结构表征. 结果表明: 合成的样品为立方结构的Cu₂O晶体, 且形貌、取向和颗粒尺寸得到了有效控制, 此结果可归结为SAMs对电化学氧化-还原过程的影响和结晶过程中的模板效应. 利用该方法, 将Cu₂O晶体生长于静态式微悬臂梁的表面作为敏感层, 制得了一种新型的化学传感器. 基于Cu₂O晶体表面的Cu(I)与DMMP (甲基膦酸二甲酯, 沙林模拟剂)分子中的膦酰基团之间存在的配位作用, 该传感器可对几十ppb的DMMP重复响应.     

全方位抗过载的压阻式三轴加速度计

针对加速度计在碰撞中过载失效的问题,提出了一种基于SoI的具有抗过载能力的压阻式三轴集成加速度计。加速度计采用三质量块结构,利用深反应离子刻蚀(DRIE)释放出来的间隙实现横向过载保护,同时利用SoI片,在硅〈100〉平面上通过KOH腐蚀硅〈110〉补偿条形成凸角实现纵向过载保护。封装后的加速度计利用激振台和落锤法进行了测试。测试结果表明:加速度计的三轴灵敏度分别为2.56,2.54,2.05 mV/gn,分辨率分别为0.53,0.87,0.77 mgn,三轴方向均具有超过3000 gn的抗过载能力。     

用于痕量胺类同系物检测的谐振式微悬臂梁传感器

采用化学修饰法,将酸性羧基基团嫁接于高比表面的积的SBA- 15介孔材料中,然后将该功能化介孔材料负载于集成谐振式微悬臂梁表面,制得一种高性能的挥发性胺类同系物传感器.胺类分子的吸附将导致质量型微悬臂梁传感器谐振频率的下降,传感器检测下限可达ppb量级.对一系列胺类同系物的检测结果表明,胺类分子在羧基功能化介孔表面的吸...     

超薄硅纳米谐振梁的制作及谐振特性的测量

利用氧化、光刻、刻蚀、溅射等传统MEMS加工工艺,在绝缘衬底上的硅（SOI）基片上制作出一种厚度只有50nm的双端固支结构的硅纳米谐振梁;在实验室条件下,针对实验中谐振梁的结构特点,提出了静电激励与感生电动势检测（EMF）的测量方法,并利用专业的Conventorware MEMS仿真软件及ANSYS有限元分析软件,定量地给出合适的静电驱动电压,同时初步估算了梁谐振时将会产生的感生电动势的大小,并对此分析结果提出了相应的测试电路,为下一步对这种超薄纳米梁的实际测试工作提供了可行性的理论参考．