大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的设计与研究

分析了MEMS静电梳齿驱动工作原理,以梳齿结构和弹性梁结构为基础,综合考虑了动态特性、可靠性以及加工工艺可行性要求。提出了非等高结构、变形曲臂梁结构、位移放大驱动器、垂直Z向位移静电梳齿驱动器等四种大尺度、低电压驱动线性MEMS静电梳齿驱动器结构设计。利用CAD采用FEA法分别建模、仿真,进行了大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的动态与静态的研究,并获得20V直流偏置、位移80～130μm、驱动器面积小于2mm×2mm的结果。     

低驱动电压的压缩式大周期可调谐光栅

设计并制作了一种周期可调谐的MEMS光栅,为了获得大的周期调谐比、减少不稳定性和提高光栅性能,采用了带预弯曲折叠梁结构的大位移梳齿驱动器来压缩光栅条,实现周期调节。实验结果表明,在37V电压下,光栅整体被压缩144μm,光栅周期可从16μm连续调节至14μm,对应的周期调谐比为12.5%。用波长为632.8nm的He-Ne激光测试了光栅的衍射性能,一级衍射光最大调谐角度为0.34°,光栅在中红外区的反射率超过92.6%。该光栅制作工艺简单,易于集成,可应用于中红外光谱仪。     

大位移低电压的静电MEMS驱动器

制作了一种低驱动电压、位移达100μm的梳齿驱动器.为了增加驱动器的驱动位移,对驱动器的侧向稳定性进行了分析.根据分析结论,提出了一种采用小梳齿间隙,高纵/横向弹性常数比预弯曲支撑梁,无初始交叠、梳齿长度线性递增的梳齿驱动器.根据稳定性以及驱动位移和驱动电压的设计要求设计了驱动器的具体参数,并进行了器件制作.测试表明,器件共振点在573Hz,Q因子为35.88,在100μm位移时驱动电压为71V,与理论计算值相差2.1%.     

大位移低电压的静电MEMS驱动器

制作了一种低驱动电压、位移达100μm的梳齿驱动器. 为了增加驱动器的驱动位移,对驱动器的侧向稳定性进行了分析. 根据分析结论,提出了一种采用小梳齿间隙,高纵/横向弹性常数比预弯曲支撑梁,无初始交叠、梳齿长度线性递增的梳齿驱动器. 根据稳定性以及驱动位移和驱动电压的设计要求设计了驱动器的具体参数,并进行了器件制作. 测试表明,器件共振点在573Hz, Q因子为35.88,在100μm位移时驱动电压为71V,与理论计算值相差2.1%.     

新型磁驱动增大检测电容的高精度MEMS惯性传感器研究

增大传感器振子的质量和静态测试电容可以减小电容式MEMS惯性传感系统的噪声,而深度粒子反应刻蚀工艺由于复杂的工艺原因,当深宽比较大时,不能刻蚀出大质量和大初始电容的传感器.据此,本文研究了一种磁驱动增大检测电容的MEMS惯性传感器,通过电磁驱动器,传感器的静态测试电容可以大幅增加,在梳齿电容上刻蚀阻尼槽后,其机械噪声达到0.61μg每根号赫兹,仿真其共振频率为598Hz,静态位移灵敏度为0.7μm每重力加速度,基于硅 玻璃键合工艺,制作了栅形条电容式惯性传感器,并用电磁驱动的方式测试其品质因子达到715,从而验证了制作工艺的可行性和电磁驱动器改变传感器初始静态测试电容的可行性.     

基于MEMS静电微镜驱动器的光纤相位调制器

设计并制作出了一种基于MEMS静电微镜驱动器的光纤相位调制器。MEMS静电驱动器采用垂直梳齿驱动技术,驱动硅微反射镜沿其法线方向的垂直平移运动以实现入射光波的光相位调制。MEMS静电微镜驱动器与光纤准直器耦合构成MEMS光纤相位调制器,避免了拉伸光纤或改变折射率的困难,具有MEMS技术批量制造、低成本等优势。采用MEMS工艺成功制作出MEMS光纤相位调制器,并实现Michelson光纤干涉仪。利用ASE宽带光源对光纤相位调制器的静态调制特性进行测试,采用Michelson光纤干涉仪对光纤相位调制器的动态调制特性进行测试,结果表明,MEMS光纤相位调制器50V偏压实现了1 550nm光波的2π相位调制,当器件谐振频率为7.15kHz以及交、直流电压幅值分别为12.5V时,响应幅值可达6.8μm,可以实现多个2π的相位的正弦调制。     

双层亚波长光栅微位移传感系统结构优化设计与性能仿真

随着MEMS惯性传感器件对微位移检测精度的要求越来越高,微位移检测技术已经成为MEMS惯性传感领域的研究热点。亚波长光栅以其超高的位移检测灵敏度成为一个极具发展前景的高精度位移传感平台。利用Rsoft软件模拟分析了双层亚波长光栅共面、离面相对运动时系统零级衍射光透射率与光栅位移量之间的关系及系统关键结构参数对位移检测灵敏度的影响,并对这两种亚波长光栅微位移传感系统进行了结构优化与性能仿真及对比,理论验证了亚波长光栅位移检测的高灵敏度优势。     

静电梳齿驱动器薄膜变形反射镜

提出一种大冲程静电梳齿驱动器微机械薄膜变形反射镜,理论上研究了静电梳齿驱动器微机械薄膜变形反射镜的静电驱动力和变形位移与驱动电压的关系,分析了变形反射镜的驱动稳定性,比较了平板电容驱动器与纵向梳齿驱动器的驱动能力.结果表明,变形反射镜的静电驱动力和变形位移没有关系;在相同的面积下,纵向梳齿驱动器的驱动力比平板电容驱动器的驱动力大很多.     

多晶SiC梳齿驱动器的模态分析

碳化硅以其优异的电学、机械和化学性能成为极端条件下MEMS器件应用的首选材料。梳齿驱动器的固有频率是MEMS器件结构设计中的一个重要参数。采用有限元分析方法,对多晶SiC梳齿驱动器进行了模态分析,得到了前六个模态的固有频率,并与相同结构的硅基梳齿驱动器的固有频率进行了比较,计算结果与理论预言十分吻合。     

复合静电驱动结构致动的内旋转微镜

报道了以体硅表面硅混合微加工工艺制作在SOI衬底上的一种新型复合静电驱动结构致动内旋转微镜,其中复合静电驱动结构由一个平板驱动器和一个垂直梳齿驱动器构成.实验表明,该新型驱动结构不仅能使微镜实现大范围连续旋转,而且能使微镜实现吸合效应致自发性90°旋转.微镜的连续旋转范围扩大到约46°,同时引发吸合效应的拐点电压也增大.对于具有1和0.5μm厚扭转弹性梁的微镜,实测拐点电压分别为390～410V和140～160V.当该微镜用作光开关时,测得光插入损耗为～1.98dB.     

用于纳米操作的硅基集成式微型 xy 定位平台

针对纳米级定位平台小型化和高定位精度的要求,基于体硅工艺研制出一种集结构、驱动和位移检测一体化的集成式微型纳米级xy定位平台.采用体硅双面深度反应离子刻蚀(DRIE)技术释放出高深宽比的静电梳齿驱动器、检测梁及定位平台结构.由于定位平台属于面内运动,为了提高面内运动位移榆测的灵敏度提出了一种利用离子注入工艺和DRIE技术相结合制作检测梁侧壁压阻的方法.并利用该侧壁压阻工艺成功地把基于侧壁压阻式的位移传感器集成到微型xy定位平台上.实验测试表明,位移传感器的灵敏度优于1.17mV/μm,线形度优于0.814%,当驱动电压取30V时,定位平台的单轴输出位移可达±10/μm,并且定位平台x方向和y方向上的位移耦合量非常小;在空气条件下测得定位平台的一阶固有频率为983Hz.     

横向接触式RF MEMS开关

提出了一种横向接触式RF MEMS开关,采用金属叉指结构进行驱动。通过结构建模和性能仿真,对叉指结构进行了优化,提高了机械性能,减小开关的尺寸。通过加大横向接触面积,降低接触电阻,减小开关导通态的插损,提高了开关的射频性能。利用低温表面牺牲层工艺在砷化镓衬底上进行了开关的流片,通过工艺的改进最终得到满意的流片结果。测试结果表明:在DC-20GHz频率范围内,开关的插入损耗小于0.3dB,隔离度大于20dB。     

Su-8胶-金属复合材料电热微驱动器

针对以金属嵌入式Su-8光刻胶作为新型弯曲梁式微驱动器结构材料的特点,在仿真分析过程中,考虑了狭小空气间隙中热传导机制的影响。分析结果表明,器件的工作电压随着悬空高度的增加而降低;当悬空高度达到270μm时,可忽略热传导机制。在微加工工艺流程中,引入新的牺牲层材料,显著提升了工艺流程的兼容性和加工效果的稳定性。在此基础上研制的新型电热微驱动器实测位移由11.5μm增大至13.9μm,这一结果与传统多晶硅材料弯曲梁式微驱动器的驱动位移5μm相比有显著提高,而能耗亦从180mW降至21.6mW,器件性能得到改善。     

主动脉根部病变的外科治疗

对PZT厚膜驱动的微变形镜(DM)进行了结构优化设计.基于有限元方法(FEM),分析了结构中各个参数对变形镜性能的影响.优化结果表明,单元边长1.75 mm的驱动器,在最优参数下冲程可达2～5 μm@100 V,且加载镜面后驱动器的位移损失小于12%,带镜面负载能力强.根据优化结果制备了压电厚膜微驱动器阵列,驱动器的冲程可达4.5 μm@100 V,并与有限元方法的结果进行了分析比较.     

Novel VOA using in-plane reflective micromirror and off-axis light attenuation

A new off-axis light attenuation configuration combining with a movable reflective micromirror is proposed for variable optical attenuator (VOA) application. Comprehensive study of new comb drive actuators of a two-step structure is done to achieve large displacement of an actuated micromirror for VOA. The measured optical and electrical performances have proven this new design promising for practical applications.     

高性能超二代像增强器及发展

本文介绍了高性能超二代像增强器的技术特征及性能,并与普通超二代像增强器进行了比较,提出了进一步改进高性能超二代像增强器性能的技术途径。超二代像增强器是在二代像增强器基础上,采用新技术、新工艺和新材料而发展起来的,性能较二代像增强器有大幅提升。近年来,超二代像增强器由于使用了光栅窗,性能又有了进一步的提升。光栅窗的使用,增加了Na₂KSb光电阴极膜层的吸收系数,使阴极灵敏度达到1000 μA·lm-1以上,10-4 lx照度条件下的分辨力达到17 lp·mm-1以上。可以预计,通过进一步优化和改进Na₂KSb光电阴极膜层的制作工艺,同时进一步优化光栅窗的结构,提高光栅窗的增强系数,那么Na₂KSb光电阴极的灵敏度将会达到1350~1800 μA·lm-1,信噪比达到35~40;通过4 μm小丝径MCP以及3 μm光纤面板的应用,分辨力将会达到81 lp·mm-1以上。     

小型长波红外光栅光谱仪光学设计

光学系统是光谱仪微小型化的关键,光学设计的质量将直接影响微小型光谱仪的性能.针对长波红外光谱探测的具体应用,对比国内外各种方案,分析其优劣后提出一种基于交叉非对称切尔尼-特纳(Czerny-Turner)结构的小型光栅光谱仪.首先根据光谱仪基本原理和光学设计理论,分析系统的光谱分辨率、像差以及探测灵敏度.然后以小型化、低成本、要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对系统进行优化设计.最后在光学软件Zemax中进行模拟和优化.设计结果表明:该系统的光谱范围为8～14μm,光谱分辨率优于80nm,光学系统尺寸约为100mm×75mn×45mm,满足小型化要求.同时采用扫描光栅配合单通道探测器的方式降低成本.     

面向光接入网的光纤光栅传感数据数字化系统

利用现有的光纤通信网实现对光纤光栅传感网络的远程监控,既可以避免重新铺设传感信道,节约成本,又可以增加传感网组网的灵活性。提出了一种基于阵列波导光栅(AWG)的面向光接入网的光纤布拉格光栅(FBG)传感网传感数据数字化系统,系统能够快速实现对携带传感信息的FBG反射波长的数字化。分析了系统的工作原理及主要误差来源,并设计了传感数据成帧模块的结构及适于在光接入网中传输的传感数据帧结构。采用OptiSystem/Matlab协同仿真的方法对一个3×3光纤光栅传感网络进行了仿真实验,实现了在-50℃～100℃范围内精度为1℃的温度监测,能够满足日常温度监控需要。实验结果表明了该方案的可行性。