多晶硅梁疲劳损坏特性的研究

针对多晶硅的疲劳失效机理,人们已经提出了一些解释的模型.然而,到目前为止没有一种模型能够全面地阐述疲劳失效机理.本文旨在采用参量的渐变,如平均杨氏模量E,来反映MEMS多晶硅梁的疲劳.通过测试周期性载荷下双端固支梁结构的pull-in电压变化,确定杨氏模量E的变化,进而表征梁的疲劳失效状态.     

基于相图几何特征的夹芯梁蒙皮裂纹识别方法

通过分析主共振发生时,含蒙皮呼吸裂纹与无裂纹的金字塔型点阵夹芯梁的相图几何特征,提出一种基于相图几何特征的裂纹参数识别方法。首先,采用"像素法"计算相图面积,利用定义的"准标准差公式"描述含裂纹夹芯梁相图面积的相对变化量,并定义相图面积参量为含裂纹与无裂纹相图面积之差和准标准差的比值,分析了该相图面积参量随裂纹位置和裂纹深度的变化情况。然后,结合两个相图面积参量的等高线探测裂纹参数。数值算例结果表明,该方法能准确识别出结构的损伤位置和损伤程度。     

基于毗域动力学的机身蒙皮疲劳裂纹仿真

针对航空机身蒙皮结构疲劳裂纹损伤难以开展完整性评估的问题,研究了一种基于毗域动力学的裂纹演化模型,通过构建材料点对间的力函数,建立机身蒙皮结构疲劳裂纹演化的积分方程,给出二维机身蒙皮结构在载荷作用下的孔边疲劳裂纹扩展的计算格式,并结合层流理论对模型方程进行了修正.仿真结果表明,上述方法可以表征裂纹间的于涉效应,实现机身蒙皮结构疲劳裂纹的自发萌生及扩展过程.与扩展有限元方法相比,该方法避免了裂纹尖端的奇异性,在处理此类非局部问题上具有一定优越性.     

多晶硅双端固支梁高周循环下疲劳特性的分析

多晶硅固支梁是MEMS器件中较常见的可动部件,通过静电激励的方式对其进行疲劳振动加载;所用结构为面外运动结构,为了测试样品的加速疲劳特性,通过在固支梁面内引入缺陷的方式来增大应力水平值;器件在经历了1.72×1011次循环之后,微梁的谐振频率、振动幅度发生了较大偏移,其谐振频率的偏移量达到14.531 kHz,器件性能发生了严重的退化.研究结果表明,利用谐振频率的改变来表征材料性能的退化是一种准确、可行的方法,同时本文进一步分析指出,器件上引入凹槽缺陷的方法确实可起到加速疲劳的作用;可利用此方法制作不同应力水平幅度的结构进行振动载荷疲劳加载实验,从而得到固支梁结构疲劳加速因子.     

一种提高电容式力传感器线性度的结构设计

在MEMS电容式力传感器中,力被变换为电容的变化,再用电路检测电容的变化以反映力的信号。这种力-电容变换方式的一个缺点是在大量程下,由于电容变化量与极板位移之间的非线性,检测输出与被检测的力之间具有较为严重的非线性关系。本文提出一种用力-极板位移之间的非线性抵消极板位移-电容变化量之间的非线性的结构方式,用瑞利-里兹法计算了结构中具有"硬弹簧"特性的梁的受力与变形之间的非线性关系。实验结果表明,采用这种设计的结构非线性降低了约1/3。     

硅微电容式加速度计热致封装效应的层合分析

由封装结构热失配引入的应力和结构变形会对MEMS器件性能产生显著影响,即热致封装效应。为描述该效应,一种基于缩减刚度矩阵的层合板模型被用来对硅微电容式加速度计的封装进行了建模。利用经典层合理论,由计算封装热失配引入的应变和曲率得到敏感检测电容的温度特性,以此作为热致封装效应的评估。并结合有限元模拟（FEM）对该理论模型进行了对比和验证。结果表明,层合模型能较好地描述硅微加速度计的热致封装效应,并在此基础上分析了优化措施。     

系统级设计方法及其在力学特性集成测试中的应用

随着对微尺度下MEMS材料力学特性研究的深入,片上集成测试方法应用愈加广泛.针对MEMS系统具有多能量域耦合的特点,应用基于MEMS宏模型技术的系统级设计工具来获得整个系统的行为特性已成为研究热点.概述了几种建立MEMS宏模型的基本方法,并对其中的节点法进行了详细阐述,利用CoventorWare软件设计了一种测试多晶硅杨氏模量的集成测试结构,首次将系统级设计方法引入集成测试结构的设计,提高了设计效率,仿真结果可靠.     

几种基于MEMS的纳米梁制作方法研究

特征尺度在纳米量级的梁结构是多种纳机电器件的基本结构.提出了几种基于MEMS技术的纳米梁制作方法,通过利用MEMS技术中材料与工艺的特性实现单晶硅纳米梁的制作.在普通(111)硅片上,利用各向异性湿法腐蚀对(111)面腐蚀速率极低的特性,通过干法与湿法腐蚀相结合制成厚度在100 nm以下的纳米梁.该方法不使用SOI硅片,有效控制了成本.在(100)SOI硅片上,通过氧化减薄的方法得到厚度在100 nm以下的多种纳米梁,由于热氧化的精度高,一致性好,该方法重复性与一致性均较好.在(110)SOI硅片上,利用硅的各向异性腐蚀特性以及(110)硅片的晶向特点,制作宽度在100 nm以下的纳米梁,梁的两个侧面是(111)面.     

MEMS器件热致封装效应的解析建模研究

由封装结构热失配引入的结构变形和应力将对MEMS器件性能产生显著影响,即热致封装效应.基于单元库法思想构建了封装后MEMS器件的解析模型.新建锚区、芯片、封装基板等标准单元,利用节点分析法描述了各结构单元间的热弹性耦合行为,以此作为封装效应评估的基础.利用该模型计算了热致封装效应对常规芯片粘接封装的双端固支梁器件主要性能参数的影响.     

静电刚度式谐振微加速度计设计

运用梁的横向振动特性分析了梁振动频率与平行板电容形成的静电刚度的关系,并以此设计了静电刚度式谐振微加速度计。在加速度作用下,检测质量产生的惯性力使电容器极板发生位移来改变电容结构的间隙大小,从而使谐振频率发生变化,通过检测频率变化量来测量输入加速度的大小。根据加速度计的工作原理说明检测过程中梁的机械刚度保持不变,只与产生静电刚度的电容间隙变化相关,减小了检测信号对机械误差与残余应力的依赖性。运用加工参数进行理论计算得出加速度计的灵敏度为21．17Hz／gn,在CoventorWare2005中进行仿真表明：加速度计的固有频率为23．94kHz,灵敏度约为20Hz／gn,与理论设计值相近。     

三维微弹簧型MEMS探卡的设计和制备

随着IC器件上的I/O尺寸减小和密度增加,与之通过接触来进行电性能测试的探卡密度也要相应增加,传统手工制作的环氧树脂针形探卡难以满足使用要求,使用MEMS技术制作探卡成为发展的趋势,但是当前MEMS探卡的主要问题是不能承受和产生破坏焊垫表面氧化层和污染层所需的应力.本文提出了一种简支梁结构、通过多次电镀工艺制作的三维弹性MEMS探卡,这种探卡可以承受更大应力,并且具有较小的自身电阻.针对间距为250 μm阵列排布的器件I/O,使用ANSYS有限元方法对弹簧型探卡进行了结构分析和设计,采用UV-LIGA工艺制备探卡,最后对探卡的力学性能进行了测试.     

MEMS可编程光栅动态驱动电路的研制

MEMS可编程光栅的工作性能很大程度依赖于驱动电路的性能。本文根据MEMS可编程光栅的工作特点及结构参数,提取出光栅的等效电容值,并采用集成高压运放研制出一种新型的MEMS可编程光栅的动态驱动电路。为了避免自激振荡的发生,电路中采用了频率补偿和并联反馈电容的方法,有效提高了电路的稳定性。实际电路经过测试,其动态性能与PSPICE10仿真的结果非常吻合。该动态驱动电路具有高的电压输出范围(0~180V),较高的频率响应(10kHz),大范围容性负载能力(1~1000pF),完全能够满足MEMS可编程光栅动态复杂控制的需要。     

一种仿生原理的矢量水听器结构设计与数值研究

受奥米亚棕蝇听觉系统特有结构的启发,提出一种能够测向的微机电(MEMS)矢量水听器设计思路,并进行了数值仿真研究.这种思路是利用MEMS表面牺牲层工艺设计一种微型差分电容检测水听器,可实现低频声源测向定位.利用COMSOL多物理场耦合仿真软件对水听器的模态和耦合放大效果进行了模拟仿真,结果显示在0°~180°范围,在谐振频率333Hz处,水听器差分电容敏感单元能够对声信号幅值差和相位差实现有效放大,显示出巨大的测向潜力.     

考虑边缘效应的平行平板式静电微执行器Pull-in模型

在MEMS执行器的设计中,求出准确的Pull-in参数是至关重要的。在过去的研究中,对于漏电场不能忽略的平行平板式静电微执行器,通常只能采用有限元法数值求解。但是,有限元法繁琐、费时而且不直观。平行平板电容器的漏电容解析模型通常有两种：一种简单的;一种详细的。基于这两种漏电容解析模型,分别导出了漏电场不能忽略的平行平板...     

一种高精度MEMS 梳齿驱动器有限元仿真方法及实验

为解决目前MEMS 梳齿电容驱动器由于边缘效应导致的理想计算模型计 算误差较大问题,利用有限单元法中的能量法,提出了一种对梳齿驱动器电容量进行精确仿 真计算的方法并以实际制作的微机械陀螺质量块上的90 对梳齿驱动器为对象,分别利用该 方法及常用的CMATRIX 仿真方法对其电容值进行了仿真计算。两种方法得到的电容量的计 算结果分别为1.5283pF 和1.5793pF。二者与利用高精度LCR 测试仪得到的结果1.5172pF 的相对误差分别为0.73%和4.09%。实验结果表明,该方法对考虑边缘效应的MEMS 梳齿 电容驱动器具有较高的计算精度。     

基于永磁薄膜的MEMS磁传感器设计与制作

提出了一种基于永磁薄膜的新型MEMS磁传感器,磁传感器由MEMS扭摆、CoNiMnP永磁薄膜和差分检测电容等部分组成。分析了磁传感器的磁敏感原理和电容检测原理,提出了器件的结构参数并对器件进行了模态仿真。利用MEMS加工技术成功制作了MEMS磁传感器样品,并进行了测试。测试结果表明:得到的MEMS磁传感器的电容灵敏度可达到27.7 fF/mT,且具有良好的线性度。根据现有的微小电容检测技术,传感器的磁场分辨率可达到36 nT。     

Design and simulation of a thermally actuated MEMS switch for microwave circuits

The design, modeling, and optimization of a novel, thermally actuated CMOS‐MEMS switch are presented in this article. This series capacitive MEMS switch solves the substrate loss and down‐state capacitance degradation problems commonly plaguing MEMS switches. The switch uses finger structure for capacitive coupling. The vertical bending characteristic of bimorph cantilever beams under different temperatures is utilized to turn the switch on and off. A set of electrical, mechanical, and thermal models is established, and cross‐domain electro‐thermo‐mechanical simulations are performed to optimize the design parameters of the switch. The fabrication of the switch is completely CMOS‐process compatible. The design is fabricated using the AMI 0.6 μm CMOS process and a maskless reactive‐ion etching process. The measured results show the insertion loss and isolation are 1.67 and 33 dB, respectively, at 5.4 GHz, and 0.36 and 23 dB at 10 GHz. The actuation voltage is 25 V and the power consumption is 480 mW. This switch has a vast number of applications in the RF/microwave field, such as configurable voltage control oscillators, filters, and configurable matching networks. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Int J RF and Microwave CAE, 2009.     

基于微位移定位系统MEMS梳齿位移传感器的研究

MEMS硫齿位移传感器是一种基于MEMS技术电容理论的传感器,具有体积小、重量轻、性能稳定、功耗低和易于集成等特点.首先探讨了梳齿传感器的工作原理,随后介绍了使用梳齿传感器有效检测微动工作台位移的方法,并进行了结构失效和梳齿电极不平行失效的可靠性分析.通过采用这种传感器可以达到提高微位移定位平台系统的集成度、精度、分辨...