集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。     

光学互相关测速系统设计与验证

针对两相流颗粒运动速度测量及基于互相关原理设计了双光路激光测速系统。采用搭建的变频电机带动绕丝产生已知旋转线速度的装置开展光学互相关测速验证实验。通过测量绕丝经双光路激光的光强衰减信号,再对两路信号进行互相关分析,从而得到测点绕丝旋转线速度。以电机转速计算的测点绕丝线速度作为参考值进行测量精度验证,得到光学互相关测速方法的测量相对误差在6%以内,验证了光学互相关测速方法的准确性。     

微机电系统中SU-8厚光刻胶的内应力研究

在对基片曲率法常用的Stoney公式进行必要修正的基础上,提出了适合计算SU-8胶层内应力的理论模型,并采用轮廓法直观地测量了内应力引起的基底曲率的变化.通过ANSYS仿真揭示了基片直径,胶层厚度及后烘温度三者对基片曲率的影响.仿真结果表明:后烘温度是影响胶层内应力的主要因素.实验测量了后烘温度分别为55℃、70℃和85℃三种条件下的SU-8胶层的内应力.结果表明:降低后烘温度能有效地减小SU-8胶层的内应力,实验测量值与仿真计算值基本吻合.内应力的测量为SU-8胶层内应力的定量研究奠定了基础.     

基于光学鼠标传感器的中远距离微位移测量装置的设计

在单晶金刚石弹性研磨过程中,测量研磨盘浮动的涡流传感器与盘面的距离较小,不利于研磨盘的调整。为了提高测量距离,提出了一种基于光学鼠标传感器ADNS3080的中远距离的微位移测量方法,分析了测量原理,对测量系统的光路、显示窗口、数据的存储、测量软件部分进行了设计。并通过试验证明该方法能实现中远距离微位移的测量。     

后烘温度对SU-8光刻胶热溶胀性及内应力的影响

对不同后烘温度条件下,SU-8胶在电铸液中的热溶胀性及胶层的内应力大小进行了研究。SU-8胶层内应力会使胶体结构开裂变形,而SU-8胶膜在电铸液中的热溶胀效应则是造成微电铸结构线宽减小的主要因素。SU-8胶内应力和溶胀性问题的存在,严重地影响了所制作图形的深宽比和尺寸精度。在其他工艺参数相同的情况下,测量了不同后烘温度条件下,SU-8胶微通道线宽随溶胀时间的变化。溶胀实验结果表明,后烘温度越低,SU-8胶的溶胀变形越大,且热溶胀现象主要发生在前30分钟,其后溶胀速率逐渐减缓而趋于稳定。在SU-8胶后烘后,利用基片曲率法的原理测量了胶层内应力的大小,实验数据表明,采用较低的后烘温度可以降低SU-8胶层的内应力。因此在工艺过程中,应该综合考虑热溶胀性及胶层内应力的影响,根据实际加工器件的要求适当选取后烘工艺参数。     

一种实现线性无衍射结构光的方法研究

提出一种新的以光学测量为目的的线性无衍射结构光实现方法—组合三角棱镜法。利用衍射原理及菲涅尔近似原理,对平面波入射棱镜后光场的光强分布进行严格数学推导,得到了精确解的表达式,根据推导结果运用软件对棱镜后光强分布进行了模拟仿真。结果表明,所产生的线性结构光具有无衍射特性,且在中心线上具有更高的光强分布,该光源可作为表面形貌的线结构光测量。     

二维光学自准直微角度传感器

为实现表面微形貌测量以及精密平台的定位测量,设计了一种结构简单的小体积二维微角度传感器。该微角度传感器基于激光自准直原理,主要由作为光源的激光二极管、自准直光路和作为位置探测器的四象限光电二极管组成。分析计算发现,角度传感器的灵敏度与光路中物镜的焦距无关,因此选用了焦距较短的物镜,以实现小体积、高灵敏度的目的。四象限光电二极管具有二维位置探测能力,利用其作为光电转换装置,微角度传感器可以同时探测两轴角度变化值。实验结果表明,微角度传感器的体积可达到25×20×13 mm3,角度测量范围±1 200 arcsec,分辨率为0.1 arcsec。实验中利用激光自准直仪进行对照,有效验证了这种新型二维光学自准直微角度传感器的可行性。     

靶丸X射线光学厚度的精密检测

为了精密检测靶丸X射线光学厚度均匀性,建立了基于精密轴系和光纤阵列探测的靶丸X射线光学厚度检测装置,开展了光学厚度轮廓仪光路精密调校技术的研究,应用白光共焦光谱技术和光学显微成像技术,解决了气浮转台精密调整、X射线光路对中的难题,实现了对塑料靶丸壳层缺陷、表面质量、壁厚均匀性、壳层材料成分均匀性等多种耦合扰动综合效应的表征。对系统的稳定性进行了测试,实验结果表明,该系统的测量重复性偏差可基本控制在0.01%以内,空间分辨率约为100μm,满足ICF靶物理研究对靶丸X射线光学厚度扰动的高精度检测需求。     

数字全息术用于光学元件表面缺陷形貌测量

利用像面数字全息显微术对光学元件表面缺陷的三维形貌测量进行了理论及实验研究。设计并搭建了相应光路系统记录全息图,采用角谱算法数值重建物光场,通过相位修正消除了系统误差引入的波前畸变,获得了经过待测光学元件表面缺陷调制的物光相位分布,并根据建立的相位分布与表面缺陷面形的关系模型计算得到缺陷三维形貌。实验以多个划痕和麻点等常见表面缺陷作为测量对象,分别获得了它们的三维形貌,以其中一条实际宽度为35μm、深度为270nm的划痕为例,测量得到该划痕的宽度为35.21μm,平均深度为267.6nm,与真实值相比,横向测量误差为0.6%,纵向测量误差为0.9%。实验结果证实该测量方法是有效、可靠的,能够准确测量光学元件表面缺陷的三维形貌,因而有助于判断光学元件损伤程度以及分析缺陷对系统波前的影响,对保障高功率激光装置的安全正常运行有重要意义。     

超声处理对UV-LIGA工艺中SU-8胶溶胀的影响

首次将超声处理引入UV-LIGA工艺中,研究了超声处理对SU-8胶模溶胀的影响,并探讨了其影响机理,从而获得了减小胶模溶胀及提高电铸微器件尺寸精度的方法.试验研究了超声处理对显影过程及电铸过程中SU-8胶模溶胀的影响,分析了不同超声时间下SU-8胶表面亲水性的变化趋势,并计算了不同超声时间下胶模的溶胀去除率.讨论了超声处理对不同结构微器件尺寸精度的影响.试验结果表明:SU-8胶模在显影过程中的溶胀不明显,并且超声处理对显影过程中胶模的溶胀影响很小,其主要影响SU-8胶模在电铸过程中的溶胀.随着超声时间的增加,胶模溶胀及其表面亲水性均呈现先减小后增大的趋势.当超声时间为10 min时,胶模溶胀最小,其溶胀去除率a值可高达70％,并且超声处理后电铸微器件的尺寸误差与结构尺寸无关.根据超声波的机械断键作用与聚合物吸水机理,从亲水性和内应力两个方面,探究了SU-8胶模溶胀随超声时间的增加而变化的原因.文中提出的减小SU-8胶溶胀的方法不依赖于工艺参数也不会增加掩模图形设计的复杂性,是一种实用的减小SU-8胶溶胀的新方法.     

Effects of carbon fillers on the tribological and mechanical properties of an epoxy-based polymer (SU-8)

SU-8, an epoxy-based negative photoresist polymer, is highly suitable for making micro-electro-mechanical systems (MEMS) structures. Despite fabrication advantages, its bulk mechanical and tribological properties are the main limitations for application as MEMS material. Carbon filler materials such as graphene, graphite and multi-walled carbon nanotube (MWCNT) are added to SU-8 for tribological and mechanical property enhancements. SU-8/(5 wt%) graphite composite has performed better for the steady-state coefficient of friction at all loads including for the speed effect. SU-8/(5 wt%) MWCNT has shown excellent wear resistance. At 10 wt% graphite content, SU-8/graphite is superior in tribological performance to other composites tested.     

角度位置自动识别的红外折射率测量

为准确快速获得块体硫系玻璃红外波段的折射率,搭建了基于类准直测量法的折射率测量系统。该系统采用液氮制冷的碲镉汞探测器和特殊的光路实现了光强信息的高分辨采集,使用高分辨数据采集卡将角度信息数字化,利用精密步进电机传动控制系统实现了光强信号与位置信号的同步记录。开发的测量软件可自动判别光强峰位信息,自动计算获得待测样品的折射率。对比测试Ge_(20)Sb_(15)Se_(65)、Ge_(28)Sb_(12)Se_(60)、As_2S_3和As_2Se_3商用硫系玻璃在3.39μm和4.8μm处的折射率。实验结果表明,该装置系统测量折射率的标准偏差为10~(-3),测量不确定度为0.002 9,可快速、准确测量块体材料红外波段的折射率。     

Self-lubricating SU-8 Nanocomposites for Microelectromechanical Systems Applications

SU-8 is an industrially useful photoresist polymer for micro-fabrication because of its unique UV-sensitive curing property. It is also used as a structural material for micro-machines such as micro-electro mechanical systems (MEMS). However, it has poor tribological and mechanical properties which make SU-8 inferior to Si, the mainstay MEMS material today. In this paper, we report the fabrication of SU-8 nanocomposites which are self-lubricating and have better mechanical properties. The liquid lubricant i.e., perfluoropolyether (PFPE) and nanoparticles such as SiO₂, CNTs, and graphite were added into SU-8 for this purpose. These self-lubricating SU-8 + PFPE and SU-8 + PFPE + nanoparticle composites have shown a reduction in the initial coefficient of friction by ~6?C9 times and increased wear life by more than four orders of magnitude. The mechanical properties such as the elastic modulus and the hardness have increased by ~1.4 times. These SU-8 nanocomposites can be used as a self-lubricating structural material for MEMS applications requiring no external lubrication. As well, these nanocomposites can find applications in many tribological components of traditional machines.     

多晶硅微构件拉伸破坏特性的测量

硅表面工艺是微型机械制造的重要工艺,而多晶硅是表面工艺中最常用的主要材料,它的力学特性直接关系到微型电子机械系统的可靠性和使用寿命,因此对其破坏特性的研究是非常有必要的。本文在概述了国外对体硅工艺和表面工艺制作的构件材料破坏特性研究情况的基础上,提出了利用旋转台对表面工艺制作的多晶硅微梁进行拉伸破坏实验的方法,并在制作的测量系统上进行了实验,得出多晶硅微梁的拉伸破坏强度大于2．0GPa。     

便携式逆反射系数测试仪

根据相关国标设计了一种便携式逆反射系数测试仪,用于测量交通标志、机动车车身标识和高能见度警示服等材料的逆反射系数。分析、比较了逆反射系数测量原理,基于相对测量法研制了逆反射系数测试仪。该逆反射系数测试仪以白色发散光作为光源,可以在近距离下模拟逆反射标识的实际工作状况,完成逆反射系数的测量。介绍了逆反射系数测试仪中光学系统、光电转换电路和STM32F103C8T6单片机控制系统的设计方法,建立了基于最小行车安全距离的逆反射系数测试角度的选择模型,完成了逆反射系数测试仪不确定度的评估。最后,利用研制的便携式逆反射系数测试仪进行了实验测试。结果显示:在测试条件为(0.1~199.9)cd·lx-1·m-2时,其示值误差的最大值为4.40%;当测试条件大于199.9cd·lx-1·m-2时,示值误差的最大值为1.31%,符合GB 26377-2010对示值误差的要求。设计的逆反射系数测试仪具有小型化和智能化的优点,对现场检测交通安全标识、机动车车身标识等具有实际意义。     

KDP\DKDP倍频晶体吸收系数的斜入射测量

考虑惯性约束聚变系统中的磷酸二氢钾/磷酸二氘钾(KDP\DKDP)的吸收系数直接影响系统的转换效率及最终输出能量,本文研究了KDP\DKDP倍频晶体吸收系数的测量方法。提出了新的基于朗伯定律的倍频晶体吸收系数斜入射测量法。建立了斜入射状态下入射光偏振态与晶体o光和e光的关系模型,推导了小角度入射下晶体e光折射率的迭代计算方法。采用该方法计算了晶体的e光折射率,通过测量得到的数据间接计算出了KDP\DKDP倍频晶体吸收系数。详细分析了该方法在测量过程中的各项误差来源,得出该方法测量误差优于0.000 2cm~(-1)。最后,对一块40mm×40mm×60mm的开关晶体元件进行测试并与分光光度法比对以验证提出方法的可行性,结果显示两种测量方法的偏差小于0.000 2cm~(-1),表明该方法可用于惯性约束聚变系统中倍频晶体吸收系数的测量。     

Tribological analysis of tip-cantilever made of SU-8, talc and PFPE composite

ABSTRACT

SU-8 polymer with talc particle (30?wt-%) and liquid perfluoropolyether (PFPE) (30?wt-%) fillers was used as a composite to fabricate conical tip-cantilever device. The composite tip demonstrated lower coefficient of friction (～0.22) when compared with a tip made of pure SU-8 (～0.65). Fluorine was detected on the wear track and the tip surface, which resulted from the transfer of PFPE from the tip to the wear track. The counterface made of pure SU-8 remained smooth and unworn when slid against the composite tip even after 1000 cycles of sliding. This composite with improved tribological and mechanical properties can be used for fabricating small component devices such as for micro-electro-mechanical systems (MEMS).     

锆钛酸铅镧陶瓷光致微位移的闭环伺服控制

利用锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷的光致形变效应,提出了一种光控微位移伺服系统,并通过实验对其闭环伺服控制特性进行研究。建立PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服系统的多物理场耦合数学模型,通过静态实验对光照与光停阶段PLZT陶瓷光致形变表达式进行了参数识别。搭建了PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服控制实验平台,基于ON-OFF控制策略,在不同光照强度下对PLZT陶瓷的光致微位移进行了闭环伺服控制实验。结果表明,通过对紫外光源施加ONOFF控制,能够实现PLZT陶瓷输出位移的闭环伺服控制。PLZT陶瓷输出位移曲线在伺服控制阶段出现超调量之后,围绕目标值上下波动。光致微位移伺服系统的响应速度、超调量与波高随着光照强度的增强而增加;在400mW/cm2光照强度下,PLZT陶瓷输出位移到达目标值的时间仅为100mW/cm2光照强度下的20%。实验结果为PLZT陶瓷在微驱动方面的工程应用奠定了基础。     

微机电系统静动态测试技术研究

在中国国家863高技术发展计划MEMS重大专项课题《MEMS动态特性频闪干涉视觉三维测量技术及系统》资助下，研发微机电系统(Micro Electro Mechanical System , MEMS)动态特性三维测量技术与系统。对已有的微几何量、微材料力学性能和MEMS动态参数测试方法进行研讨。 几何尺寸和表面形貌轮廓的测量是MEMS测量的基础。二维微几何量检测采用普通光学显微镜和扫描电子显微镜。表面形貌测量大致可分为接触式测量和非接触式测量，机械触针式轮廓仪是典型的接触式测量仪器，非接触式测量大多采用光学技术，主要有光针式轮廓仪，采用光切、干涉、投影光栅和微视觉等测量方法。     

基于铌酸锂制作光弹调制器用压电驱动器

基于石英(SiO2)制作光弹调制器(PEM)的压电驱动器时,存在机电耦合系数小、需高压驱动且谐振频率随温度漂移严重等缺陷,故本文研究了PEM的优化设计方法。考虑铌酸锂(LiNbO3)特殊的晶体结构,从理论上推导了LiNbO3晶片作为压电驱动器的可行性,并确定其切型为zyw/35°切。基于有限元分析软件COMSOL4.3a仿真,确定了晶片体积和谐振频率,设计了LiNbO3压电驱动器。对设计出的压电驱动器进行了压电性能测试,并和SiO2压电驱动器进行了比较。将LiNbO3压电驱动器和硒化锌(ZnSe)光弹晶体组合成PEM,用671nm激光进行了光弹调制实验。实验结果表明:实现相同位移时,SiO2压电驱动器需要的驱动电压是LiNbO3压电驱动器的100多倍,且后者横向长度伸缩振动模式单一性和稳定性均优于前者。驱动电压为3.76V时,671nm的激光通过基于LiNbO3压电驱动器的PEM的调制光程差为3.7μm。得到的结果表明:基于LiNbO3压电驱动器的PEM易于驱动控制,调制性能优于基于SiO2驱动器的PEM。