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0.24 fF/Pa,塌陷电压为70 V,量程为48 kPa。     

低频压电式MEMS振动能量采集器研究

设计了一种低频压电d31模式的"八悬臂梁-中心质量块"结构微机电系统(MEMS)振动能量采集器,实现环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺实现PZT压电薄膜的异质集成制造,单个锆钛酸铅(PZT)压电敏感单元的有效尺寸为935μm×160μm×1.5μm;然后通过MEMS加工工艺完成器件微结构的加工制造,器件结构有效体积为9.936×10~(-4)cm~3;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,谐振频率为60Hz、加速度激励为1g(g=9.8m/s~2)时,该能量采集器的输出电压峰-峰值为232mV。在其两端加载3.0 MΩ的负载时最大输出功率为6×10~(-4)μW,输出功率密度为0.604μW/cm~3,PZT压电敏感单元有效面积下的输出功率密度为0.025μW/cm~2。     

电容式MEMS陀螺电极间隙标定方法研究

该文以蝶翼式陀螺为研究对象,研究了电容式微机电系统(MEMS)陀螺电极间隙标定的方法。提出了一种基于谐振测量的电学标定方法,设计了基于调制解调技术的高精度微弱电容检测电路,并可以通过开关控制实现蝶翼式陀螺不同接口电容电极间隙的测量与标定。基于陀螺工作原理建立了电极间隙理论分析模型,推导了电容间隙与输出电压之间的关系,搭建了电极间隙测量与标定平台,测量了多个陀螺不同电极的间隙,并与采用电容-电压(CV)分析仪、台阶仪的测试结果进行了对比。与CV分析仪测试方法相比,该方法可有效地避免寄生电容的影响,在寄生电容未知的情况下可准确测量出有效电极间隙,同时具有更高的分辨率。与台阶仪测试方法相比,该方法可以准确反映实际电极位置的间隙大小。被测陀螺的电极间隙理论设计值为2μm,采用该文提出的方法测试值分布范围为1.92～2.2μm,采用CV分析仪测试结果为2.004μm(寄生电容已知),采用台阶仪平均测试值为2.11μm。     

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。     

MEMS加速度计微敏感结构的伽马辐照退化效应

抗辐射的微机电系统(MEMS)加速度计在航天飞行器和核工业中有着广泛应用。当前的研究主要集中在MEMS测控电路的抗辐射加固技术上,对MEMS微敏感结构的辐照退化机理还缺乏深入的认识。由于MEMS微敏感结构和测试电路必须工作在一起,目前研究的难点在于如何准确地辨别出MEMS敏感结构在整表中所贡献的辐照退化量占比,并基于微纳测量的方法辨析出其辐照退化机理。针对该问题,本文首先开发出了一种针对MEMS器件分部件的辐照退化测量技术,成功提取出MEMS敏感结构所产生的辐照退化量;然后采用专门制备的对照MEMS芯片和电学测试的方法来对其退化机理进行研究。测量结果发现：MEMS敏感结构的辐照退化并不来自于寄生电容层的充电效应或各类电阻参数变化效应,而主要来自于界面薄氧化层的充电效应。这些界面层俘获的电荷会对MEMS可动质量块产生一个附加的静电力从而导致MEMS加速度计的输出漂移。综上,本文基于微纳测量的手段明确推断出了MEMS敏感结构在电离辐照条件下的退化机理,为后续的MEMS器件抗辐射加固改进提供了重要的技术方向指导。     

MEMS微继电器及其关键问题研究现状

通讯等应用领域微型化的需求和微机械加工技术的进步推动了基于微机电系统(MEMS)技术的微继电器的快速发展。介绍了国外MEMS微继电器的研究现状,分析了不同类型MEMS微继电器的特点,讨论了MEMS微继电器的基本结构特征和关键问题,并分析了MEMS微继电器的发展趋势和面临的挑战。     

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)。     

MEMS的前景

微机电系统(MEMS)在研究领域已经有很长历史了,但一直没有真正进入大规模产业化阶段.而现在将硅芯片和微机械结构结合在一起的光学元件为MEMS带来新的商业机会.MEMS热了起来,各种新起步的MEMS公司开始吸引大量的风险资金.一些在此领域已经发展了数年的公司宣称自己开始得到回报,甚至已经赢利.但业内人士认为MEMS元件仅仅是刚开始从实验室走向实用,对许多半导体公司来说,MEMS业务最终能否取得成功的关键在于他们如何充分利用在IC方面获得的设计、制造和市场经验.     

光纤MEMS低频声传感特性研究

光纤微机械电子系统(MEMS)传感器是MEMS微加工技术与微光学技术相结合发展的新型传感器,具有微型化、强抗电磁干扰、易集成、易阵列化、低成本、高可靠性等优点。针对低频声场测量需要,研究了光纤MEMS测声理论,建立了法布里-珀罗(F-P)干涉测声的理论模型,设计并制作了光纤MEMS低频声传感器样品。实测表明,光纤MEMS性能可满足对4~5 000 Hz频段对声波的高灵敏测量。     

高声压驻极体电容传声器的设计

针对枪炮声等高声压级信号的测量,根据高声压驻极体电容传声器的开路输出声压模型,仿真出传声器的声压频响曲线,同时通过理论分析了传声器的非线性输出特性,并完成了传声器的结构设计和实验研究工作,实验结果与理论仿真和分析符合较好。     

电容式传声器腔体设计

介绍了电容式传声器的内部结构,通过等效线路图,详细说明了传声器内部腔体结构对声学性能的影响,最后说明了传声器实际组配过程中,机构件对传声器声学性能的影响。     

耐高温高压MEMS传声器设计

航空发动机的噪声往往蕴含着丰富的信息,可以作为航空发动机设计评价、故障预警和诊断以及寿命预测的重要依据.航空发动机存在高压高温等内部环境,传统的薄膜式传声器难以在此环境下进行工作.因此,提出一种基于微间距铂丝结构的声场敏感结构,该结构为无封闭腔室的开放式结构,不存在内外压差,工作过程不受环境静压影响;采用耐高温材料,且换能机理对高温环境温度及其变化不敏感.通过仿真对该结构进行了验证,通过微机电系统(Micro?Electro?Mechanical?System,MEMS)工艺对其进行了加工,通过陶瓷基板进行封装,研制出耐高压高温MEMS传声器.最后,在高温高压环境下对该传感器进行了响应测试.试验结果证明,在高温高压环境下该传感器对声波具有良好的响应特性.因此,在高温高压环境下的声场测量方面,该敏感结构具有天然的优势,并且具有良好的发展潜力.     

一种利用抛物面聚焦提高传声器灵敏度的方法

目前有一种需要,要将很远距离的人耳听不清的人声信号拾取和保存便于需要时进行分析。但普通的拾音装置的感觉灵敏度有限,不能拾取远距离的信号,因此需要一种能提高传声器灵敏度的装置拾取远距离的人声音频信号。目前传声器灵敏度在-40~-75 d B(其信噪比不低于50 d B的情况下),指向性角度一般都在200°以上,即使是超心性指向性传声器,其指向性角度也不会少于120°,现介绍一种能将传声器灵敏度提高的方法。     

驻极体电容传声器专用管及噪声

本文对驻极体电容传声器的原理及噪声作了分析,这将有助于提高它的电特性。     

高灵敏度Si基纤毛式MEMS湍流传感器

为了满足湍流探测高灵敏度、高分辨率的要求,提出了一种新型纤毛微电子机械系统(MEMS)湍流传感器。基于MEMS技术制作了硅十字梁敏感受力结构,通过橡胶探头的受力振动传递水中的湍流信号,凭借传感器头部的导流罩来保证传感器的高分辨率探测。对MEMS湍流传感器进行理论和仿真分析,其一阶共振频率达到481.04 Hz。经过海洋环境模拟机测试实验,结果显示其在50 MPa压力下保持了完好的结构和良好的性能,验证了其水下的可靠性。在湍流实验平台进行测试,通过比较标定法得出其灵敏度为1.92×10^-4 V·m·s^2/kg,满足海洋湍流测试要求。     

MEMS麦克风促进声学设计

现在,消费类电子设备(如:电话、PDA、MP3、DSC、笔记本电脑等)的设计人员不断地为这些产品加入新的功能.这就不断地推动电子设计向以下两个方向发展:器件的高集成度和器件尺寸的减小.在一些设计中,电路板的空间是非常珍贵的,设计人员千方百计地将所有器件的管脚最小化.还有一些设计,超薄是产品的主要特点,因此器件的高度就更为重要.无论是何种情况,设计人员都希望采用自由灵活和使用方便的器件.     

一种高灵敏度在线式MEMS微波功率传感器

为了改善在线式MEMS微波功率传感器的灵敏度特性,设计了一种新型双悬臂梁结构的MEMS微波功率传感器。该结构将测试电极和锚区设计在中心信号线的两侧。建立了双悬臂梁集总电路等效模型,研究了双悬臂梁结构的微波功率传感器的微波特性。构建了枢纽式双悬臂梁静力学模型,研究并分析了新型悬臂梁结构的过载功率与灵敏度。结果表明,相比于测试电极和锚区位于信号线同侧的传统单悬臂梁结构,新型双悬臂梁结构的灵敏度提升了6～8倍。这在一定程度上解决了电容式微波功率传感器检测灵敏度较低的问题。     

一种用于电容式MEMS麦克风的读出电路

在分析电容式MEMS麦克风工作原理的基础上,提出了一种用于电容式MEMS麦克风的读出电路.该读出电路包括低极点频率的高通滤波器和低噪声单位增益缓冲器,高通滤波器用来读出MEMS麦克风在声压作用下产生的小信号,单位增益缓冲器用来隔离高通滤波器和后续信号处理电路,并提供较大的驱动能力.仿真结果表明,当电源电压在1.2～3.6V之间时,读出电路都可以正常工作,且静态电流小于60 μA,等效输入噪声为5.2 μV,电压增益大于-1.56 dB(83.6％).由于消除了失调电压的影响,电路可以处理幅度范围为50 μV～200 mV的小信号(参考X-FAB 0.35 μm CMOS工艺).