機(jī)械測(cè)試方法與微機(jī)電系統(tǒng)課件

1、機(jī)械測(cè)試方法與微機(jī)電系統(tǒng)概述機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院檢測(cè)技術(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等一起構(gòu)成了信息技術(shù)的完整學(xué)科。在人類進(jìn)入信息時(shí)代的今天，人們的一切社會(huì)活動(dòng)都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段，是信息科學(xué)最前端的一個(gè)陣地，是實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?！皼]有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測(cè)系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有利工具。組成 試驗(yàn) 裝置數(shù)據(jù)處理裝置 測(cè)量 裝置記錄顯示被測(cè)對(duì)象 傳感器信號(hào)調(diào)理多路模擬開關(guān)取樣保持

2、檢測(cè)系統(tǒng)功率放大激勵(lì)裝置低通濾波A/D顯示RAMCPUROM鍵盤計(jì)算機(jī)總線D/A 機(jī)械檢測(cè)系統(tǒng)基本組成框圖力學(xué)參數(shù)：表明機(jī)器工作負(fù)荷狀況的參數(shù)，力、 力矩、應(yīng)力、電壓等； 運(yùn)動(dòng)參數(shù)：表明機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的參數(shù)，位移、速 度、加速度等； 電參數(shù)： 表明機(jī)器工作負(fù)荷狀況的參數(shù)，電流、 電壓、功率等； 工藝參數(shù)：表明加工工藝條件的有關(guān)參數(shù)，如加 工對(duì)象的加工量、溫度、幾何形狀等。測(cè)量參數(shù)信號(hào)：反映被測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)及特性。通過(guò)研究信號(hào)的內(nèi)在的規(guī)律，可充分認(rèn)識(shí)被測(cè)系統(tǒng)的相互關(guān)系。 信號(hào)的分類靜態(tài)信號(hào):指幅值不隨時(shí)間變化或變化極緩慢的信號(hào)。動(dòng)態(tài)信號(hào):指瞬時(shí)幅值隨時(shí)間變化的信號(hào)。 周期信號(hào)的幅值可以用峰值、均值、

3、有效值以及方差值來(lái)表示。峰值是指信號(hào)可能出現(xiàn)的最大瞬時(shí)幅值；均值是動(dòng)態(tài)信號(hào)在整個(gè)時(shí)域的積分平均；方差是信號(hào)x(t)相對(duì)于其均值變化的均方值。 周期信號(hào)有很多表示形式，如周期性方波、鋸齒波（三角波）等最簡(jiǎn)單的是正弦信號(hào)。50Hz正弦信號(hào)波形周期信號(hào) 傳感器選擇多路模擬開關(guān) A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器取樣保持電路 傳感器選擇基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其他指標(biāo)量程指標(biāo)：量程范圍、過(guò)載能力等靈敏度指標(biāo)：靈敏度、分辨力、滿量程輸出等精度有關(guān)指標(biāo)：精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：固定頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間等溫度指

4、標(biāo)： 工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo)： 允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差其他環(huán)境參數(shù)： 抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕等能力、抗電磁場(chǎng)干擾能力等工作壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo)：供電方式（直流、交流、頻率及波形等）、功率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝方式、饋線電纜等傳感器原理檢測(cè)技術(shù)溫度傳感器磁敏傳感器光電傳感器應(yīng)變傳感器電感傳感器電容傳感器壓電傳感器其他傳感器多傳感器融合檢測(cè)電路現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)力測(cè)量 應(yīng)力是重要的機(jī)械量，應(yīng)力狀況可由 某點(diǎn)主應(yīng)力的大小和方向來(lái)表

5、示。 測(cè)量應(yīng)力可以分析研究零件、機(jī)構(gòu)的受載情 況、負(fù)荷水平和強(qiáng)度能力，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確性。 應(yīng)力測(cè)試任務(wù)是正確確定零件主應(yīng)力的大小、方向及分布規(guī)律。 應(yīng)力測(cè)試方法主要采用電阻應(yīng)變測(cè)量法。主應(yīng)力方向已知時(shí)的應(yīng)力測(cè)量 為測(cè)量簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力方向已知的單向應(yīng)力，可采用沿主應(yīng)力方向粘貼電阻應(yīng)變片的方法。 測(cè)量前，要求電橋處于平衡狀態(tài)，無(wú)輸出。測(cè)量時(shí)，電橋應(yīng)愈不平衡愈好，這樣可獲得最大的輸出信號(hào)。組橋的同時(shí)，還需考慮電橋的溫度補(bǔ)償。純彎曲應(yīng)力的測(cè)量 若被測(cè)量零件的橫截面對(duì)中性軸是對(duì)稱的，則零件上下面的最大拉、壓應(yīng)力相等，電阻應(yīng)變片可粘貼在零件的上下兩個(gè)側(cè)面，其布片，組橋的方式有單臂橋、半橋和

6、全橋三種。 機(jī)械設(shè)備的基本參數(shù)是力、扭矩等。 軋制力的測(cè)量 金屬在軋制過(guò)程中，作用在軋輥上的壓力即為軋制力，它是軋機(jī)的基本載荷參數(shù)之一。軋制力的測(cè)量方法應(yīng)力測(cè)量法 傳感器測(cè)量法 力學(xué)參數(shù)測(cè)量應(yīng)力測(cè)量法 在軋機(jī)機(jī)座中，凡直接受軋制力的零件，都產(chǎn)生與軋制力相對(duì)應(yīng)的彈性變形，通過(guò)這些零件的彈性變形，可間接測(cè)量出軋制力。軋制時(shí)，機(jī)架的立柱產(chǎn)生彈性變形，其大小與軋制力成正比。 為了測(cè)的拉應(yīng)力，必須把電阻應(yīng)變片粘貼在立柱的中性面0-0上，這樣可消除彎曲應(yīng)力。機(jī)架立柱上的布片及組成全橋的方式 傳感器法測(cè)量 軋制力測(cè)量中，直接承受軋制力的測(cè)力傳感器被廣泛應(yīng)用。它與應(yīng)變法相比，傳感器的應(yīng)力水平要高10-20倍，

7、精度及穩(wěn)定性均優(yōu)。 軋機(jī)測(cè)力傳感器應(yīng)安裝在工作機(jī)座兩側(cè)軋輥軸承垂直載荷的傳力線上，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚?cè)的軋制分力即可得到總軋制力。軋機(jī)測(cè)力傳感器有電感式、電容式、壓磁式、和電阻應(yīng)變片式等類型。軋機(jī)測(cè)力傳感器，簡(jiǎn)稱壓頭。電阻應(yīng)變片的布片和組橋方案，應(yīng)具有消除偏載、彎矩、扭轉(zhuǎn)、溫度等干擾的特點(diǎn)。扭矩測(cè)量方法 流體壓力的測(cè)量 流體壓力是指氣體或液體作用于單位面積上的平均法向壓力，也稱壓強(qiáng)。 電阻應(yīng)變式壓力傳感器 膜板式和圓筒式 其原理是利用粘貼應(yīng)變片的膜板或圓筒壁直接承受流體壓力，通過(guò)所產(chǎn)生的應(yīng)變來(lái)測(cè)量其壓力。 圓筒式壓力傳感器 是一個(gè)薄壁筒，在它的外表面上，沿圓周方向上粘貼應(yīng)變片（工作片）。薄壁筒的頂端（

8、實(shí)心圓柱部分）無(wú)變形，故在其外表面上，粘貼補(bǔ)償片，它和工作片一起組成單臂工作電橋。 電阻式傳感器測(cè)量位移 變阻器式傳感器測(cè)量位移 電感式傳感器測(cè)量位移 可變磁阻式傳感器測(cè)量位移 電容式傳感器測(cè)量位移 轉(zhuǎn)速的測(cè)量 光電脈沖法測(cè)量轉(zhuǎn)速 電感傳感器法測(cè)量轉(zhuǎn)速 位移的測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量工作原理：基于電磁感應(yīng)原理。它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置。種類：自感式（包括可變磁阻式與渦流式） 互感式（差動(dòng)變壓器式）電感式傳感器機(jī)械轉(zhuǎn)速表用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速測(cè)量方法測(cè)試裝置的靜態(tài)特性 靈敏度：當(dāng)測(cè)試裝置的輸入信號(hào)有微小變化時(shí)，引起 輸出信號(hào)發(fā)生微變量，則稱它們的比值為靈敏度。線性度：是指測(cè)試裝置的輸入

9、和輸出是否保持線性關(guān)系 線性度=輸出的標(biāo)定值-輸出的理論值/輸出信號(hào)的變化范圍回程誤差： 在實(shí)際測(cè)試中，在同樣的條件下，當(dāng)輸入信號(hào)大和由大減小的過(guò)程中，測(cè)試裝置會(huì)出現(xiàn)輸入同一個(gè)信號(hào)，而得到不同的兩個(gè)輸出信號(hào),其最大差值稱為回程誤差。多路模擬開關(guān)主要技術(shù)指標(biāo)導(dǎo)通電阻：200 關(guān)斷漏電流：nApA開關(guān)時(shí)間：數(shù)百ns 譯 碼 器A0S0A2OUTS2S1S3S5S4S7S6A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式、雙積分式、V/F變換式、并行式、串行式x(nt)x(t)tq000001010011x(n)nA/D轉(zhuǎn)換過(guò)程0ts(t)取樣量化編碼取樣信號(hào)s(t)模擬信號(hào)x(t)xs(t)x(nt)x(n)000t系統(tǒng)誤

10、差分析按系統(tǒng)誤差的性質(zhì)分類按系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因分類設(shè)備誤差環(huán)境誤差實(shí)驗(yàn)方法誤差人員誤差固定誤差累進(jìn)誤差周期性誤差變化規(guī)律復(fù)雜的誤差What are MEMS?Micro-electro-mechanical systemsVery small mechanical assemblies Hinged plate(UCLA) Hinge closeup (MCNC)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) MEMS是適用于批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制及通訊接口電路、能源等于一體的能完成特定功能的微系統(tǒng)。微飛行器血液壓力傳感器 MEMS與相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域MEMS的特點(diǎn)1）微型化：MEM

11、S器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。2）以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。 3）批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。 4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。5）多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理

12、、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集成了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。 微機(jī)電系統(tǒng)研究得到了美國(guó)、日本、歐洲等各國(guó)政府機(jī)構(gòu)、企業(yè)界、高等學(xué)校與研究機(jī)構(gòu)的高度重視。源源不斷涌現(xiàn)的MEMS器件和系統(tǒng)不但突破了某些傳統(tǒng)加工技術(shù)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的進(jìn)步，甚至帶來(lái)了觀念的革命和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的更新。其中以美國(guó)的表現(xiàn)最為突出。 從八十年代以來(lái)，美國(guó)政府機(jī)構(gòu)把MEMS作為科技發(fā)展的三大重點(diǎn)之一，先后得到了NASA、DARPA、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)等數(shù)億美元的資助。1994年發(fā)布的美國(guó)國(guó)防部技術(shù)計(jì)劃報(bào)告也將微機(jī)電系統(tǒng)列為關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。 主要內(nèi)容MEMS典型器件及系統(tǒng) MEMS加工技術(shù) MEMS基礎(chǔ)性研究 MEMS典型器件及系統(tǒng)

13、微型傳感器 Micro Sensor微型致動(dòng)器 Micro Actuator射頻微機(jī)電系統(tǒng) RF MEMS微型光機(jī)電系統(tǒng) MOEMS微型生物機(jī)電系統(tǒng) BioMEMS 微型傳感器 微型傳感器是MEMS的一個(gè)重要組成部分。1962年第一個(gè)硅微型壓力傳感器問(wèn)世，開創(chuàng)了MEMS的先河?，F(xiàn)在已經(jīng)形成產(chǎn)品和正在研究中的微型傳感器有：壓力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、電量、磁場(chǎng)、溫度、氣體成分、濕度、pH值、離子濃度和生物濃度、微陀螺、觸覺傳感器等等。微型傳感器正朝著集成化和智能化的方向發(fā)展。 諧振式微磁強(qiáng)計(jì)諧振式微加速度傳感器懸臂式微加速度傳感器微型致動(dòng)器微型致動(dòng)器有：微開關(guān)、微諧振器、微閥、微泵

14、、微電機(jī)等。用途：可用于物體的搬送、定位驅(qū)動(dòng)方式主要有：靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、熱雙金屬驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)等等。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)操作的精度要求越來(lái)越高，而一些操作必須在納米尺度下進(jìn)行才能達(dá)到規(guī)定要求。 納米級(jí)致動(dòng)，是指致動(dòng)精度達(dá)到納米級(jí)(幾十個(gè)納米或更小)各種形式的單、多自由度的微操作。 納米級(jí)致動(dòng)是納米測(cè)控技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，在光學(xué)儀器、半導(dǎo)體加工、生物醫(yī)學(xué)、航空航天技術(shù)、IT產(chǎn)業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域起著重要作用。納米級(jí)致動(dòng)IC工藝多層壓印套刻分步壓印對(duì)準(zhǔn)掃描探針數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、探針驅(qū)動(dòng)和樣品進(jìn)給定位倒裝芯片封裝安裝定位三維自安裝光學(xué)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)定位納米級(jí)致動(dòng)生物醫(yī)學(xué)工程中游離細(xì)

15、胞捕捉高密度大容量計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器磁頭進(jìn)給讀寫超精密機(jī)床微量進(jìn)給能量束加工精確定位 微型電機(jī)是一種典型的微型致動(dòng)器，可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類。諧振式微致動(dòng)器電熱驅(qū)動(dòng)射頻微機(jī)電系統(tǒng)One Example of Nanosatellite CommunicationFaster, Better, CheaperNASA Administrator Daniel Goldin sought new methods for spaceexplorationReduced mass results in significant gain in shrinking launching costSituat

16、ion perfectly suited for MEMS devicesLow mass, resistant to inertial and vibration damageEndurance in high radiation environmentsIncrease aperture size for interferometer and distributed radar systemsHubble Space TelescopePlanned DSA MissionsTerrestrial Planet Finder (JPL)TechSat 21 Distributed Rada

17、r (AFRL)Space Technology 5 & 6 (NASA - NMP) First to use primarily MEMS componentsConsideration for DSAActively control relative positions and velocitiesRobust, reliable feedback from sensors possibly onboard separate vehicleRemote RF communication necessaryRF comm. requires sender/receiver pair wit

18、h signal processing hardwareMEMS RF devices explored:Switches AntennasSignal FiltersPhase ShiftersRF MEMS 開關(guān)RF MEMS switches have better efficiency and lower insertion losses than conventional switches Ideal for space:Rapid responseGood power handlingWide bandwidthHigh open isolationRF MEMS 濾波器MEMS

19、offers passive front-end signal processing capabilityCompact one-chip designHigh fidelity signal handlingTunable configurationFilter sensitivity and quality factor (Q) would be greatly increasedCPW filter structureCPW FilterBeam ResonatorRF MEMS 天線17.5 GHz V-Antenna諧振式MEMS濾波器微型光機(jī)電器件和系統(tǒng) 隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的

20、發(fā)展，寬帶的多波段光纖網(wǎng)絡(luò)將成為信息時(shí)代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生產(chǎn)成為迫切的需求。MEMS技術(shù)與光器件的結(jié)合恰好能滿足這一要求。由MEMS與光器件融合為一體的微型光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）將成為MEMS領(lǐng)域中一個(gè)重要研究方向。 隨著微機(jī)電研究的深入，光學(xué)內(nèi)容逐漸進(jìn)入其中，從而出現(xiàn)了將光、機(jī)、電系統(tǒng)集成在一起的系統(tǒng)，構(gòu)成微光機(jī)電系統(tǒng)。 微光機(jī)電系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容主要有光通信用波分復(fù)用器、光開關(guān)、顯示器、微型光譜儀、光學(xué)連接器、可調(diào)波長(zhǎng)濾波器、微光掃描器、微斬波器、微干涉儀、微可變焦透鏡、微外腔激光器、微鏡陣列、透鏡陣列、光學(xué)探測(cè)器、集成光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)編碼器等。其中，光通訊用光開關(guān)、微

21、型光學(xué)傳感器以及顯示器是目前最被看好的部分。 TI公司的數(shù)字微鏡顯示器（DMD），通過(guò)CMOS技術(shù)將數(shù)百萬(wàn)44平方微米的鋁鏡陣列與控制電路集成在一起。每個(gè)微鏡可以進(jìn)行10度的扭轉(zhuǎn)，從而達(dá)成“1”和“0”兩個(gè)狀態(tài)。其響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到1ms。目前這一產(chǎn)品已經(jīng)上市，并成功進(jìn)入了投影儀市場(chǎng)。 TI公司推出的基于MEMS工藝的利用靜電驅(qū)動(dòng)的數(shù)字微鏡 （DMD,Digitial Micro Mirror Devices ） Lucent公司推出的基于MOEMS技術(shù)的Lambda路由器，它通過(guò)表面微機(jī)械技術(shù)制作了上萬(wàn)面可二維轉(zhuǎn)動(dòng)的微鏡，可以在光通訊中實(shí)現(xiàn)光交換的功能。 （a）二維微鏡結(jié)構(gòu) （b）微鏡陣列 (

22、c)光交換工作原理示意圖 以藥物輸送系統(tǒng)為例微型生物機(jī)電系統(tǒng)Drug Delivery by MEMSAdvantagesImproved ControlMore EffectiveDisadvantagesBiocompatibility ConcernsBiofouling IssuesThe “Smart Pill”Built-in sensor to detect when the drug is requiredArtificial muscle membrane to release the drugMicroneedlesMicroneedles are used to impr

23、ove transdermal drug delivery MEMS加工技術(shù) MEMS加工技術(shù)主要有從半導(dǎo)體加工工藝中發(fā)展起來(lái)的硅表面工藝和體硅工藝。八十年代中期以后利用X射線光刻、電鑄、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug簡(jiǎn)寫）技術(shù)誕生，形成了MEMS加工的另一個(gè)體系。MEMS的加工技術(shù)可包括硅表面加工和體加工的硅微細(xì)加工、LIGA加工和利用紫外光刻的準(zhǔn)LIGA加工、微細(xì)電火花加工（EDM）、超聲波加工、等離子體加工、激光加工、離子束加工、電子束加工、立體光刻成形等。MEMS的封裝技術(shù)也很重要。傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工技術(shù)在制造微小型機(jī)械

24、方面仍有很大潛力。 MEMS加工技術(shù)表面硅工藝體硅工藝Surface micromachiningSpecifically - MUMPS (Multi-User MEMS Processes)1MUMPS has been called “MOSIS for MEMS”Three poly layer process derived from Berkeley Sensors and Actuators CenterSeven total material layersN mask stepsProcessing Layers7 material layers/isolationconduc

25、tor (poly)1st sacrificial (oxide)1st structural (poly)2nd sacrificial (oxide)2nd structural (poly)metal表面硅工藝以靜電梳諧振器為例1、硅片制備（400微米）2、清洗后通過(guò)氧化作用在硅片表面生成SiO23、淀積PolySi，生成底面導(dǎo)電層4、刻蝕PolySi（下圖為已設(shè)計(jì)的微諧振器底層導(dǎo)電多晶硅結(jié)構(gòu)）5、淀積Si3N4 形成絕緣層6、淀積PSG7、刻蝕PSG（開始構(gòu)造結(jié)構(gòu)層，例如圖示可以看作給結(jié)構(gòu)層加支撐點(diǎn)或觸點(diǎn)） 8、刻蝕PSG，Si3N4（下圖綠色區(qū)域?yàn)榈讓覵i3N4，絕緣層被刻蝕區(qū)域，以

26、保證與結(jié)構(gòu)層導(dǎo)電）9、淀積PolySi（結(jié)構(gòu)層）10、淀積PSG（1013為結(jié)構(gòu)層多晶硅表面表面金屬化處理）11、腐蝕PSG12、濺射Al 13、刻蝕Al14、刻蝕PolySi15、腐蝕PSG（至此結(jié)構(gòu)層的制作完畢）體硅工藝以靜電梳諧振器為例1、光刻、刻蝕在硅表面（N 型硅或P 型）形成淺槽定義鍵合區(qū)域2、擴(kuò)散摻雜形成接觸區(qū)3、光刻、濺射Ti/Pt/Au金屬剝離形成金屬電極4、硅/玻璃鍵合5、刻蝕，釋放結(jié)構(gòu)裂片，取得最終單元MEMS基礎(chǔ)性研究尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)微流體力學(xué)力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ)微機(jī)械特性和微摩擦學(xué)尺度效應(yīng)和表面效應(yīng) 尺度效應(yīng)研究已有較長(zhǎng)的時(shí)間。力的尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)說(shuō)明，在宏觀領(lǐng)域作用

27、微小的力和現(xiàn)象，在微觀領(lǐng)域可能起著重要的作用。 在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸L的高次方成比例的慣性力、電磁力（L3）等的作用相對(duì)減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力（L2），表面張力（L1）、靜電力（L0）等的作用相對(duì)增大；隨著尺寸的減小，表面積（L2）與體積（L3）之比相對(duì)增大，表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用。尺度效應(yīng)的研究將有助于MEMS的創(chuàng)新。微流體力學(xué) 微流體現(xiàn)象與宏觀規(guī)律有相當(dāng)?shù)牟顒e，有的規(guī)律需要進(jìn)行較大的補(bǔ)充和修正。例如：微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)是否還符合Navier-Stokes方程；微小裝置中流體驅(qū)動(dòng)機(jī)制可用表面張力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小裝置中流體的相變點(diǎn)（飽和壓

28、力和溫度）不再是常數(shù)，而隨尺度減小而降低；微細(xì)管道固液界面的微觀物理化學(xué)特性所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)，如電泳、電滲，對(duì)微流體的力學(xué)行為有重要影響。力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ) 微觀領(lǐng)域中的力學(xué)和熱力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)研究可分為兩大類，一當(dāng)物體尺度縮小至與粒子運(yùn)行的平均自由程同一量級(jí)時(shí)，則介質(zhì)連續(xù)性等宏觀假定不再成立；另一類，雖然連續(xù)介質(zhì)等宏觀假定仍然成立，但由于物體尺度的微小化，各種作用力的相對(duì)重要性產(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致了宏觀規(guī)律的變化。微機(jī)械特性和微摩擦學(xué) 微結(jié)構(gòu)材料機(jī)構(gòu)特性中的彈性模量、波松比、疲勞極限、強(qiáng)度，以及內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷的研究和數(shù)據(jù)庫(kù)的建立引起了人們的重視，有些力學(xué)量需要重新作出科學(xué)的表述。微觀摩擦學(xué)包括

29、納米摩擦行為及其控制研究、薄膜潤(rùn)滑與超滑技術(shù)研究、微觀表面形貌與表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)研究、微磨損和微觀表面改性研究。 以硅微動(dòng)構(gòu)件中的空氣阻尼效應(yīng)為例，介紹MEMS性能研究情況 梳齒差分電容式體硅微加速度計(jì)硅微動(dòng)構(gòu)件中的空氣阻尼效應(yīng)掃描隧道顯微鏡原理示意圖硅微動(dòng)構(gòu)件中的空氣阻尼效應(yīng)二維微鏡示意圖硅微動(dòng)構(gòu)件中的空氣阻尼效應(yīng)微電容開關(guān)硅微動(dòng)構(gòu)件中的空氣阻尼效應(yīng)微致動(dòng)器SEM圖硅微動(dòng)構(gòu)件中的空氣阻尼效應(yīng)叉齒型微陀螺空氣阻尼是影響微動(dòng)構(gòu)件性能的顯著因素 宏觀理論用于微觀尺度 Couette模型和Stokes模型 微尺度效應(yīng) Knudsen數(shù)已處于滑流區(qū)(0.01Kn10 流動(dòng)為自由分子流動(dòng)或無(wú)碰撞流

30、動(dòng)Kn0.01 流動(dòng)為連續(xù)流 可采用連續(xù)介質(zhì)流體力學(xué)理論來(lái)分析0.01Kn10 流動(dòng)為過(guò)渡態(tài)流 流動(dòng)必須考慮為稀薄氣體流，而不是連續(xù)介質(zhì) MEMS構(gòu)件中氣體流動(dòng)的Knudsen數(shù)為0.03左右必須考慮稀薄氣體效應(yīng)和速度邊界滑移 一階速度滑移邊界條件： 微尺度效應(yīng)為計(jì)入稀薄氣體效應(yīng)，引入了有效粘度系數(shù)：相對(duì)流量系數(shù)用于描述在狹小間隙內(nèi)稀薄氣體的流動(dòng)，可從線性Boltzmann方程推導(dǎo)得到： 縱向諧振擠壓空氣阻尼模型 縱向諧振擠壓空氣阻尼模型 作如下假設(shè)：運(yùn)動(dòng)中兩微平面保持相互平行平板沿垂直表面方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中兩微平面間壓力變化小 于環(huán)境壓力流體Reynolds方程： 計(jì)入稀薄氣體作用修正Rey

31、nolds方程： 微諧振器動(dòng)力學(xué)模型橫向振動(dòng)微諧振器結(jié)構(gòu)圖 彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng) 微諧振器動(dòng)力學(xué)模型微諧振器動(dòng)力學(xué)方程 其中，有效質(zhì)量 mp為諧振器振動(dòng)板的主干質(zhì)量，mf為活動(dòng)叉指質(zhì)量，mb為彈性梁質(zhì)量，mt為支撐架質(zhì)量彈性梁彈性系數(shù) 微諧振器動(dòng)力學(xué)模型 在激勵(lì)信號(hào)電壓U 的作用下，固定不動(dòng)電極的叉指與振子叉指間形成交變靜電力F，使振子沿x方向發(fā)生移動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)力的頻域表達(dá)式簡(jiǎn)化為： 靜電力表達(dá)式：驅(qū)動(dòng)電壓：振動(dòng)板與襯底間流場(chǎng)分析 流場(chǎng)在3/4時(shí)刻速度分布圖 振動(dòng)板與襯底間流場(chǎng)分析 流場(chǎng)在時(shí)刻速度分布圖 振動(dòng)板與襯底間流場(chǎng)分析 流場(chǎng)在5/4時(shí)刻速度分布圖 振動(dòng)板與襯底間流場(chǎng)分析 流場(chǎng)在3/2時(shí)刻速度分布圖 振動(dòng)板與襯底間流場(chǎng)分析 流場(chǎng)在7/4時(shí)刻速