机械测试方法与微机电系统

机械测试方法与微机电系统概述机 电 工 程 与 自 动 化 学 院 检 测 技 术 作 为 信 息 科 学 的 一 个 重 要 分 支 ， 与 计 算 机 技术 、 自 动 控 制 技 术 和 通 信 技 术 等 一 起 构 成 了 信 息 技 术的 完 整 学 科 。 在 人 类 进 入 信 息 时 代 的 今 天 ， 人 们 的 一切 社 会 活 动 都 是 以 信 息 获 取 与 信 息 转 换 为 中 心 ， 传 感器 作 为 信 息 获 取 与 信 息 转 换 的 重 要 手 段 ， 是 信 息 科 学最 前 端 的 一 个 阵 地 ， 是 实 现 信 息 化 的 基 础 技 术 之 一 。 组成 试 验 装 置 数 据处 理装 置 测 量 装 置记 录显 示 被 测对 象 传感器 信 号调 理 多 路模 拟开 关 取 样保 持检 测 系 统功 率放 大激 励装 置 低 通滤 波 A/D 显 示RAMCPUROM键 盘计算机总线D/A 力 学 参 数 ： 表 明 机 器 工 作 负 荷 状 况 的 参 数 ， 力 、 力 矩 、 应 力 、 电 压 等 ； 运 动 参 数 ： 表 明 机 械 运 动 规 律 的 参 数 ， 位 移 、 速 度 、 加 速 度 等 ； 电 参 数 ： 表 明 机 器 工 作 负 荷 状 况 的 参 数 ， 电 流 、 电 压 、 功 率 等 ； 工 艺 参 数 ： 表 明 加 工 工 艺 条 件 的 有 关 参 数 ， 如 加 工 对 象 的 加 工 量 、 温 度 、 几 何 形 状 等 。测 量 参 数 信 号 ： 反 映 被 测 系 统 的 状 态 及 特性 。 通 过 研 究 信 号 的 内 在 的 规 律 ， 可充 分 认 识 被 测 系 统 的 相 互 关 系 。 信 号 的 分 类静 态 信 号 :指幅 值 不 随 时 间 变 化或 变 化 极 缓 慢 的 信号 。 动 态 信 号 :指瞬 时 幅 值 随 时 间 变化 的 信 号 。 周 期 信 号 的 幅 值 可 以 用 峰 值 、 均 值 、 有 效 值 以 及 方 差 值 来 表 示 。峰 值 是 指 信 号 可 能 出 现 的 最 大 瞬 时 幅 值 ； 均 值 是 动 态 信 号 在 整 个 时域 的 积 分 平 均 ； 方 差 是 信 号 x(t)相 对 于 其 均 值 变 化 的 均 方 值 。 周 期 信 号 有 很 多 表 示 形 式 ， 如 周 期 性 方 波 、 锯 齿 波 （ 三 角波 ） 等 最 简 单 的 是 正 弦 信 号 。50Hz正 弦 信 号 波 形周 期 信 号 传 感 器 选 择基 本 参 数 指 标 环 境 参 数 指 标 可 靠 性指 标 其 他 指 标量 程 指 标 ：量 程 范 围 、 过 载 能 力 等灵 敏 度 指 标 ：灵 敏 度 、 分 辨 力 、 满 量 程输 出 等精 度 有 关 指 标 ：精 度 、 误 差 、 线 性 、 滞 后、 重 复 性 、 灵 敏 度 误 差 、稳 定 性 动 态 性 能 指 标 ：固 定 频 率 、 阻 尼 比 、 时 间常 数 、 频 率 响 应 范 围 、 频率 特 性 、 临 界 频 率 、 临 界速 度 、 稳 定 时 间 等 温 度 指 标 ： 工 作 温 度 范 围 、 温度 误 差 、 温 度 漂 移、 温 度 系 数 、 热 滞后 等抗 冲 振 指 标 ： 允 许 各 向 抗 冲 振 的频 率 、 振 幅 及 加 速度 、 冲 振 所 引 入 的误 差其 他 环 境 参 数 ： 抗 潮 湿 、 抗 介 质 腐蚀 等 能 力 、 抗 电 磁场 干 扰 能 力 等 工 作 寿命 、 平均 无 故障 时 间 、保 险 期 、疲 劳 性能 、 绝缘 电 阻 、耐 压 及抗 飞 弧等 使 用 有 关 指 标 ：供 电 方 式 （ 直流 、 交 流 、 频率 及 波 形 等 ）、 功 率 、 各 项分 布 参 数 值 、电 压 范 围 与 稳定 度 等外 形 尺 寸 、 重量 、 壳 体 材 质、 结 构 特 点 等安 装 方 式 、 馈线 电 缆 等 传 感 器 原 理 检 测 技 术温 度 传 感 器磁 敏 传 感 器光 电 传 感 器应 变 传 感 器电 感 传 感 器 电 容 传 感 器 压 电 传 感 器其 他 传 感 器多 传 感 器 融 合检 测 电 路现 代 检 测 系 统 应 力 是 重 要 的 机 械 量 ， 应 力 状 况 可 由 某 点 主 应 力 的大 小 和 方 向 来 表 示 。 测 量 应 力 可 以 分 析 研 究 零 件 、 机 构 的 受 载 情 况 、 负荷 水 平 和 强 度 能 力 ， 验 证 设 计 计 算 结 果 的 正 确 性 。 应 力 测 试 任 务 是 正 确 确 定 零 件 主 应 力 的 大 小 、 方 向 及分 布 规 律 。 应 力 测 试 方 法 主 要 采 用 电 阻 应 变 测 量 法 。 主 应 力 方 向 已 知 时 的 应 力 测 量 为 测 量 简 单 应 力 状 态 下 的 主 应 力 方 向 已 知 的单 向 应 力 ， 可 采 用 沿 主 应 力 方 向 粘 贴 电 阻 应 变片 的 方 法 。 测 量 前 ， 要 求 电 桥 处 于 平 衡 状 态 ， 无 输 出 。 测量 时 ， 电 桥 应 愈 不 平 衡 愈 好 ， 这 样 可 获 得 最 大 的输 出 信 号 。 组 桥 的 同 时 ， 还 需 考 虑 电 桥 的 温 度 补偿 。 4321041 ku u 纯 弯 曲 应 力 的 测 量 若 被 测 量 零 件 的 横 截 面 对 中 性 轴 是 对 称 的 ， 则零 件 上 下 面 的 最 大 拉 、 压 应 力 相 等 ， 电 阻 应 变 片 可粘 贴 在 零 件 的 上 下 两 个 侧 面 ， 其 布 片 ， 组 桥 的 方 式有 单 臂 桥 、 半 桥 和 全 桥 三 种 。 机 械 设 备 的 基 本 参 数 是 力 、 扭 矩 等 。 轧 制 力 的 测 量 金 属 在 轧 制 过 程 中 ， 作 用 在 轧 辊 上 的 压 力 即 为 轧 制 力 ，它 是 轧 机 的 基 本 载 荷 参 数 之 一 。轧 制 力 的 测 量 方 法应 力 测 量 法 传 感 器 测 量 法 应 力 测 量 法 在 轧 机 机 座 中 ， 凡 直 接 受 轧 制 力 的 零 件 ， 都 产生 与 轧 制 力 相 对 应 的 弹 性 变 形 ， 通 过 这 些 零 件 的 弹性 变 形 ， 可 间 接 测 量 出 轧 制 力 。 轧 制 时 ， 机 架 的 立柱 产 生 弹 性 变 形 ， 其 大 小 与 轧 制 力 成 正 比 。 为 了 测 的 拉 应 力 ， 必须 把 电 阻 应 变 片 粘 贴 在 立柱 的 中 性 面 0-0上 ， 这 样可 消 除 弯 曲 应 力 。 机 架 立 柱 上 的 布 片 及 组 成 全 桥 的 方 式 轧 制 力 测 量 中 ， 直 接 承 受 轧 制 力 的 测 力 传 感 器 被广 泛 应 用 。 它 与 应 变 法 相 比 ， 传 感 器 的 应 力 水 平 要 高10-20倍 ， 精 度 及 稳 定 性 均 优 。 轧 机 测 力 传 感 器 应 安 装 在 工 作 机 座 两 侧 轧 辊 轴 承垂 直 载 荷 的 传 力 线 上 ， 通 过 测 量 两 侧 的 轧 制 分 力 即 可得 到 总 轧 制 力 。 轧 机 测 力 传 感 器 有 电 感 式 、 电 容 式 、压 磁 式 、 和 电 阻 应 变 片 式 等 类 型 。 轧 机 测 力 传 感 器 ，简 称 压 头 。 电 阻 应 变 片 的 布 片 和 组 桥 方 案 ， 应 具 有 消除 偏 载 、 弯 矩 、 扭 转 、 温 度 等 干 扰 的 特 点 。 流 体 压 力 是 指 气 体 或 液 体 作 用 于 单 位 面 积 上 的 平均 法 向 压 力 ， 也 称 压 强 。 其 原 理 是 利 用 粘 贴 应 变 片 的 膜 板 或 圆 筒壁 直 接 承 受 流 体 压 力 ， 通 过 所 产 生 的 应 变 来测 量 其 压 力 。 是 一 个 薄 壁 筒 ， 在 它 的 外 表 面 上 ， 沿 圆 周 方 向 上粘 贴 应 变 片 （ 工 作 片 ） 。 薄 壁 筒 的 顶 端 （ 实 心 圆 柱 部 分 ）无 变 形 ， 故 在 其 外 表 面 上 ， 粘 贴 补 偿 片 ， 它 和 工 作 片 一起 组 成 单 臂 工 作 电 桥 。 电 阻 式 传 感 器 测 量 位 移 变 阻 器 式 传 感 器 测 量 位 移 电 感 式 传 感 器 测 量 位 移 可 变 磁 阻 式 传 感 器 测 量 位 移 电 容 式 传 感 器 测 量 位 移 光 电 脉 冲 法 测 量 转 速 电 感 传 感 器 法 测 量 转 速 工 作 原 理 ： 基 于 电 磁 感 应 原 理 。 它 是 把 被 测 量 转化 为 电 感 量 变 化 的 一 种 装 置 。种 类 ： 自 感 式 （ 包 括 可 变 磁 阻 式 与 涡 流 式 ） 互 感 式 （ 差 动 变 压 器 式 ） 灵 敏 度 ： 当 测 试 装 置 的 输 入 信 号 有 微 小 变 化 时 ， 引 起 输 出 信 号 发 生 微 变 量 ， 则 称 它 们 的 比 值 为 灵 敏 度 。线 性 度 ： 是 指 测 试 装 置 的 输 入 和 输 出 是 否 保 持 线 性 关 系 线性 度 = 输 出 的 标 定 值 -输 出 的 理 论 值 /输 出 信 号 的 变 化 范 围回 程 误 差 ： 在 实 际 测 试 中 ， 在 同 样 的 条 件 下 ， 当 输 入 信 号 大 和由 大 减 小 的 过 程 中 ， 测 试 装 置 会 出 现 输 入 同 一 个 信 号 ， 而 得 到 不 同的 两 个 输 出 信 号 ,其 最 大 差 值 称 为 回 程 误 差 。 多 路 模 拟 开 关导 通 电 阻 ： 200 关 断 漏 电 流 ： nApA开 关 时 间 ： 数 百 ns 译 码 器 A 0S0 A2 OUTS2S1S3S5S4S7S6 A/D转 换 器 x(n t)x(t) t q 000001010011x(n) nA/D转 换 过 程0 ts(t) 取 样 量 化 编 码取 样信 号 s(t)模 拟信 号x(t) xs(t)x(n t) x(n)0 0 0 t 按 系 统 误 差的 性 质 分 类 按 系 统 误 差 产生 的 原 因 分 类 设备误差环境误差实验方法误差人员误差固定误差累进误差周期性误差变化规律复杂的误差 What are MEMS? Micro-electro-mechanical systems Very small mechanical assemblies Hinged plate (UCLA) Hinge closeup (MCNC) 微 机 电 系 统 (MEMS) MEMS是 适 用 于 批 量 制 作 的 ， 集 微 型 机构 、 微 型 传 感 器 、 微 型 执 行 器 、 信 号 处 理 和控 制 及 通 讯 接 口 电 路 、 能 源 等 于 一 体 的 能 完成 特 定 功 能 的 微 系 统 。 微 飞 行 器血 液 压 力 传 感 器 MEMS与 相 关 学 科 领 域 MEMS的 特 点1） 微 型 化 ： MEMS器 件 体 积 小 、 重 量 轻 、 耗能 低 、 惯 性 小 、 谐 振 频 率 高 、 响 应 时 间 短 。2） 以 硅 为 主 要 材 料 ， 机 械 电 器 性 能 优 良 ： 硅的 强 度 、 硬 度 和 杨 氏 模 量 与 铁 相 当 ， 密 度 类 似铝 ， 热 传 导 率 接 近 钼 和 钨 。3） 批 量 生 产 ： 用 硅 微 加 工 工 艺 在 一 片 硅 片 上可 同 时 制 造 成 百 上 千 个 微 型 机 电 装 置 或 完 整 的MEMS。 批 量 生 产 可 大 大 降 低 生 产 成 本 。 4） 集 成 化 ： 可 以 把 不 同 功 能 、 不 同 敏 感 方 向 或致 动 方 向 的 多 个 传 感 器 或 执 行 器 集 成 于 一 体 ，或 形 成 微 传 感 器 阵 列 、 微 执 行 器 阵 列 ， 甚 至 把多 种 功 能 的 器 件 集 成 在 一 起 ， 形 成 复 杂 的 微 系统 。 微 传 感 器 、 微 执 行 器 和 微 电 子 器 件 的 集 成可 制 造 出 可 靠 性 、 稳 定 性 很 高 的 MEMS。5） 多 学 科 交 叉 ： MEMS涉 及 电 子 、 机 械 、 材 料 、制 造 、 信 息 与 自 动 控 制 、 物 理 、 化 学 和 生 物 等多 种 学 科 ， 并 集 成 了 当 今 科 学 技 术 发 展 的 许 多尖 端 成 果 。 微 机 电 系 统 研 究 得 到 了 美 国 、 日 本 、 欧 洲 等 各国 政 府 机 构 、 企 业 界 、 高 等 学 校 与 研 究 机 构 的 高 度重 视 。 源 源 不 断 涌 现 的 MEMS器 件 和 系 统 不 但 突 破了 某 些 传 统 加 工 技 术 的 瓶 颈 ， 实 现 了 技 术 的 进 步 ，甚 至 带 来 了 观 念 的 革 命 和 产 业 结 构 的 更 新 。 其 中 以美 国 的 表 现 最 为 突 出 。从 八 十 年 代 以 来 ， 美 国 政 府 机 构 把 MEMS作 为科 技 发 展 的 三 大 重 点 之 一 ， 先 后 得 到 了 NASA、DARPA、 国 家 科 学 基 金 会 等 数 亿 美 元 的 资 助 。 1994年 发 布 的 美 国 国 防 部 技 术 计 划 报 告 也 将 微 机 电系 统 列 为 关 键 技 术 项 目 。 主要内容qMEMS典 型 器 件 及 系 统 qMEMS加 工 技 术 qMEMS基 础 性 研 究 MEMS典 型 器 件 及 系 统 微 型 传 感 器 MicroSensor 微 型 致 动 器 MicroActuator 射 频 微 机 电 系 统 RFMEMS 微 型 光 机 电 系 统 MOEMS 微 型 生 物 机 电 系 统 BioMEMS 微 型 传 感 器v微 型 传 感 器 是 MEMS的 一 个 重 要 组 成 部 分 。1962年 第 一 个 硅 微 型 压 力 传 感 器 问 世 ， 开 创 了MEMS的 先 河 。v现 在 已 经 形 成 产 品 和 正 在 研 究 中 的 微 型 传 感 器有 ： 压 力 、 力 、 力 矩 、 加 速 度 、 速 度 、 位 置 、流 量 、 电 量 、 磁 场 、 温 度 、 气 体 成 分 、 湿 度 、pH值 、 离 子 浓 度 和 生 物 浓 度 、 微 陀 螺 、 触 觉传 感 器 等 等 。v微 型 传 感 器 正 朝 着 集 成 化 和 智 能 化 的 方 向 发 展 。 谐 振 式 微 磁 强 计 谐 振 式 微 加 速 度 传 感 器悬 臂 式 微 加 速 度 传 感 器 微 型 致 动 器v微 型 致 动 器 有 ： 微 开 关 、 微 谐 振 器 、微 阀 、 微 泵 、 微 电 机 等 。v用 途 ： 可 用 于 物 体 的 搬 送 、 定 位v驱 动 方 式 主 要 有 ： 静 电 驱 动 、 压 电驱 动 、 电 磁 驱 动 、 形 状 记 忆 合 金 驱动 、 热 双 金 属 驱 动 、 热 驱 动 等 等 。 随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 运 动 操 作 的 精 度 要 求 越 来越 高 ， 而 一 些 操 作 必 须 在 纳 米 尺 度 下 进 行 才 能 达 到规 定 要 求 。 纳 米 级 致 动 ， 是 指 致 动 精 度 达 到 纳 米 级 (几 十 个纳 米 或 更 小 )各 种 形 式 的 单 、 多 自 由 度 的 微 操 作 。纳 米 级 致 动 是 纳 米 测 控 技 术 的 关 键 组 成 部 分 ， 在光 学 仪 器 、 半 导 体 加 工 、 生 物 医 学 、 航 空 航 天 技 术 、IT产 业 、 制 造 业 等 领 域 起 着 重 要 作 用 。 微 型 电 机 是 一 种 典 型 的 微 型 致 动 器 ， 可分 为 旋 转 式 和 直 线 式 两 类 。 谐 振 式 微 致 动 器 电 热 驱 动 射 频 微 机 电 系 统OneExampleofNanosatelliteCommunication Faster, Better, Cheaper NASA Administrator Daniel Goldin sought new methods for spaceexploration Reduced mass results in significant gain in shrinking launching cost Situation perfectly suited for MEMS devices Low mass, resistant to inertial and vibration damage Endurance in high radiation environments Increase aperture size for interferometer and distributed radar systems Chandra X-Ray Observatory CXC PKS 06373C273Hubble Space Telescope Planned DSA Missions Terrestrial Planet Finder (JPL) TechSat 21 Distributed Radar (AFRL)Space Technology 5 & 6 (NASA - NMP) First to use primarily MEMS components Consideration for DSA Actively control relative positions and velocities Robust, reliable feedback from sensors possibly onboard separate vehicle Remote RF communication necessary RF comm. requires sender/receiver pair with signal processing hardware MEMS RF devices explored: Switches Antennas Signal Filters Phase Shifters RF MEMS switches have better efficiency and lower insertion losses than conventional switches Ideal for space: Rapid response Good power handling Wide bandwidth High open isolation RFMEMS 滤 波 器 MEMS offers passive front-end signal processing capability Compact one-chip design High fidelity signal handling Tunable configuration Filter sensitivity and quality factor (Q) would be greatly increased CPW filter structure CPW FilterBeam Resonator RFMEMS 天 线 17.5 GHz V-Antenna 谐 振 式 MEMS滤 波 器 微 型 光 机 电 器 件 和 系 统 随 着 信 息 技 术 、 光 通 信 技 术 的 发 展 ，宽 带 的 多 波 段 光 纤 网 络 将 成 为 信 息 时 代 的主 流 ， 光 通 信 中 光 器 件 的 微 小 型 化 和 大 批量 生 产 成 为 迫 切 的 需 求 。 MEMS技 术 与 光 器件 的 结 合 恰 好 能 满 足 这 一 要 求 。 由 MEMS与光 器 件 融 合 为 一 体 的 微 型 光 机 电 系 统（ MOEMS） 将 成 为 MEMS领 域 中 一 个 重 要 研 究方 向 。 随 着 微 机 电 研 究 的 深 入 ， 光 学 内 容 逐 渐进 入 其 中 ， 从 而 出 现 了 将 光 、 机 、 电 系 统 集成 在 一 起 的 系 统 ， 构 成 微 光 机 电 系 统 。 微 光 机 电 系 统 的 研 究 内 容 主 要 有 光 通 信用 波 分 复 用 器 、 光 开 关 、 显 示 器 、 微 型 光 谱仪 、 光 学 连 接 器 、 可 调 波 长 滤 波 器 、 微 光 扫描 器 、 微 斩 波 器 、 微 干 涉 仪 、 微 可 变 焦 透 镜 、微 外 腔 激 光 器 、 微 镜 阵 列 、 透 镜 阵 列 、 光 学探 测 器 、 集 成 光 学 系 统 、 光 学 编 码 器 等 。 其中 ， 光 通 讯 用 光 开 关 、 微 型 光 学 传 感 器 以 及显 示 器 是 目 前 最 被 看 好 的 部 分 。 TI公 司 的 数 字 微 镜 显示 器 （ DMD） ， 通过 CMOS技 术 将 数百 万 4 4平 方 微 米的 铝 镜 阵 列 与 控 制电 路 集 成 在 一 起 。每 个 微 镜 可 以 进 行 10度 的 扭 转 ， 从而 达 成 “ 1”和 “ 0”两 个 状 态 。 其 响 应时 间 可 以 达 到 1ms。目 前 这 一 产 品 已 经上 市 ， 并 成 功 进 入了 投 影 仪 市 场 。 Lucent公 司 推 出 的 基 于 MOEMS技 术 的 Lambda路由 器 ， 它 通 过 表 面 微 机 械 技 术 制 作 了 上 万 面 可 二 维 转动 的 微 镜 ， 可 以 在 光 通 讯 中 实 现 光 交 换 的 功 能 。 （ a） 二 维 微 镜 结 构 （ b） 微 镜 阵 列 (c)光 交 换 工 作 原 理 示 意 图 以 药 物 输 送 系 统 为 例微 型 生 物 机 电 系 统 Drug Delivery by MEMS Advantages Improved Control More Effective Disadvantages Biocompatibility Concerns Biofouling Issues The “Smart Pill” Built-in sensor to detect when the drug is required Artificial muscle membrane to release the drug Microneedles Microneedles are used to improve transdermal drug delivery MEMS加 工 技 术 MEMS加 工 技 术 主 要 有 从 半 导 体 加 工 工 艺 中 发展 起 来 的 硅 表 面 工 艺 和 体 硅 工 艺 。 八 十 年 代 中 期 以后 利 用 X射 线 光 刻 、 电 铸 、 及 注 塑 的 LIGA（ 德 文Lithograph Galvanformung und Abformug简 写 ） 技 术诞 生 ， 形 成 了 MEMS加 工 的 另 一 个 体 系 。 MEMS的 加工 技 术 可 包 括 硅 表 面 加 工 和 体 加 工 的 硅 微 细 加 工 、LIGA加 工 和 利 用 紫 外 光 刻 的 准 LIGA加 工 、 微 细 电 火花 加 工 （ EDM） 、 超 声 波 加 工 、 等 离 子 体 加 工 、 激光 加 工 、 离 子 束 加 工 、 电 子 束 加 工 、 立 体 光 刻 成 形等 。 MEMS的 封 装 技 术 也 很 重 要 。 传 统 的 精 密 机 械 加工 技 术 在 制 造 微 小 型 机 械 方 面 仍 有 很 大 潜 力 。 MEMS加 工 技 术l表 面 硅 工 艺l体 硅 工 艺 Surface micromachining Specifically - MUMPS (Multi-User MEMS Processes)1 MUMPS has been called “MOSIS for MEMS” Three poly layer process derived from Berkeley Sensors and Actuators Center Seven total material layers N mask steps Processing Layers 7 material layers/ isolation conductor (poly) 1st sacrificial (oxide) 1st structural (poly) 2nd sacrificial (oxide) 2nd structural (poly) metal 表 面 硅 工 艺以 静 电 梳 谐 振 器 为 例 1、 硅 片 制 备 （ 400微 米 ）2、 清 洗 后 通 过 氧 化 作 用 在 硅 片 表 面 生 成 SiO23、 淀 积 PolySi， 生 成 底 面 导 电 层 4、 刻 蚀 PolySi（ 下 图 为 已 设 计 的 微 谐 振 器底 层 导 电 多 晶 硅 结 构 ） 5、 淀 积 Si3N4 形 成 绝 缘 层6、 淀 积 PSG 7、 刻 蚀 PSG（ 开 始 构 造 结 构 层 ， 例 如 图 示可 以 看 作 给 结 构 层 加 支 撑 点 或 触 点 ） 8、 刻 蚀 PSG， Si3N4（ 下 图 绿 色 区 域 为 底 层 Si3N4，绝 缘 层 被 刻 蚀 区 域 ， 以 保 证 与 结 构 层 导 电 ） 9、 淀 积 PolySi（ 结 构 层 ）10、 淀 积 PSG（ 10 13为 结 构 层 多 晶 硅 表面 表 面 金 属 化 处 理 ） 11、 腐 蚀 PSG12、 溅 射 Al 13、 刻 蚀 Al14、 刻 蚀 PolySi 15、 腐 蚀 PSG（ 至 此 结 构 层 的 制 作 完 毕 ） 体 硅 工 艺 以 静 电 梳 谐 振 器 为 例 1、 光 刻 、 刻 蚀 在 硅 表 面 （ N 型 硅 或 P 型 ） 形成 浅 槽 定 义 键 合 区 域 2、 扩 散 掺 杂 形 成 接 触 区 3、 光 刻 、 溅 射 Ti/Pt/Au金 属 剥 离 形 成 金 属电 极 4、 硅 /玻 璃 键 合 5、 刻 蚀 ， 释 放 结 构 裂 片 ， 取 得 最 终 单 元 MEMS基 础 性 研 究l尺 度 效 应 和 表 面 效 应l微 流 体 力 学l力 学 和 热 力 学 基 础l微 机 械 特 性 和 微 摩 擦 学 尺 度 效 应 和 表 面 效 应 尺 度 效 应 研 究 已 有 较 长 的 时 间 。 力 的 尺 度 效 应和 表 面 效 应 说 明 ， 在 宏 观 领 域 作 用 微 小 的 力 和 现 象 ，在 微 观 领 域 可 能 起 着 重 要 的 作 用 。 在 微 小 尺 寸 领 域 ， 与 特 征 尺 寸 L的 高 次 方 成 比例 的 惯 性 力 、 电 磁 力 （ L3） 等 的 作 用 相 对 减 小 ， 而与 尺 寸 的 低 次 方 成 比 例 的 粘 性 力 、 弹 性 力 （ L2） ，表 面 张 力 （ L1） 、 静 电 力 （ L0） 等 的 作 用 相 对 增 大 ；随 着 尺 寸 的 减 小 ， 表 面 积 （ L2） 与 体 积 （ L3） 之 比相 对 增 大 ， 表 面 力 学 、 表 面 物 理 效 应 将 起 主 导 作 用 。尺 度 效 应 的 研 究 将 有 助 于 MEMS的 创 新 。 微 流 体 力 学 微 流 体 现 象 与 宏 观 规 律 有 相 当 的 差 别 ，有 的 规 律 需 要 进 行 较 大 的 补 充 和 修 正 。 例 如 ：微 细 通 道 内 流 动 是 否 还 符 合 Navier-Stokes方 程 ； 微 小 装 置 中 流 体 驱 动 机 制 可 用 表 面 张力 和 粘 性 力 ， 其 阻 力 特 性 也 有 所 不 同 、 微 小装 置 中 流 体 的 相 变 点 （ 饱 和 压 力 和 温 度 ） 不再 是 常 数 ， 而 随 尺 度 减 小 而 降 低 ； 微 细 管 道固 液 界 面 的 微 观 物 理 化 学 特 性 所 产 生 的 化 学效 应 ， 如 电 泳 、 电 渗 ， 对 微 流 体 的 力 学 行 为有 重 要 影 响 。 力 学 和 热 力 学 基 础 微 观 领 域 中 的 力 学 和 热 力 学 问 题 的 基础 研 究 可 分 为 两 大 类 ， 一 当 物 体 尺 度 缩 小至 与 粒 子 运 行 的 平 均 自 由 程 同 一 量 级 时 ，则 介 质 连 续 性 等 宏 观 假 定 不 再 成 立 ； 另 一类 ， 虽 然 连 续 介 质 等 宏 观 假 定 仍 然 成 立 ，但 由 于 物 体 尺 度 的 微 小 化 ， 各 种 作 用 力 的相 对 重 要 性 产 生 了 逆 转 ， 从 而 导 致 了 宏 观规 律 的 变 化 。 微 机 械 特 性 和 微 摩 擦 学 微 结 构 材 料 机 构 特 性 中 的 弹 性 模 量 、波 松 比 、 疲 劳 极 限 、 强 度 ， 以 及 内 应 力 和内 部 缺 陷 的 研 究 和 数 据 库 的 建 立 引 起 了 人们 的 重 视 ， 有 些 力 学 量 需 要 重 新 作 出 科 学的 表 述 。 微 观 摩 擦 学 包 括 纳 米 摩 擦 行 为 及其 控 制 研 究 、 薄 膜 润 滑 与 超 滑 技 术 研 究 、微 观 表 面 形 貌 与 表 面 力 学 、 表 面 物 理 效 应研 究 、 微 磨 损 和 微 观 表 面 改 性 研 究 。 硅 微 动 构 件 中 的 空 气 阻 尼 效 应 硅 微 动 构 件 中 的 空 气 阻 尼 效 应 l宏 观 理 论 用 于 微 观 尺 度Couette模 型 和 Stokes模 型 微 尺 度 效 应 Knudsen数 已 处 于 滑 流 区 (0.01Kn10 流 动 为 自 由 分 子 流 动 或 无 碰 撞 流 动Kn0.01 流 动 为 连 续 流 可 采 用 连 续 介 质 流 体 力 学 理 论 来 分 析0.01Kn10 流 动 为 过 渡 态 流 流 动 必 须 考 虑 为 稀 薄 气 体 流 ， 而 不 是 连 续 介 质MEMS构 件 中 气 体 流 动 的 Knudsen数 为 左 右 必须 考 虑 稀 薄 气 体 效 应 和 速 度 边 界 滑 移 wV Vwallgas yuKnuu |2 pre Q 159.1638.91 KnQpr 流 体 Reynolds方 程 ： thyPhyxPhx )(12)()( 33 thyPQhyxPQhx prpr )(12)()( 33 Fkxxcxm Fkxxcxm 其 中 ， 有 效 质 量 tbfpeff mmmmm 413512 mp为 谐 振 器 振 动 板 的 主 干 质 量 ， mf为 活 动叉 指 质 量 ， mb为 弹 性 梁 质 量 ， mt为 支 撑 架 质 量弹 性 梁 弹 性 系 数 )(2 lwEhk 在 激 励 信 号 电 压 U 的 作 用 下 ， 固 定 不 动 电 极 的 叉 指与 振 子 叉 指 间 形 成 交 变 静 电 力 F， 使 振 子 沿 x方 向 发 生 移动 。 222 22121 UdNhUdNlhxUxCF cc )sin( tUUU dp )sin(2)sin(0 tUUdNhtFF Pdc 流 场 在 3 /4时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 5 /4时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 3 /2时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 7 /4时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 2 时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 /4时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 /2时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 3 /4时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 5 /4时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 3 /2时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 7 /4时 刻 速 度 分 布 图 流 场 在 2 时 刻 速 度 分 布 图 微 谐 振 器 各 阶 谐 振 频 率 仿 真 值模 态 微 谐 振 器 一(Hz) 微 谐 振 器 二(Hz) 微 谐 振 器 三(Hz)第 一 阶 24946 19611 24549第 二 阶 26060 20038 35391第 三 阶 41564 32415 39883第 四 阶 55542 33982 84945第 五 阶 79129 74268 138490第 六 阶 112890 77481 162540第 七 阶 185780 82214 238300 微 谐 振 器 （ case1） 的 幅 频 响 应 图 微 谐 振 器 （ case2） 的 幅 频 响 应 图 微 谐 振 器 （ case3） 的 幅 频 响 应 图 振 动 瞬 态 响 应周 期 内 阻 尼 力 变 化 曲 线 微 平 面 构 件 的 空 气 压 力 分 布 稀 薄 气 体 效 应 影 响 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00-2 -10 12 3 阻尼 力 W/N 时 间 周 期 12 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00-10 -50 510 15 阻尼 力 W/ N 时 间 周 期 12a谐 振 频 率 f/22kHzb谐 振 频 率 f/100kHz1.不 计 稀 薄 气 体 效 应 2.计 入 稀 薄 气 体 效 应 谐 振 器 类 型 谐 振 频 率 结 果 对 比 （ KHz）理 论 值 实 测 值 相 对 误 差（ ）Case4(面 硅 ) 20.65 21.475 3.99Case5(体 硅 ) 8.27 8.35 0.95Case6(体 硅 ) 13.29 13.39 0.74Case7(体 硅 ) 12.7 12.15 4.33 理 论 计 算 结 果 和 实 验 值 Q 值计 入 稀 薄 气 体 效 应 和 滑 移边 界 条 件 的 空 气 阻 尼 模 型 27.1不 计 稀 薄 气 体 效 应 和 滑 移边 界 条 件 的 空 气 阻 尼 模 型 26.2简 化 模 型 31.67case4实 验 值 25.23 MEMS发 展 目 标 通 过 微 型 化 、 集 成 化 来 探 索 新 原 理 、新 功 能 的 元 件 和 系 统 ， 开 辟 一 个 新 技 术 领域 和 产 业 。 MEMS可 以 完 成 大 尺 寸 机 电 系统 所 不 能 完 成 的 任 务 ， 也 可 嵌 入 大 尺 寸 系统 中 ， 把 自 动 化 、 智 能 化 和 可 靠 性 水 平 提高 到 一 个 新 的 水 平 。 二 十 一 世 纪 MEMS将逐 步 从 实 验 室 走 向 实 用 化 ， 对 工 农 业 、 信息 、 环 境 、 生 物 工 程 、 医 疗 、 空 间 技 术 、国 防 和 科 学 发 展 产 生 重 大 影 响 。 谢 谢 ！