摘要：为提高微机电系统(MEMS)中光学系统整体仿真的准确性和效率,解决光学组件系统级建模存在的问题,提出了一种光学组件系统级建模方法,该方法可同时支持与MEMS系统级机械组件和电路组件共同仿真。首先,介绍了多端口组件网络方法、高斯光束特点和空间坐标系变换理论。接着,以微平面镜为例,介绍了光学组件系统级建模方法的流程。最后,采用Verilog-A硬件描述语言建立了包含多个典型光学组件的系统级光学库。使用该库的光学组件在MEMS集成设计工具MEMS Garden中搭建微扫描系统进行了仿真与测试。与商业软件CoventorWare的分析结果相比,提出的建模方法解决了扫描盲区问题,且非差分电压分析的误差小于3%。结果显示,本文提出的建模方法精确有效,对MEMS的系统级设计有参考价值。

摘要：合成射流器的设计与仿真是优化其性能参数的关键。针对目前合成射流器的计算模型在建立物理模型时存在简化误差而导致仿真精度降低的问题,提出了一种基于多域耦合分析的全流场计算模型。该模型采用通用有限元分析软件ANSYS中的压电耦合单元实现电场-结构场的直接耦合分析,并通过ANSYS与流体仿真软件CFX间的耦合接口完成流场-结构场的同步双向耦合,最终实现了压电式合成射流器真实物理过程的数值模拟。基于此模型对合成射流器的工作过程进行了模拟,并研究了驱动电压和腔体结构参数对喷口速度的影响。结果表明:多域耦合模型能准确模拟合成射流的形成过程,数值模拟与实验结果的变化趋势一致,且相对误差不超过8%,为合成射流器的优化设计及控制提供了理论依据。

摘要：压电式微型合成射流器的结构参数对射流速度有极大影响,然而各结构参数的影响规律及程度无法用单因素考查法来确定。针对这个问题,采用正交分析法结合多域耦合数值模拟,研究了主要结构参数对射流速度的综合影响,对器件结构参数进行了优化。仿真结果表明:在所考查的参数范围内,喷口宽度、腔体宽度、压电片厚度对射流速度的影响较大,但三者的影响程度依次降低;射流速度随喷口宽度、压电片厚度的增大而减小,随腔体宽度的增大而增大;压电片宽度对射流速度影响很小。在此基础上,采用微机电系统(MEMS)加工工艺制作了压电式微型合成射流器,测得器件能承受的最大激励电压为30 V,最大射流速度为10 m/s,最佳工作频率为10 kHz。

摘要：在设计某一压阻式压力传感器特定敏感结构的过程中,对出现的技术难题进行了研究。文中的第2部分设计了弹性膜片的典型结构;第3部分设计了压敏电阻的尺寸以及阻值;第4部分使用ANSYS软件分析了弹性膜片在不同压力作用下的应力、应变分布,确定了压敏电阻在弹性膜片上的最佳分布位置。分析结果表明:压敏电阻距离弹性膜片边缘越近,灵敏度越高。同时计算了不同外界压力载荷和不同位置条件下压敏电阻的电压输出变化情况,提取了敏感膜片的固有频率和响应时间。文中响应时间曲线表明:所设计的微型压阻式压力传感器响应速度快,稳定时间仅为1.0×10^(-5)s。

摘要：氢氟酸(HF)刻蚀SiO2牺牲层受多种因素影响,其中刻蚀液的温度、组分、浓度、被刻蚀结构的形式及结构内部的残余应力等是最主要的。样品设计了多种测试结构,深入研究这些因素对刻蚀速率及结果的影响,并进行了详细的讨论与分析。通过实验可观察到刻蚀过程中的反应限制阶段与扩散限制阶段,说明经长时间的刻蚀,HF的扩散效应将成为影响刻蚀速率的主导因素。对于实验过程中观察到的"凸"状的刻蚀前端和"晕纹"现象,分析认为结构中的应力梯度及材料间不同的亲水性质是产生这些现象的主要原因。

摘要：当前MEMSCAD软件中可以支持的设计流程比较固定和单一,已不能完全满足由MEMS器件种类日益增多所带来的设计新需求.论文提出了一种可支持任意流程的MEMS设计方法,并基于此建立了设计工具原型系统.该方法采用通用的系统级、器件级和工艺级的三级架构,但以网表、标准格式的实体模型和版图文件分别作为这三个级别设计数据的出入口.设计了相应的信息提取算法及程序,实现了任意两个级别之间的数据自动传递,从而可以支持在该架构下的全部六种设计流程.尤其是由系统级到器件三维实体再到工艺版图的设计流程为国际上率先实现,其从功能逐步综合到器件结构,可有效减少设计的迭代次数.设计实例表明,基于该工具可以针对不同的MEMS器件选择最优的设计路线,显著提高了MEMS的设计效率.

摘要：为了提高微控制力矩陀螺的输出力矩,提出了一种微型控制力矩陀螺的设计方案。所设计的微型控制力矩陀螺用角振动代替了传统控制力矩陀螺的转动,由转子角振动系统及框架角振动系统组成,实现了基于科氏效应的控制力矩输出。通过框架角振动系统的电极位置居中设置及在玻璃上挖槽的设计,避免了静电吸合现象。四个完全相同的微型控制力矩陀螺构成一个阵列,每两个微型控制力矩陀螺的电压相位依次相差90°,即可消除寄生控制力矩并稳定力矩输出。所设计的微型控制力矩陀螺四单元阵列的力矩输出可达5.12×10-6 Nm。最后,设计了微型控制力矩陀螺两层可动结构的工艺流程,所设计的工艺流程尽管具有一定的复杂性和难度,但均采用了当前一些比较成熟的工艺步骤,具有一定的可行性,有望在微型航天器的姿态控制上得到应用。

摘要：针对电容式MEMS陀螺,设计了一种高精度CMOS接口读出电路。从理论上分析了接口寄生电容、器件的不匹配对接口电路的影响,采用连续时间电压读出方式的检测方法,设计了一款带有输入输出共模反馈的低噪声全差分电荷运算放大器,输入输出共模电压稳定在2.5V,输入端的噪声电压为9nV。载波调制技术用来消除低频闪烁噪声。在Cadence中对设计的接口电路进行仿真分析,并采用PCB电路板进行了实验。结果显示所提出的接口电路不仅消除了大部分寄生电容的影响,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号,而且减小了由于器件的不匹配产生的失调电压对电容分辨率的影响,电路Cadence仿真的电容分辨率可达0.13aF/（Hz）~1/2,能满足惯导级的需求。

摘要：提出一种基于近似模型的MEMS系统级优化方法,给出具体实现流程,并结合一个y轴微机械陀螺进行优化。该方法解决了如何得到近似优化目标函数表达式的关键问题。所得的y轴微机械陀螺优化参数,使得陀螺驱动模态谐振频率fx和检测模态谐振频率fz分别为3 074 Hz和2 998 Hz,两者之间相差7 6 Hz,较好的实现了模态匹配,且都在3 000 Hz的设计要求附近,约束条件也得到了满足。该优化方法为在MEMS设计中快速获得系统级优化方案提供较好参考。

摘要：对寄生蝇指向性听力的形成原理进行了说明。以寄生蝇相互耦合的两鼓膜为原形,设计了一种仿生的声压梯度敏感结构。推导了平面简谐波作用于敏感结构的转矩与结构尺寸及声压梯度之间的关系。给出了基于SOI硅片的声压梯度敏感结构加工方法。确定了台阶结构光刻、SOI硅片与玻璃阳极键合、湿法去除SOI硅片基底层等关键工艺的相关工艺参数。器件的加工结果表明,具有三维结构的声压梯度敏感结构可以通过体加工工艺来实现。