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为了更好地利用微机电结构的静电吸合功能,本文对静电吸合的特点进行了详细分析,提出了平行板电容器挡块的弹簧模型和反射模型,分析了基础激励对吸合与释放电压的影响。结果表明,对低频系统,基础激励的影响很大;对高频系统,基础激励的影响可以忽略。
为了准确控制不同批次ICP刻蚀的重复性,以保证体硅结构力学性能具有可预测性,本文采用悬臂梁和折梁支承的平行板电容器作为刻蚀监测结构,首次提出通过侧向吸合电压对过刻进行定量监测。理论分析发现,窄梁宽间距和宽梁窄间距的刻蚀监测结构对过刻都有很高的灵敏度,都满足ICP刻蚀对监测结构的要求。实际监测结果表明,采用这两种结构对过刻进行、定量监测是完全可行的,具有很大的实用价值。
由于目前难以根据版图尺寸得到器件的真实尺寸,现行MEMS器件的力学特性设计方法具有较大误差,设计人员不得不根据制作出的结构的性能,不断修改设计,以达到期望的性能指标。本文首次提出了工艺相关的刚度修正参数的概念,以及直接基于版图尺寸和修正参数对器件的力学特性进行准确预测的新设计方法。通过测量平行板电容器检测结构的侧向吸合电压,得到了不同间距和版图宽度的体硅梁的修正弹性模量和修正弯曲刚度,准确地预测出几何形状与检测结构有很大差异的折梁支承的平行板电容器的吸合电压,证明了本文提出的基于修正参数和版图尺寸预测体硅结构力学特性的新设计方法具有很高的精度。
本文提出和推导了两套基于任意构形的旋转壳的增量方程,这些方程可以用于计算受到较大初始应力的圆形波纹膜片的变形分析。当初始荷载为零,并采用一次加载时,这两套方程分别退化成简化的KoitersRMR方程和简化的Reissner方程。如果将参考构形取为前一个荷载步作用后的构形,则这两套增量方程可以退化成修正Lagrange形式的增量方程,如果将参考构形取为未受力的初始构形,则这两套增量方程可以退化成总体Lagrange形式的增量方程。
本文提出了在微型麦克风膜片内引入压应力来提高膜片灵敏度的新方法,可以大大提高膜片的机械和声学灵敏度。文中设计了若干含有压应力的麦克风膜片,分析了其阻尼特性。数值分析表明,这些结构设计具有良好的频率特性,满足听力辅助麦克风的参数要求。文中设计了相应的工艺流程和检测结构。