新型集成雙穩(wěn)態(tài)MEMS微電磁驅(qū)動器的理論與實驗研究

基于MEMS技術(shù)的光開關(guān)、微繼電器和射頻開關(guān)等器件分別是應(yīng)用于未來全光通信網(wǎng)、先進儀器儀表和控制系統(tǒng)、相控陣?yán)走_與移動通信等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性關(guān)鍵器件。這類器件通常工作在開、關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動行程在10微米至100微米，驅(qū)動力為毫牛頓量級、響應(yīng)時間在毫秒至微秒量級，要求低功耗。靜電驅(qū)動由于工作電壓高、驅(qū)動力和輸出行程較小，難以滿足上述要求。微電磁驅(qū)動有望從根本上克服上述缺點，但需解決功耗和集成制造問題，以及如何進一步優(yōu)化器件動態(tài)響應(yīng)時間等性能指標(biāo)。在大量前期研究基礎(chǔ)上，本項目提出一種蘊含磁雙穩(wěn)機制，易于集成化和模塊化的新型微驅(qū)動器，試圖從根本上解決光開關(guān)等器件中微電磁驅(qū)動的功耗和集成制造問題，并通過上述器件的建模分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化探尋縮短動態(tài)響應(yīng)時間的有效途徑。同時研究原型器件的集成制造方法、測試并優(yōu)化器件性能指標(biāo)，驗證所提出方案的有效性和先進性，為高性能MEMS光開關(guān)等器件的優(yōu)化設(shè)計和集成制造奠定基礎(chǔ)。

MEMS陀螺是陀螺儀發(fā)展的一個重要方向。不同于發(fā)展成熟的支懸梁-活動質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動微陀螺，本項目提出了一種基于超磁致伸縮材料塊體的固體振子雙輸入軸微陀螺，其結(jié)構(gòu)簡單，無支撐梁，抗沖擊振動能力強；借助于超磁致伸縮材料(GMM)的大應(yīng)變振動特性，其測量靈敏度高。 本項目主要對超磁致伸縮固體微陀螺的振動模態(tài)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機電磁系統(tǒng)仿真、制造工藝以及測控方法進行研究，為實現(xiàn)微陀螺裝置奠定理論與實驗基礎(chǔ)。本項目的實施取得了預(yù)期成果，主要總結(jié)為： 1、微陀螺的設(shè)計和仿真。根據(jù)GMM數(shù)理模型，采用更具擴展性的弱解方程方法，利用COMSOL軟件計算了GMM振子的振動工作模態(tài)，結(jié)果與壓電-壓磁比擬法的相近。微陀螺的設(shè)計結(jié)構(gòu)由GMM方體振子、平面線圈定子、偏置永磁體和GMR傳感器組成，進行了部件選用和設(shè)計。采用磁矢勢弱解方程法對通電平面線圈和永磁體的空間磁場分布進行了系統(tǒng)級仿真。 2、微陀螺表頭的制造。采用濺射、光刻、電鍍等MEMS工藝，獲得了多種線寬和匝數(shù)的驅(qū)動平面線圈定子。對集成厚金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)煙硫酸氧化刻蝕去除SU-8膠模的技術(shù)深入試驗研究，獲得了刻除SU-8膠模的速率曲線，從而提供了一次浸入發(fā)煙硫酸干凈刻除SU-8膠模的時間，避免了反復(fù)取出觀測或過刻對金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕；成功集成了厚達500μm的電鑄鎳微結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)，成功組裝了長寬高尺寸之和不大于20mm的磁致伸縮固體振子微陀螺表頭。 3、微陀螺的驅(qū)動及檢測電路。為微陀螺表頭設(shè)計了激勵信號發(fā)生電路（采用DDS芯片）、恒電流輸出線圈驅(qū)動電路、GMR磁場信號檢測電路和信號解調(diào)處理電路，進行了電路仿真分析和PCB板制作。 4、微陀螺的測試實驗。利用LCR儀測量了定子平面線圈的阻抗，為表頭中上下定子驅(qū)動線圈的配對選取提供參考。采用鎖相放大器分別利用定子平面線圈和繞制線圈進行掃頻激勵，測量了GMM體振子的阻抗頻率特性曲線，二者測得微陀螺GMM振子的工作諧振頻率基本相同，證明了本微陀螺采用雙側(cè)平面線圈的激振方式使GMM振子工作在驅(qū)動諧振頻率上是可行的。對微陀螺表頭及其測控電路進行了聯(lián)調(diào)，發(fā)現(xiàn)微陀螺能靈敏地檢測輸入角速度的變化，證明了設(shè)計結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方案在原理上是可行的。 上述研究成果已發(fā)表6篇學(xué)術(shù)論文，其中SCI/EI已檢索英文論文5篇；申請發(fā)明專利2項；培養(yǎng)畢業(yè)碩士生2名。 2100433B

微型固態(tài)振動陀螺結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊能力強，適合MEMS技術(shù)制作，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦屯勇輧x。相比帶支懸梁的微機械振動陀螺，本項目創(chuàng)造性地將超磁致伸縮材料整體作為振子，基于MEMS技術(shù)制成無支懸梁的固體微陀螺，主要特點如下：（1）超磁致伸縮體伸縮振幅大，可極大提高微陀螺檢測的靈敏度；（2）結(jié)構(gòu)簡單，無支撐梁，抗沖擊抗震動能力強;（3）易于微加工批量制造，對真空封裝無特殊要求；（4）驅(qū)動電壓低，起振時間極短，因而陀螺啟動時間短。（5）將巨磁阻（GMR）敏感元件集成于陀螺本體上，提高了檢測分辨率，且體積??；（6）可同時測量二軸角速率。本項目主要對超磁致伸縮固體微陀螺的工作機理、機電磁系統(tǒng)仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、基于非硅MEMS技術(shù)的制造工藝以及測控方法進行深入研究，為實現(xiàn)較高測量靈敏度的、多軸微固體陀螺裝置奠定理論與實驗基礎(chǔ)。本項目屬機械、材料、測控、電子等交叉學(xué)科課題，學(xué)術(shù)價值高，應(yīng)用前景廣泛。

國內(nèi)的RF MEMS開關(guān)研究已經(jīng)有很大的進步，很多已報道的開關(guān)都具有很優(yōu)良的性能，但與國外的研究相比，在性能和可靠性上還有一定差距，并且在結(jié)構(gòu)上還有些簡單，可靠性也有待提高，還有很多方面需要提高：

( 1) 由于電磁驅(qū)動的RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得磁場分布不均勻，漏磁比較多，必須研究優(yōu)化電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的方法以減小功耗和提高驅(qū)動力。

( 2) 為了能滿足射頻器件集成化和微型化的要求，電磁驅(qū)動RF MEMS開關(guān)需要制作更小尺寸線圈。

( 3) 加快RF MEMS開關(guān)可靠性研究，金屬接觸以及開關(guān)失效原因的研究是提高開關(guān)壽命有效途徑。

( 4) 封裝問題是MEMS產(chǎn)品實現(xiàn)商品化的前提，因為MEM S產(chǎn)品容易受周圍環(huán)境的影響，RF MEMS電路正常工作很大程度上取決于由封裝所提供的內(nèi)部環(huán)境與保護。而有關(guān)MEMS封裝的研究還處于初級階段，MEMS器件的多樣性和非密封性往往需要為每種器件單獨開發(fā)相應(yīng)的封裝技術(shù)，需要在不影響MEMS器件性能的前提下，為設(shè)計者提供一系列標(biāo)準(zhǔn)化的封裝技術(shù)。