MEMS多层薄膜力学特性研究及测试结构设计

发布时间：2017-09-11 19:03

  本文关键词：MEMS多层薄膜力学特性研究及测试结构设计

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【摘要】：微电子机械系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems),是在微电子技术基础上发展而来,集传感、信息处理和执行为一体的集成微系统。薄膜是MEMS技术中应用最广泛的材料形态,构成了MEMS器件中众多的微机械结构。薄膜材料的力学特性,例如残余应力、杨氏模量、泊松比等,是决定微结构、特别是可动微结构性能的重要因素,也是进行微系统设计的重要参数。由于尺寸效应以及制作工艺的限制,MEMS中薄膜材料的力学特性与体材料相比有很大差别,并且相同的薄膜材料在不同的生长工艺或者环境下,其材料性能也会有很大差异,这决定了我们需要采用不同于传统的宏观力学分析与测试方法的新技术,研究薄膜力学参数具有重要的意义。本文的研究内容为MEMS多层薄膜力学特性的研究和测试结构设计,针对实际存在的多层薄膜结构,建立理论模型分析其力学特性的表征,以及力学参数的提取方法。主要的研究工作和取得的成果如下：1. 本文建立多层薄膜曲率半径模型,利用有限元分析软件验证了模型的可行性。在此基础上,探究了薄膜厚度与曲率半径的依赖关系,以此对实际中薄膜厚度的设计给出指导。针对模型在大宽度条件下出现的误差给出修正公式,并用仿真软件验证。2. 本文对静电驱动的多层薄膜进行了研究,提出了多层静电横拉结构提取等效弯曲刚度的模型,利用不同厚度的结构计算各层材料杨氏模量,同时,针对结构参数对理论误差的影响进行了分析,用有限元软件仿真验证了模型的可行性。3. 针对提出的模型设计了合理的测试结构,用于双层薄膜残余应力和等效弯曲刚度的测试,对结构进行加工并给出了测试结果,对加工出现的问题给出了分析。本文不仅研究了MEMS多层薄膜的力学特性,并且给出了相关的测试结构,经过ANSYS有限元软件的验证了模型的可行性。本文对于结构参数对模型误差的影响也有慎重考虑,对测试结构参数的设计给出了指导,具有实际的应用价值。
【关键词】：MEMS 多层薄膜 力学参数 曲率半径 等效刚度
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH-39
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 微机电系统(MEMS)概述8-9
• 1.2 课题研究背景及意义9
• 1.3 相关研究综述9-14
• 1.3.1 基片曲率测试法10
• 1.3.2 微梁旋转法10-11
• 1.3.3 谐振频率法11-12
• 1.3.4 鼓膜法12-13
• 1.3.5 静电执行法13
• 1.3.6 纳米压痕法13-14
• 1.4 论文主要工作14-16
• 第二章 MEMS多层薄膜残余应力研究16-32
• 2.1 曲率半径理论模型16-21
• 2.1.1 测试结构16-17
• 2.1.2 解析模型17-19
• 2.1.3 有限元仿真验证19-21
• 2.2 膜厚度对曲率半径的影响21-25
• 2.2.1 双层膜结构中上层膜厚度变化对整体曲率变化研究22-23
• 2.2.2 有限元软件仿真验证23-24
• 2.2.3 小结24-25
• 2.3 宽度对曲率半径的影响25-31
• 2.3.1 宽度对曲率半径的影响25
• 2.3.2 针对大宽长比的修正公式理论研究25-26
• 2.3.3 有限元软件仿真验证26-28
• 2.3.4 双层圆盘曲率半径模型28-31
• 2.3.5 小结31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 MEMS多层薄膜静电执行横拉32-46
• 3.1 等效弯曲刚度理论研究32-41
• 3.1.1 理论模型及公式推导32-35
• 3.1.2 有限元软件仿真验证35
• 3.1.3 等效弯曲刚度验证35-37
• 3.1.4 等效杨氏模量验证37-38
• 3.1.5 误差分析38-41
• 3.1.6 小结41
• 3.2 等效弯曲刚度提取杨氏模量理论研究41-44
• 3.2.1 理论模型及公式推导41-42
• 3.2.2 有限元软件仿真验证42-43
• 3.2.3 误差分析43-44
• 3.2.4 小结44
• 3.3 本章小结44-46
• 第四章 实验测试验证46-66
• 4.1 表面微加工工艺介绍46-52
• 4.1.1 MEMSCAP表面牺牲层工艺46-50
• 4.1.2 无锡上华表面微加工工艺50-51
• 4.1.3 上海微系统与信息技术研究所MEMS加工平台51-52
• 4.2 测试平台的搭建52-55
• 4.3 加工结构介绍55-58
• 4.3.1 双层平面圆环结构55-56
• 4.3.2 双层静电横拉结构56-58
• 4.4 测试结果及分析58-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第五章 总结与展望66-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-74
• 作者简介74

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本文编号：832501