研究方向

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       课题组从1990年前后开始MEMS及传感器研究工作,先后研制成60MPa大量程压力传感器、压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器、框架振动式陀螺等多种器件,研究中注重建模及仿真优化。近几年来致力于电容式加速度计和陀螺的仿真建模、优化以及处理电路的软件化工作。目前的主要成果如下:
  1. 对栅结构电容式加速度计与栅结构电容式陀螺进行了设计、仿真、制作、测试及优化。并在传统的栅电容结构的基础上提出改进型栅结构,并进行理论计算及流片测试验证。新型栅电容结构有效的提高了加速度计和陀螺的可动质量块质量,从而使器件的机械灵敏度提高,机械热噪声下降。典型设计下,可动质量块质量可提高54%,使得加速度计和陀螺的机械灵敏度在同样的尺寸下分别提高54%和92%,机械热噪声分别下降35%和48%。此外,新型栅电容结构使得栅电极的形成和结构的释放分开,极大的降低了深反应离子刻蚀过程中的凹缺效应和滞后效应对微结构的损伤,提高了器件的加工质量以及成品率。
  2. 利用基于SIMULINK仿真平台建立了MEMS加速度计、MEMS陀螺和处理电路的联合仿真模型,该模型包含了MEMS器件工艺误差、噪声、温度漂移,以及处理电路的噪声、漂移等。通过该仿真模型可以分析系统中各噪声源对系统性能的影响,并通过系统结构及参数优化使传感器性能指标达到最佳。具体方法包括改进传感器的结构参数来提高机械灵敏度、补偿传感器内部的初始检测电容差、提高载波信号的幅度及信噪比、降低仪表放大器的增益、选用低噪声的集成电路芯片等措施。优化后,加速度计输出端的噪声等效加速度由优化前的43.38 μg/√Hz 降至3.054 μg/√Hz,陀螺传感器输出端的噪声等效角速度由26.6 °/h/√Hz降至9.33 °/h/√Hz
  3. 通过建模,仿真优化了MEMS电容式加速度计、陀螺结构参数及处理电路。载波单端输入,双端输出的差分电容检测电路将电容信号调制至高频段,有效地避开了低频噪声的影响,通过数字锁相解调实现了高精度电容检测,具有噪声低、稳定性高的特点。
  4. 对自制的微机械电容式加速度计与微机械陀螺进行测试,测试结果在大气环境下工作的同类研究中处于国内前列。加速度计标度因数:278mV/g;输出3小时零偏稳定性:5.5×10-4g(1σ);动态范围:±20g。陀螺线性度: 261.9ppm;陀螺标度因数: 42.17mV/°/s


 
 
 
 

 

 

 

 

 附:专利

1.        用于加速度计处理电路的温度补偿装置及其加速度计。

2.        一种基于哥氏效应的振动式微机械陀螺虚拟实现装置.

3.        一种基于CORDIC算法的电容式微加速度计信号检测装置.

4.        深反应离子刻蚀中可动结构的保护

 

软件著作权:

牺牲层腐蚀仿真软件模块

 

发表期刊论文:

1.        Silicon nano-needles based on MEMS TMAH etching techniques, Nanotechnology, 2011, 22, 125301.

2.        Quantum squeezing effects of strained multilayer graphene NEMS, Nanoscale Research Letters,2011,6,355.

3.        改善数字式加速度计处理电路温度稳定性的一种方法。传感技术学报,20102312):1722-1727.

4.        一种新的MEMS系统噪声建模方法传感技术学报, 2008, 21(3): 498-500.

5.        微机械陀螺的建模与仿真浙江大学学报(工学版), 2009, 43(4): 646-650.

6.        Modeling and Noise Analysis of a Fence Structure Micromachined Capacitive Accelerometer System. Journal of Zhejiang University SCIENCE C. Vol.11, No.12:1009:1015, 2010.

7.        电容式加速度计的数字化处理电路及其与模拟电路的比较传感技术学报, Vol.22, No.11, 2009.

8.        基于FPGA的数字式电容检测系统传感技术学报. Vol.21 No.4 Apr. 2006.

9.        数字式MEMS加速度计噪声分析和参数优化浙江大学学报工学版. Vol.43 No.7 Jul. 2009.

10.     一种电容式微机械加速度计的设计传感技术学报, 2008.21(2): p.226-229.

11.     Process flow improvement on a Bulk micromachined gyroscope. Micro&Nano Letter, 2009.4(1): p.34-38.

12.     An in-plane low-noise accelerometer fabricated with an improved process flow. Journal of Zhejiang University Science A, Vol.10, No.10, Oct, 2009.

13.     高性能微机械陀螺接口电路研究传感技术学报, 2006, 19(4): 1136-1139.

14.     传感器电路中乘法器噪声模型分析电路与系统学报, 2006, 11(5): 66-69.

15.     基于BOE硅腐蚀现象的硅纳米线制作传感技术学报, 2007, 20(10): 2187-2190.

16.     BOE溶液腐蚀PNN型区域现象纳米技术与精密工程, 2007, 5(4), 253-255.

17.     退火对牺牲层腐蚀前端形状和腐蚀速率的影响仪器仪表学报, 2006, 27(7): 765-768.

18.     纳米厚度牺牲层腐蚀腐蚀速率研究传感技术学报, 2006, 19(2): 277-280.

19.     影响牺牲层腐蚀腐蚀速率的因素研究传感技术学报, 2006, 19(3): 588-592.

20.     Bubble 结构牺牲层腐蚀的一种改进模型半导体学报, 2006, 27(1): 183-187.

21.     Modified Model for Sacrificial Layer Etching, Journal of Physics: Conference Series, 2006, 34: 493-499.

22.     Sacrificial Layer Etching in Joint Channels, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006, 16: 2323-2329.

23.     Sacrificial Layer Etching in Bubble Structure, Sensors and Actuators.

24.     The effects of HF diffusion coefficient on the etching process of sacrificial oxide layers, Thin Solid Films.

25.     纳谐振器的研究与分析电子器件, 2005328(1).

26.     A NOVEL STRUCTURE OF ALL-OPTICAL TUYPE SILICON MICRORESONATOR, Journal of Zhejiang University(SCIENCE), Vol.1, No.3, July-Step., 2000

 

发表会议论文:

1.        Silicon nano-needles based on MEMS TMAH etching techniques. The 16th International Conference on Superlattices, Nanostructures, and Nanodevices (ICSNN2010).

2.        Quantum squeezing effects of strained multilayer graphene NEMS. The 16th International Conference on Superlattices, Nanostructures, and Nanodevices (ICSNN2010).

3.        Quantum Squeezing Effects of Monolayer Graphene NEMS. The 30th International Conference on Physics of Semiconductors (ICPS010).

4.        Sharp Silicon Nano-Needles Based on Boron Etch-Stop in TMAH Solutions, Material Research Society 2010 Fall meeting (MRS2010).

5.        Performance characterization of a bulk micromachined gyroscope working at atmosphere. The 3rd International Symposium on Systems and Control in Aeronautics and Astronautics (ISSCAA 2010).

6.        Analysis of a MEMS Gyroscope interface circuit, 7th International Conference on Solid-State and Integrated Circuits Technology Proceedings(ICSICT 2004), 2004, 3: 1804-1807.

7.        A New Method for Displacement Detection in Nanometer Scale Resonator, 6th International Symposium On Test and Measurement(ISTM 2005), 2005, 3: 2226-2229.

8.        Wang Yue-lin, Silicon nano-wire fabricated by BOE silicon etching, 7th International Symposium On Test and Measurement(ISTM 2007), 2007, 1-7: 4954-4956.

9.        A Study on Etching Profiles of Sacrificial Layers, 2004 7th International Conference on Solid-State and Integrated Circuits Technology Proceedings (ICSICT 2004), 2004, 3: 1852-1855.

10.     Etching Rate of Sacrificial Layer in Nanometer, 2005 6th International Symposium On Test and Measurement(ISTM 2005), 2005, 3: 2249-2253.

11.     扩散系数和腐蚀速率常数对牺牲层腐蚀过程的影响第九届全国敏感元件与传感器学术会议(STC’5)论文集, 2005: 40-43.

12.     微机械陀螺动态特性研究第九届全国敏感元件与传感器学术会议(STC’5)论文集, 2005: 117-119.

13.     Study of Flow Characteristics in Microchannel with Different Fluids, International Conference on Integration and Commercialization of Micro and Nanosystems.