高灵敏度微机械薄膜的设计、模拟与优化

许多高性能微传感器和微执行器的实现都离不开高灵敏度的薄膜。使用微机械加工方法制备的薄膜一般有着不可忽视的残余应力。残余应力极大地降低了膜的机械灵敏度。文中提出的纹膜结构,  可在不改变工艺条件的前提下,  显著地降低残余应力的不良影响,  大幅度增加膜的灵敏度。理论分析的结果表明,  纹膜几何参数的设计是提高灵敏度的关键。文中提出了一种简单实用的纹膜制造工艺,  并结合此工艺设计出若干实际的结构,利用有限元分析(FEA  )  工具对结构进行了进一步的模拟和优化,  得到了各项设计参数的最优值。优化后纹膜的灵敏度较平膜提高了一个数量级,  可用于各种高性能M  EM  S  器件的制作。关键词:  微机械;  残余应力;  灵敏度;  纹膜;  有限元分析Abstract:  A  h  igh  ly  sen  sit  ive  m  em  b  rane  is  essen  t  ial  fo  r  m  any  devices  based  on  m  icroelec2  t  rom  echan  ical  system  (M  EM  S).  Fo  r  m  icrom  ach  ined  m  em  b  rane,  there  is  sign  if  ican  t  in  ternal  (  residual)  st  ress,  w  h  ich  st  rongly  decreases  them  echan  ical  sen  sit  ivity  of  m  em  b  rane.  The  app  li2  cat  ion  of  co  rrugated  m  em  b  rane  offers  the  po  ssib  ility  to  increase  the  sen  sit  ivity  of  m  em  b  rane  w  ithou  t  changing  p  rocess  condit  ion  s,  thu  s  elim  inat  ing  the  effect  of  in  it  ial  st  ress.  A  simp  le  ana2  lyt  ical  model  p  redict  s  that  the  imp  rovem  en  t  of  sen  sit  ivity  depends  crit  ically  on  the  geom  et  ric  param  eter  of  the  co  rrugated  m  em  b  rane.  A  simp  le  and  eff  icien  t  p  rocess  to  fab  ricate  the  co  rru2  gated  m  em  b  rane  has  been  p  resen  ted  and  several  co  rrugated  p  rof  iles  are  p  ropo  sed  w  ith  th  is  p  ro2  cess.  To  get  the  op  t  im  al  values  of  the  designed  param  eters,  F  in  ite  Elem  en  t  A  nalysis  (FEA  )  m  ethod  has  been  u  sed.  The  op  t  im  ized  co  rrugated  m  em  b  rane  show  s  the  sen  sit  ivity  mo  re  than  one  o  rder  larger  than  that  of  the  f  lat  m  em  b  rane  w  ith  equal  size  and  th  ickness.  M  any  h  igh  per2  fo  rm  anceM  EM  S  devices  can  be  realized  w  ith  th  is  techn  ique.Key  words:  m  icromach  ine;  res  idua  l  stress;  sen  s  itiv  ity;  corruga  tedmembrane;  FEA