新型集成双稳态MEMS微电磁驱动器的理论与实验研究

基于MEMS技术的光开关、微继电器和射频开关等器件分别是应用于未来全光通信网、先进仪器仪表和控制系统、相控阵雷达与移动通信等领域的基础性关键器件。这类器件通常工作在开、关状态，驱动行程在10微米至100微米，驱动力为毫牛顿量级、响应时间在毫秒至微秒量级，要求低功耗。静电驱动由于工作电压高、驱动力和输出行程较小，难以满足上述要求。微电磁驱动有望从根本上克服上述缺点，但需解决功耗和集成制造问题，以及如何进一步优化器件动态响应时间等性能指标。在大量前期研究基础上，本项目提出一种蕴含磁双稳机制，易于集成化和模块化的新型微驱动器，试图从根本上解决光开关等器件中微电磁驱动的功耗和集成制造问题，并通过上述器件的建模分析和结构优化探寻缩短动态响应时间的有效途径。同时研究原型器件的集成制造方法、测试并优化器件性能指标，验证所提出方案的有效性和先进性，为高性能MEMS光开关等器件的优化设计和集成制造奠定基础。

MEMS陀螺是陀螺仪发展的一个重要方向。不同于发展成熟的支悬梁-活动质量块结构的振动微陀螺，本项目提出了一种基于超磁致伸缩材料块体的固体振子双输入轴微陀螺，其结构简单，无支撑梁，抗冲击振动能力强；借助于超磁致伸缩材料(GMM)的大应变振动特性，其测量灵敏度高。 本项目主要对超磁致伸缩固体微陀螺的振动模态、结构设计、机电磁系统仿真、制造工艺以及测控方法进行研究，为实现微陀螺装置奠定理论与实验基础。本项目的实施取得了预期成果，主要总结为： 1、微陀螺的设计和仿真。根据GMM数理模型，采用更具扩展性的弱解方程方法，利用COMSOL软件计算了GMM振子的振动工作模态，结果与压电-压磁比拟法的相近。微陀螺的设计结构由GMM方体振子、平面线圈定子、偏置永磁体和GMR传感器组成，进行了部件选用和设计。采用磁矢势弱解方程法对通电平面线圈和永磁体的空间磁场分布进行了系统级仿真。 2、微陀螺表头的制造。采用溅射、光刻、电镀等MEMS工艺，获得了多种线宽和匝数的驱动平面线圈定子。对集成厚金属结构的发烟硫酸氧化刻蚀去除SU-8胶模的技术深入试验研究，获得了刻除SU-8胶模的速率曲线，从而提供了一次浸入发烟硫酸干净刻除SU-8胶模的时间，避免了反复取出观测或过刻对金属结构的腐蚀；成功集成了厚达500μm的电铸镍微结构。根据设计结构，成功组装了长宽高尺寸之和不大于20mm的磁致伸缩固体振子微陀螺表头。 3、微陀螺的驱动及检测电路。为微陀螺表头设计了激励信号发生电路（采用DDS芯片）、恒电流输出线圈驱动电路、GMR磁场信号检测电路和信号解调处理电路，进行了电路仿真分析和PCB板制作。 4、微陀螺的测试实验。利用LCR仪测量了定子平面线圈的阻抗，为表头中上下定子驱动线圈的配对选取提供参考。采用锁相放大器分别利用定子平面线圈和绕制线圈进行扫频激励，测量了GMM体振子的阻抗频率特性曲线，二者测得微陀螺GMM振子的工作谐振频率基本相同，证明了本微陀螺采用双侧平面线圈的激振方式使GMM振子工作在驱动谐振频率上是可行的。对微陀螺表头及其测控电路进行了联调，发现微陀螺能灵敏地检测输入角速度的变化，证明了设计结构及其实现方案在原理上是可行的。 上述研究成果已发表6篇学术论文，其中SCI/EI已检索英文论文5篇；申请发明专利2项；培养毕业硕士生2名。 2100433B

微型固态振动陀螺结构简单，抗冲击能力强，适合MEMS技术制作，是一种极具发展潜力的新型陀螺仪。相比带支悬梁的微机械振动陀螺，本项目创造性地将超磁致伸缩材料整体作为振子，基于MEMS技术制成无支悬梁的固体微陀螺，主要特点如下：（1）超磁致伸缩体伸缩振幅大，可极大提高微陀螺检测的灵敏度；（2）结构简单，无支撑梁，抗冲击抗震动能力强;（3）易于微加工批量制造，对真空封装无特殊要求；（4）驱动电压低，起振时间极短，因而陀螺启动时间短。（5）将巨磁阻（GMR）敏感元件集成于陀螺本体上，提高了检测分辨率，且体积小；（6）可同时测量二轴角速率。本项目主要对超磁致伸缩固体微陀螺的工作机理、机电磁系统仿真、结构优化设计、基于非硅MEMS技术的制造工艺以及测控方法进行深入研究，为实现较高测量灵敏度的、多轴微固体陀螺装置奠定理论与实验基础。本项目属机械、材料、测控、电子等交叉学科课题，学术价值高，应用前景广泛。

国内的RF MEMS开关研究已经有很大的进步，很多已报道的开关都具有很优良的性能，但与国外的研究相比，在性能和可靠性上还有一定差距，并且在结构上还有些简单，可靠性也有待提高，还有很多方面需要提高：

( 1) 由于电磁驱动的RF MEMS开关结构的特殊性，使得磁场分布不均匀，漏磁比较多，必须研究优化电磁系统的结构的方法以减小功耗和提高驱动力。

( 2) 为了能满足射频器件集成化和微型化的要求，电磁驱动RF MEMS开关需要制作更小尺寸线圈。

( 3) 加快RF MEMS开关可靠性研究，金属接触以及开关失效原因的研究是提高开关寿命有效途径。

( 4) 封装问题是MEMS产品实现商品化的前提，因为MEM S产品容易受周围环境的影响，RF MEMS电路正常工作很大程度上取决于由封装所提供的内部环境与保护。而有关MEMS封装的研究还处于初级阶段，MEMS器件的多样性和非密封性往往需要为每种器件单独开发相应的封装技术，需要在不影响MEMS器件性能的前提下，为设计者提供一系列标准化的封装技术。