IEEE-MEMS-2005-F

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氮化硅薄膜力学性能的纳米压痕测试与分析

氮化硅薄膜力学性能的纳米压痕测试与分析

氮化硅薄膜力学性能的纳米压痕测试与分析张良昌, 许向东, 吴志明, 蒋亚东, 张辉乐电子科技大学,成都(610054)E-mail:zcclhl@摘要:纳米压入法在薄膜材料力学性能测试领域中有着广泛的应用。

本文利用纳米压入技术对PECVD氮化硅(SiNx)薄膜的力学性能进行了测量与分析,通过对加载卸载曲线的分析,得到了SiNx薄膜的杨氏模量为226GPa。

此外,本次试验对氧化硅(SiOx)薄膜、SiNx 与SiOx薄膜的复合膜也进行了测试。

结果表明,薄膜的应力变化导致其杨氏模量随之发生改变。

关键词:氮化硅纳米压入机械性能薄膜中图分类号:TB1.引言随着微电子机械系统(MEMS)的快速发展与不断深入,薄膜材料的性能越来越为人们所重视。

薄膜材料的力学性能对产品的设计、制造及可靠性分析具有重要意义。

其中,材料的杨氏模量(E)倍受关注。

人们对薄膜力学性能的研究早在19世纪末已经开始。

从那时起,各种测量方法和测量理论便不断涌现出来,这些方法大致可以分为两类:一类是直接测量方法,它是根据力学量的定义来测量的方法,如单轴拉伸法[1];另一类是间接测量方法,它是通过测量由于力学量而引起的某些物理性能的改变来计算力学量的方法,如共振频率法[2]、声表面波法[3]等。

除此之外国内外还报道了还有其它测试方法:衬底弯曲法[4]、微桥法[5]、鼓泡法等[6]。

近10多年来,纳米压痕技术发展较快。

由于试样安装简单、仪器分辨率高、作用区域小、可以直接在器件上测量,纳米压入法成为现阶段广泛使用的薄膜材料力学性能测量方法[7,8]。

另一方面,氮化硅因其特殊的光学、电学、机械、化学惰性等性能,广泛被应用做减反射膜、钝化层、支撑层及介电薄膜。

而氮化硅薄膜的力学性能将密切影响材料质量与器件性能,是一个关键性指标。

目前为止,许多文献一般只报道SiNx薄膜应力、或杨氏模量的单独测量结果,这种现象影响到人们对相关材料的全面、准确评价。

本文通过膜层结构的改变促使薄膜的力学性能发生变化,同时,还对相关薄膜的应力和杨氏模量进行了综合评估。

大输出微控制力矩陀螺的设计

大输出微控制力矩陀螺的设计

大输出微控制力矩陀螺的设计常洪龙;白滨;焦文龙;谢建兵;秦子明;苑伟政【摘要】为了提高微控制力矩陀螺的输出力矩,提出了一种微型控制力矩陀螺的设计方案.所设计的微型控制力矩陀螺用角振动代替了传统控制力矩陀螺的转动,由转子角振动系统及框架角振动系统组成,实现了基于科氏效应的控制力矩输出.通过框架角振动系统的电极位置居中设置及在玻璃上挖槽的设计,避免了静电吸合现象.四个完全相同的微型控制力矩陀螺构成一个阵列,每两个微型控制力矩陀螺的电压相位依次相差90°,即可消除寄生控制力矩并稳定力矩输出.所设计的微型控制力矩陀螺四单元阵列的力矩输出可达5.12×lO-6 Nm.最后,设计了微型控制力矩陀螺两层可动结构的工艺流程,所设计的工艺流程尽管具有一定的复杂性和难度,但均采用了当前一些比较成熟的工艺步骤,具有一定的可行性,有望在微型航天器的姿态控制上得到应用.%A novel micro control moment gyroscope( MCMG)with a large torque output is presented. In contrast with the traditional CMG,MCMG uses the angular vibration instead of angular rotation. The MCMG outputs the torque through a coupling of rotor angular vibration and gimbal angular vibration based on the Coriolis Effect. Through locating the electrodes in the centre of the MCMG and etching a trench in the glass wafer,the electrostatic pull-in effect is largely alleviated and the driving voltage is decreased. An array configuration using four MCMGs as an element stabilizes the overall torque output at the array level and eliminates the unwanted torques. The voltage phase differences between every two MCMGs are 90° in sequence. The torque output of the MCMGarray is about 5. 12× 10-6 Nm. At last the process flow for this MCMG and possible applications in attitude control of a microsatellite is discussed.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2011(027)008【总页数】5页(P1126-1130)【关键词】微机电系统;微控制力矩陀螺;陀螺阵列;姿态控制【作者】常洪龙;白滨;焦文龙;谢建兵;秦子明;苑伟政【作者单位】西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072【正文语种】中文【中图分类】TJ765.239控制航天器姿态的执行机构有喷气执行机构、飞轮、磁力矩器和重力杆等。

MEMS磁场传感器的设计及测试

MEMS磁场传感器的设计及测试

MEMS磁场传感器的设计及测试陈洁;秦明;黄庆安【摘要】以U型梁为主要结构设计了一种新型的洛伦兹力驱动的磁场传感器,检测在磁场中作切割磁力线运动的金属线上的感生电压,实现磁场测量.首先介绍了传感器的工作原理,并用振动理论对传感器的受力及响应进行了分析,接着用有限元软件建立结构模型并对其振动模态和频率进行了仿真.该MEMS磁场传感器采用标准的CMOS工艺加上后处理来实现.最后用多普勒仪对传感器的频率和振动幅度进行测试,并对传感器的感生电动势与磁场、电流的关系进行了测试.实验结果与理论分析一致,该传感器的灵敏度为14 mV/mT.该传感器结构简单,测试方便,可用于对mT 级的磁场进行测试.%A new sensor of measuring magnetic field using a U-shaped beam driven by Lorentz force is presented. The magnetic field is obtained by measuring the induced electromotive voltage of the coil of the mechanical structure. The theoretical model and the response of the sensor are analyzed using the vibration theory. The resonance frequencies and modes of the resonators are simulated by the general purpose finite element program ANSYS. These micro-electro-mechanical systems (MEMS) devices are realized through a standard CMOS process coupled with a post-processing phase. A laser Doppler vibrometer system is implemented to measure the vibration amplitudes and the frequency of the fabricated structure. The relationship between the induced voltages of the sensor and the external magnetic field and the current is tested. And the sensor exhibits a resolution of 14 mV/mT. A good agreement is observed between the predicted and observed behavior of the magnetic field sensor. Thesensor is of simple structure and easy fabrication. It can be used for magnetic field of mT level.【期刊名称】《东南大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2011(041)005【总页数】5页(P929-933)【关键词】磁场传感器;MEMS;洛仑兹力;谐振【作者】陈洁;秦明;黄庆安【作者单位】东南大学MEMS教育部重点实验室,南京,210096;东南大学MEMS 教育部重点实验室,南京,210096;东南大学MEMS教育部重点实验室,南京,210096【正文语种】中文【中图分类】TP212.13磁场传感器广泛用于汽车、轮船和飞机的高精确度导航和定位,能够实现医学生物电检测和疾病检测等,可以获取异常微弱的信号和探索危险以及人类不能够到达的领域.随着微电子机械系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)的发展,磁场传感器向小型化和微型化发展,不仅降低了制作成本,还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务.和传统器件相比,MEMS磁场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点.20世纪后期,磁通门器件和霍尔器件广泛地应用于磁场测量,这些器件尺寸小,可以和CMOS工艺兼容,性价比较高,但是此类器件功耗高,限制了其发展[1].近年来,随着 MEMS技术的发展,研制出了多种微型化的磁场传感器,如法国的Latorre等[2-4]提出的悬臂梁结构的MEMS磁场传感器,此结构在悬臂梁的根部集成压阻,通过测量压阻的输出得到结构在磁场作用下受洛伦兹力后产生的变形.扭摆式MEMS磁场传感器最早由Eyre等[5]提出,该传感器通过测量在磁场作用下受力后结构扭摆的幅度得到磁场的大小.Sunier等[6]提出的谐振式磁场传感器,受力以后结构谐振频率发生变化,由此实现磁场测量.Brugger等[7-9]提出了一种谐振式磁场传感器,此种传感器包括一个两端有间隙的磁聚能器,制作时需使用软磁材料.上述这些磁场传感器主要用于测量磁场的大小,不能分辨磁场的方向.Allen等[10-12]提出了一种梳齿磁场传感器,利用永磁体和磁场的相互作用使梳齿发生偏转,用来测量磁场的方向,但这种结构中含有永磁体,不能采用标准的CMOS工艺加工,无法与处理电路相集成.本文提出了一种新的磁场检测方法,用于磁场检测的传感器采用标准CMOS工艺和后处理来实现.该传感器采用电磁感应的测量原理,结构简单,便于测量,功耗低,受温度影响小.1 传感器工作原理本文提出的磁场传感器结构主要是由U型梁构成,结构如图1所示,梁上镀金属线,可以看作是一层金属导线,导线从梁的一侧进入,环绕梁一周以后从梁的另外一侧流出,形成回路.当金属线上通电流时,在磁场作用下金属线上受力结构就会摆动或者振动.图1 谐振结构磁场传感器当金属线通上正弦电流后,由于磁场方向与结构上的金属线(长度为l1)垂直(见图1),与支撑梁平行,所以支撑梁上金属线不产生洛伦兹力,只有结构顶部金属线(长度为l1)上产生洛伦兹力,即式中,i为正弦电流;B为磁场强度.将此结构等效看作弹簧质量块系统,则式中,k为结构的刚性系数;x为结构振动的幅度.由于结构被看作弹簧质量块系统,因此结构的振动幅度可表示为式中,A为结构的振幅;ω为振动的角速度;φ为结构振动的初相角.由此得到金属线的振动速度为由式(1)~(4)联立得到当结构振动时,金属线会随着结构一起振动,在磁场作用下金属线上就会产生感生电动势ξ,为了提高传感器的灵敏度,使结构在谐振频率处振动,得到感生电动势为式中,Q为结构在振动时的品质因子.结构在正弦电流的作用下会产生振动,当所加的电流频率和结构本振频率相同时,结构就会谐振,此时振幅达到最大.2 传感器模拟和仿真为了优化传感器的性能,利用ANSYS有限元分析工具对其进行模拟与仿真.传感器是采用结构振动时金属线切割磁场产生感生电动势来达到测量磁场的目的.为了能够测量出感生电动势,U型梁的前端应该是对称形式的振动.如果是反对称形式的振动,感生电动势就会相互抵消,不利于测量.对传感器的谐振频率和振动模态进行了模拟,模拟过程中结构的一些机械参数如表1所示.表1 有限元模拟使用的参数?由振动理论可知,振动时模态较低产生的响应较大,所以本文对结构的前4阶模态进行了模拟,得到的结构前4阶振动模态如图2所示.图2 U型结构前4阶模态从图2中可看出,不同的模态下结构的振动模式不同,一阶和二阶模态运动主要以整体平行摆动和转动为主,三阶模态是在一阶摆动的基础上加上了扭动的弯曲振动;一阶和三阶的运动是对称形式的运动,二阶和四阶的运动是反对称形式的运动.从模态分析可看出,一阶和三阶模态较利于测量.通过模拟仿真得到的频率分别为1.99,5.87,16.92,23.93 kHz.图3为U型梁频率响应的测试曲线.可看出,一阶和三阶频率分别为2.12和16.02 kHz,偶次谐波被压制,所得到的运动频率和模拟的基本接近,两者的误差为6.26%和5.30%.图3 U型梁频率响应曲线3 传感器加工传感器采用PN结自停止腐蚀工艺释放完成.首先对4英寸(10.16 cm)的硅片进行N+扩散和氧化,扩散层的厚度和梁最终的厚度相同,接着溅射金属并刻蚀引线,然后背面电化学腐蚀衬底到N+扩散层停止,最后正面ICP释放结构,具体工艺过程如图4所示.所得到的结构如图5所示.4 测试结果及分析图4 传感器的制造工艺流程图图5 传感器结构图当在结构的金属线上加电流时,在磁场作用下结构就会受力的作用,并且随着磁场的改变,结构上受力的大小和方向也会随之发生改变,这样就会影响结构的振动和摆动的幅度.所加的磁场平行于平板所在平面,并与支撑梁方向平行.对结构在磁场作用下的振动幅度进行了测试,由于测量所得到的信号较小,所以在测试时需要接放大电路.由于放大电路在低频时噪声干扰较大,所以本实验利用三阶模态进行测量,所对应的频率为16.02 kHz.采用多普勒仪直接测量结构在振动时的振幅,图6为U型梁金属线加上电流多次测量所得到的振幅曲线,结构上所加的电流(I)从2 mA到20 mA不断增加,电流的频率为16.02 kHz(对应三阶模态的频率),所加的磁场强度(B)为88 mT.从图6中可看出,随着金属线上所加电流的增加,结构的振动幅度也随之增大,电流在2~20 mA变化范围内,振幅变化约为250 nm,基本成线性变化,与理论预测的结果符合.图6 传感器电流与振幅关系图图7给出了磁场与振动幅度的关系曲线,测量时振动幅度采用多次测量得到.由图7可看出,激励电流固定不变(10 mA)时,磁场的变化影响了振动的幅度,随磁场的增加结构的振动幅度也增加,基本成线性关系.图7 磁场强度与振幅关系本文中的传感器只包含一根金属线,被先后用于U型梁的激励和检测.金属线首先加上正弦电流,此时由于在磁场中受到洛伦兹力的作用,梁产生振动;然后将此电流断开,由于梁在谐振频率点振动,结构仍然处于振动状态,此时在磁场中产生的感生电动势即为传感器的输出信号.由于所测量的感生电动势较小,所以在测试时增加了测量放大电路,放大倍数约为3×104倍.图8给出了结构在磁场作用下的输出电压波形与磁场的关系.从图8可看出,在电流分别为6和10 mA情况下,输出的感生电动势随磁场的增大而增加,基本成二次曲线的关系,与理论趋势相吻合;随着电流的增加灵敏度也提高了,输出信号放大后实验所得到的最大灵敏度在磁场为29 mT的位置,其值为14 mV/mT.图9给出了输出电压与输入电流的变化曲线,当磁场强度固定为88 mT时,电流从2 mA逐渐增加到16 mA,可看出随着电流不断增加,感生电动势的输出也随着相应变大,基本成线性关系,与放大相应倍数的模拟结果对比,最大误差小于5%.图8 输出电压与磁场强度的关系图9 输出电压与激励电流关系5 结语本文利用微电子机械加工技术研制出一种结构简单的新型磁场传感器.并采用ANSYS软件对传感器的频率及不同的模态振动方式进行了模拟,有限元模拟结果表明该结构可以用于磁场的测量.实验测试表明该传感器在磁场强度为mT范围有明显的响应,输出结果和理论及模拟结果基本吻合.所得到的输出结果是经过放大滤波电路得到的,测试得到的灵敏度为14 mV/mT.参考文献(References)[1] Lenz J E.A review of magnetic sensors[C]//Proceedings of theIEEE. Piscataway, NJ, USA, 1990:973-989.[2] Baglio S,Latorre L,Nouet P.Resonant magnetic field microsensorsin standard CMOS technology[C]//Instrumentation and Measurement Technology Conference.Venice,Italy,1999:452-457.[3] Beroulle V,Bertrand Y,Latorre L,et al.Monolithic piezoresistive CMOS magnetic field sensors[J].Sensors and Actuators A:Physical,2003,103(1):23-32.[4] Dumas N,Azais F,Latorre L,et al.On-chip electrothermal stimulus generation for a MEMS-based magnetic field sensor[C]//Proceedings of the 23rd IEEE VLSI Test Symposium.Palm Springs,CA,USA,2005:213-218.[5]Eyre B,Pister K S J,Kaiser W.Resonant mechanical magnetic sensorin standard CMOS[J].IEEE Electron Device Letters,1998,19(12):496-498.[6]Sunier R,Vancura T,Li Y,et al.Resonant magnetic field sensor with frequency output[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2006,15 (5):1098-1107.[7]Brugger S,Simon P,Paul O.Field concentrator based resonant magnetic sensor[C]//IEEE Conference on SENSORS.Daegu,Korea,2006:1016-1019.[8] Brugger S,Paul O.R esonant magnetic microsensor with μT resolution[C]//IEEE Conference on MEMS.Tucson,AZ,USA,2008:944-947.[9] Brugger S,Paul O.Field-concentrator-based resonant magnetic sensor with integrated planar coils[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2009,18(6):1432-1443.[10] Leichle T C,Ye W,Allen M G.A sub-μW micromachined magnetic compass[C]//IEEE Conference on SENSORS.Kyoto,Japan,2003:514-517.[11] Leichle T C,Arx1 M V,Reiman S,et al.A lowpower resonant micromachined compass[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2004,14(4):462-470.[12]Choi S,Kim S H,Yoon Y K,et al.A magnetically excited and sensed MEMS-based resonant compass[J].IEEE Transactions on Magnetics,2006,42(10):3506-3508.。

高速永磁同步电动机变系数铁耗计算模型

高速永磁同步电动机变系数铁耗计算模型

第27卷㊀第7期2023年7月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.7Jul.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀高速永磁同步电动机变系数铁耗计算模型徐永明1,㊀庞松印2,㊀刘文辉2,㊀艾萌萌2(1.常州工学院电气信息工程学院,江苏常州213032;2.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080)摘㊀要:高速永磁同步电机铁心损耗受磁场多因素影响,现有的计算模型难以准确计算㊂本文基于经典的Bertotti 三项常系数铁耗模型,综合考虑高次谐波㊁旋转磁化㊁集肤效应和小磁滞回环等因素对铁心损耗计算的影响,建立了包含磁滞损耗㊁涡流损耗和附加损耗补偿系数的铁耗计算模型㊂并以一台150kW ,30000r /min 高速永磁同步电动机为例,充分考虑补偿系数随磁密波形畸变率㊁幅值和频率的变化,对样机在不同转速下的铁耗进行计算,实验结果表明,与传统模型相比,该模型计算结果与实测值更加接近㊂之后进一步分析了各因素对铁耗的影响程度,发现影响程度由大到小依次是高次谐波㊁旋转磁化㊁磁滞回环和集肤效应㊂关键词:高速永磁同步电动机;铁心损耗;补偿系数;高次谐波;旋转磁化;影响程度DOI :10.15938/j.emc.2023.07.018中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)07-0174-09㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2021-11-11基金项目:国家自然科学基金(52077047);黑龙江省自然科学基金(LH2020E092)作者简介:徐永明(1979 ),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电机设计及多物理场耦合计算;庞松印(1997 ),男,硕士,研究方向为永磁电机设计;刘文辉(1983 ),男,博士研究生,研究方向为特种电机设计;艾萌萌(1991 ),男,讲师,研究方向为电机优化设计㊂通信作者:徐永明Calculation model of core loss with variable coefficient ofhigh-speed permanent magnet synchronous motorsXU Yongming 1,㊀PANG Songyin 2,㊀LIU Wenhui 2,㊀AI Mengmeng 2(1.School of Electrical and Information Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032,China;2.School of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)Abstract :The core loss of high-speed permanent magnet synchronous motors is affected by multi-factor magnetic field,and it is difficult to calculate the existing calculation model accurately.Based on the clas-sical Bertotti model of core loss with three constant coefficients and considering the influence of high-order harmonics,rotational magnetization,skin effects,and a small hysteresis loop on the calculation of core loss,a calculation model of core loss with compensation coefficients for hysteresis loss,eddy current loss,and additional loss was established.Taking a 150kW,30000r /min high-speed permanent magnet syn-chronous motor as the research object,the core loss at different rotational speeds was calculated by fully considering the change in compensation coefficient with the waveform distortion rate,amplitude,and fre-quency of the flux density.The experimental results show that the calculated results of the model presen-ted are closer to the measured values than the traditional model.Then the influence degree of each factor on core loss was further analyzed,and it is found that the influence degree is in the order of high harmon-ic,rotational magnetization,hysteresis loop,and skin effect.Keywords :high-speed permanent magnet synchronous motor;core loss;compensation coefficient;high-order harmonic;rotational magnetization;influence degree0㊀引㊀言高速永磁同步电动机采用变频电源供电时,其电源谐波和电机内部磁场谐波共同作用使电机的定子铁耗大幅增加,如何准确计算及精细化分析其铁耗始终是高速电机领域的研究热点之一[1]㊂目前高速电机铁耗的计算多是在Bertotti提出的经典三项常系数模型的基础上进行修正㊂张洪亮等采用2个相互正交的交变磁化以等效考虑旋转磁化的影响,并通过样机实测证明铁耗计算中仅考虑交变磁场和基波磁通是不够的[2]㊂文献[3-4]在铁耗计算时考虑旋转磁场影响与不考虑时相比,计算模型和仿真实验结果更接近㊂文献[5]对不同磁化方式下的铁耗进行了计算,经实验验证了考虑旋转磁化影响时铁耗计算模型的有效性㊂文献[6]通过对硅钢片的损耗测试证明了铁耗计算时考虑旋转磁化的必要性㊂文献[7]引入涡流损耗㊁磁滞损耗和附加损耗补偿系数,考虑高次谐波对铁心损耗的影响,以48槽/8极内转子和36槽/48极外转子两台永磁电机为例进行计算并经实验验证了计算模型的有效性㊂文献[8]引入磁滞损耗附加磁密低次项和涡流损耗附加磁密高次项来考虑到高次谐波的影响,以补偿磁场谐波对铁耗的影响,实验证明了该方法的有效性㊂文献[9]考虑了逆变器输出电压谐波对电机铁耗的影响,将铁损表示成电压和速度的函数,以5.5kW和55kW两台变频感应电机为例对比分析了不同转速和负载条件下铁耗的计算值和实验值,验证了模型的准确性㊂文献[10-13]在铁耗的计算中考虑了高次谐波和旋转磁化的影响,并经有限元仿真验证了计算结果㊂当电机运行频率较高时,集肤效应作用会导致叠片厚度上涡流分布不均,对铁耗产生影响[14]㊂文献[15]考虑了高频下集肤效应的影响,构建了铁耗计算模型,并以实例计算和实验验证证明了模型的有效性㊂文献[16-17]铁耗计算时在高次谐波和旋转磁化影响的基础上,通过引入补偿函数考虑了集肤效应对铁耗的影响㊂随着电磁负荷和功率密度的增加,电机内磁场饱和程度逐渐增加,在铁心损耗的研究中还应考虑磁滞回线产生的磁滞回环的影响㊂文献[18]等在铁耗计算中,引入旋转磁化损耗系数来考虑旋转磁化致磁滞损耗的增加,并给出了该系数的确定方法㊂文献[19]在铁耗计算中引入磁滞损耗修正系数,考虑小磁滞回环的影响,并对多台样机的空载铁耗试验,验证了方法的有效性㊂文献[20]铁耗计算中在高次谐波的基础上进一步考虑了磁滞回环的影响,计算结果相比经典模型与实测值更接近㊂文献[21]考虑了旋转磁化㊁高次谐波和小磁滞回环等因素的影响,根据已有的实验数据,利用支持向量回归机(support vactor regression,SVR)进行非线性回归得到磁滞损耗系数,但计算过程繁琐,且模型不能体现铁耗随磁密波形畸变率㊁磁密基波和谐波幅值的变化规律㊂上述研究成果,有效提升了电机铁耗计算的准确性,在Bertotti经典模型的基础上考虑了部分影响铁耗的磁场因素㊂有限元数值分析是将各单元的磁通密度幅值代入求解,无法将磁密的磁化轨迹和谐波分解的结果代入,考虑不到磁场磁化㊁谐波和小磁滞回环等磁场因素的影响,导致其结果相对较小㊂但实际上,在铁心损耗计算时,需要综合考虑高次谐波㊁旋转磁化㊁集肤效应和小磁滞回环等磁场多因素的影响,并深入分析各因素对铁耗的影响程度㊂针对这一情况,本文以一台150kW,30000r/min 曝气风机用高速永磁同步电动机为例,构建综合考虑磁场多因素影响的变系数铁心损耗计算模型,并研究磁场各因素对铁耗的影响程度,通过实验予以验证该模型的准确性㊂1㊀变系数铁耗计算模型变系数铁耗计算模型是在Bertotti经典铁耗计算模型的基础上,综合考虑高次谐波㊁旋转磁化㊁集肤效应和小磁滞回环等因素的影响,所构建的铁耗计算模型㊂经典的Bertotti铁耗计算模型为[22]p Fe=p h+p c+p e=k h fBαm+k c f2B2m+k e f1.5B1.5m㊂(1)式中:p Fe为单位质量铁耗,W/kg;p h为磁滞损耗, W/kg;p c为经典涡流损耗,W/kg;p e为附加涡流损耗,W/kg;k h㊁α为磁滞损耗系数;k c为经典涡流损耗系数;k e为附加损耗系数;f为磁场的变化频率, Hz;B m为磁密幅值,T㊂对于高速电机而言,任意磁场波形下产生的铁耗等于其基波和各次谐波分量产生的铁耗之和,考虑高次谐波影响的铁耗计算模型如下:p Fe=k hðn i=1f i Bαi+k cðn i=1f2i B2i+k eðn i=1f1.5i B1.5i㊂(2)571第7期徐永明等:高速永磁同步电动机变系数铁耗计算模型式中:i 为磁场谐波阶次,i =1,2,3, ,n ;f i 为电机第i 阶谐波频率;B i 为磁场第i 阶谐波磁密幅值㊂根据磁密基波和谐波之间的关系,以经典涡流损耗为例,推导计及磁波形畸变率㊁幅值和频率的补偿系数,即p c =k c f 21B 21+k c f 22B 22+k c f 23B 23+ =[f 1f 1()2(B 1B m )2(B m B 1)2+f 2f 1()2(B 2B m )2(B m B 1)2+ +f if 1()2(B iB m)2(B m B 1)2+ ]k c f 21B 21㊂(3)式中B m =ðni =1B 2i 为合成磁场的磁密幅值,则B2m B21=1+B 22B 21+B 23B 21+ +B 2n B21=1+B 2THD ,B THD 为磁密波形畸变率㊂则经典涡流损耗可表示为p c =ðni =1f if 1()2(Bi Bm)2(1+B 2THD)[]k c f 21B 21=k ᶄc (f i ,B i ,B THD )k c f 21B 21㊂(4)式中k 'c (f i ,B i ,B THD )为涡流损耗补偿系数㊂同理,磁滞损耗和附加损耗的补偿系数可表示为:k ᶄh(f i ,B i ,B THD )=ðni =1f i f 1(B i B m)α(1+B 2THD)α2;(5)k ᶄe(f i ,B i ,B THD )=ðni =1f if 1()1.5(B i B m)1.5(1+B 2THD )34㊂(6)此外,高速永磁电动机其供电频率是普通电机的几倍甚至几十倍,较高的频率使得硅钢片的集肤效应增大,导致硅钢片内部涡流分布不均匀,须引入涡流损耗修正系数,考虑集肤效应对铁耗的影响,即k c (f )=k c3D f sinh(D f )-sin(D f )cosh(D f )-cos(D f )㊂(7)式中:D =dπμσ,d 为硅钢片厚度;μ为硅钢片平均磁导率;σ为硅钢片电导率㊂电机定子铁心硅钢片与处于静止磁场的硅钢片相比,其磁化方式除了交变磁化以外,还含有旋转磁化㊂磁密在变化的过程中,存在局部非线性转折现象,即磁密反向变化,即形成小磁滞回环,会导致铁心中磁滞损耗的增加,需通过补偿系数加以考虑,有k B =1+k m ðNj =1ΔB mj B m()㊂(8)式中:k m 为常数,一般取0.65;B m 是磁密幅值;ΔB mj 是局部磁密的变化量;N 为一个电周期内局部磁密变化次数㊂为考虑旋转磁化的影响,将磁密分解成径向与切向两个正交方向,并以径向和切向的磁密幅值来替代经典铁耗计算模型中的磁密幅值㊂综合以上分析,考虑高次谐波㊁旋转磁化㊁集肤效应和磁滞回环等多因素的影响,得到变系数铁心损耗计算模型如下:p Fe =k Bðn i =1f i f 1(B i r B mr)α(1+B 2THD -r)α2[]k h f 1B α1r +ðni =1f if 1(Bi tBmt)α(1+B 2THD -t )α2[]k h f 1B α1t []+ðn i =1k c (f )fi f 1()2(B i r B mr)2(1+B 2THD -r )[]f 21B 21r +ðn i =1k c(f )f i f 1()2(Bi tBmt)2(1+B 2THD -t )[]f 21B 21t []+ðn i =1f i f 1()1.5(B i r B mr)1.5(1+B 2THD -r)34[]k e f 1.51B 1.51r +ðni =1f i f 1()1.5(B i t B mt)1.5(1+B 2THD -t)34[]k e f 1.51B 1.51t []㊂(9)式中:B i r ㊁B i t 分别为考虑旋转磁化后的径向和切向磁密第i 阶谐波幅值;B THD -r ,B THD -t 分别为考虑旋转磁化后的径向和切向磁密波形畸变率㊂2㊀高速永磁同步电动机的定子铁耗本文以一台额定输出功率为150kW 的4极24槽高速永磁同步电机为研究对象,其额定转速为30000r /min,采用SPWM 逆变器对其进行供电,同时为降低逆变器输出电压含有的大量谐波分量对电机磁场的影响,在供电电路中并联滤波电容㊂该电机的基本参数如表1所示,样机二维有限元仿真模型如图1所示㊂2.1㊀定子铁心内瞬态磁场分析根据区域化铁耗计算方法,将电机定子铁心划分为齿顶㊁齿中㊁齿根和轭中4部分,如图2所示,分别取A ㊁B ㊁C ㊁D 点磁密代表各自区域的磁密㊂671电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀表1㊀高速永磁同步电动机的基本参数Table1㊀Basic parameters of high-speed permanent magnet synchronous motors图1㊀高速永磁同步电动机仿真模型Fig.1㊀Simulation model ofhigh-speed permanent mag-net synchronous motor图2㊀定子铁心分区和取点示意图Fig.2㊀Schematic diagram of stator core partition andselection of points定子铁心磁密可以分解为径向磁密和切向磁密,其数学表达式如下:B r=B x cosθ+B y sinθ;B t=B x sinθ+B y cosθ㊂}(10)式中:B r为径向磁密;B t为切向磁密;B x为电机磁密的x轴分量;B y为其y轴分量;θ为柱坐标中x轴与径向夹角㊂采用二维磁场的时步有限元理论和式(10),可以得到在一个磁场变化周期内不同位置的磁密变化曲线,如图3~图6所示㊂图3㊀A点磁密分量Fig.3㊀Magnetic density component at point A图4㊀B点磁密分量Fig.4㊀Magnetic density component at point B图3为定子齿顶区域A点的磁密分量,在相同的电角度下,齿顶A点的径向磁密与切向磁密相差较大,磁密幅值主要由径向磁密构成,为0.901T,而切向磁密为0.303T,和旋转磁场相比,主要受交变磁场的影响㊂图4为齿中区域B点的磁密分量,在相同的电角度下,B点的径向磁密均远大于切向磁密,其幅值分别为1.195T和0.042T㊂可认为该区域的磁化771第7期徐永明等:高速永磁同步电动机变系数铁耗计算模型方式只受交变磁场的影响㊂图5㊀C 点磁密分量Fig.5㊀Magnetic density component at pointC图6㊀D 点磁密分量Fig.6㊀Magnetic density component at point D图5为齿根区域C 点的磁密分量,C 点介于定子齿部与轭部的分界处,径㊁切向磁密幅值相差不大,分别为0.848T 和0.632T,该区域磁化方式为旋转磁场和交变磁场二者影响均较大㊂图6为定子轭中区域D 点的磁密分量,在相同的电角度下,D 点大部分的切向磁密与径向磁密相差较大,其径㊁切向磁密幅值分别为0.202T 和1.034T,主要由切向磁密组成㊂因此和交变磁场相比,主要受旋转磁场的影响㊂由以上分析可知,在高速永磁同步电动机额定运行工况下,定子上各部分的磁化方式存在明显差异㊂对于磁密中存在的谐波分量,将各点的径向和切向磁密通傅里叶进行谐波分解,得到各点磁密的基波和各次谐波幅值变化情况,如图7所示㊂图7㊀各点磁密谐波分布图Fig.7㊀Magnetic density harmonic distribution diagram由图7可以看出,就径向磁密而言,定子齿中B871电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀点的磁密基波幅值比其他区域大,为1.131T;定子轭部D点的磁密基波幅值最小,为0.198T㊂而对切向磁密来说,定子轭部D点的磁密基波幅值最大,为0.979T;定子齿中B点的磁密基波幅值最小,为0.039T㊂此外,根据径向和切向磁密的傅里叶分解结果,从点A到点D由于旋转磁场的影响逐渐加大,相比于A㊁B两点,C㊁D两点处的切向磁密均显著增大,C点径向和切向磁密之间的基波幅值差距减小,分别为0.826T和0.529T㊂从上图可以看出谐波幅值随谐波次数的增加呈降低趋势㊂各点的低次谐波磁密含量较大,即3㊁5㊁7㊁9次谐波,但当谐波次数达到11次谐波以后,谐波含量变得很小,在铁耗计算时可忽略㊂计算各点磁密波形谐波畸变率,切向磁密波形畸变率B点最大,为27.8%;D点最小,为5.3%㊂而径向磁密波形畸变率D点最大,为25.1%;B点最小,为10.6%㊂2.2㊀定子铁心损耗计算在磁密分析的基础上,采用本文所提出的变系数模型计算样机在额定工况下的定子铁耗㊂表2给出了定子铁心不同区域的铁耗及其所占总铁耗的比重㊂表2㊀定子铁心不同区域铁耗分布Table2㊀Distribution of iron loss in different areas ofstator core㊀定子铁心参数齿顶齿中齿根轭中铁心体积/mm366.7124143290基波铁耗/W78244228458谐波铁耗/W29406453区域铁耗/W107284292511铁耗密度/(W/mm3) 1.6 2.29 2.04 1.76占总铁耗比例/%8.923.824.542.8由表2可见,定子齿顶区域铁心体积较小,其铁耗在4个区域中的比重最小,仅占总铁耗的8.9%㊂定子轭部所占的铁心区域体积最大,并且其磁密幅值大,故其铁耗所占比重最大,为42.8%㊂虽然定子齿中铁耗密度最大,但其铁心体积小,因此其铁耗不是最大,占定子总体的23.8%㊂定子齿根与轭部的交界处与定子齿中的面积和磁密幅值相差不大,其铁耗和定子齿中的铁耗较为接近,所占比重为24.5%㊂在额定运行工况下,定子铁心各区域铁心损耗分布由大到小依次为定子轭部㊁定子齿根㊁定子齿中和定子齿顶㊂此外,从谐波损耗可以看出,定子铁心各区域还存在一定的谐波铁耗㊂为进一步分析考虑磁场因素对铁耗计算的必要性,研究磁场频率对电机铁耗的影响,分别对不同转速下的定子铁耗进行计算,并和经典模型计算结果相比,如表3所示㊂表3㊀不同转速下定子铁耗计算结果Table3㊀Calculation results of stator iron loss at different speeds转速/(r/min)本文模型/W经典模型/W相对误差/% 1200034428221.99 1800058747922.55 2400087571123.07 300001194101717.40由表3的结果对比可以看出,本文模型的铁耗计算结果均明显高于经典模型,二者之间的相对误差在20%左右,主要是引入了考虑旋转磁化㊁集肤效应和小磁滞回环等磁场因素的补偿系数,使得计算结果更大㊂与经典模型相比,当电机在额定转速,即30000r/min时,铁耗增加最少,为17.40%;当电机转速为24000r/min时,铁耗增加最多,为23.07%㊂当电机转速从12000r/min到24000r/min,随着频率的增大,主要由磁场因素的影响程度加大,导致铁耗增加;尽管此时频率增加使集肤效应的影响变大,但因集肤效应引起的铁耗减小不明显,故相对误差呈先逐渐增大的趋势㊂随着频率的进一步增大,当转速为30000r/min时,集肤效应的影响逐渐变大,使得铁耗因其减小的效果开始明显,电机铁耗总体增加幅度减小,进而导致相对误差减小㊂本文模型的铁耗计算结果和有限元数值分析结果对比如图8所示㊂由图8可以看出,数值分析结果明显小于本文模型的计算结果,本文模型的计算结果平均要比其高出105W左右,这是因为数值分析过程是将各单元的磁通密度幅值代入求解,无法将磁密的磁化轨迹和谐波分解的结果代入,难以考虑磁场磁化㊁谐波和小磁滞回环等磁场因素的影响,导致其结果相对较小㊂因此,在计算电机铁耗时,计971第7期徐永明等:高速永磁同步电动机变系数铁耗计算模型及高次谐波㊁旋转磁化㊁小磁滞回环㊁集肤效应等因素的影响是很有必要的㊂图8㊀与数值分析铁耗计算结果对比Fig.8㊀Comparison with numerical analysis iron losscalculation results3㊀各因素对定子铁耗的影响为研究各因素对铁心损耗的影响程度,以经典模型为基础,分别建立仅考虑单一磁场因素的计算模型㊂仅考虑高次谐波影响的铁耗模型,即㊀p Fe =ðni =1f i f 1(B i B m)α(1+B 2THD )α2k h f 1B α1+ðni =1k c f if 1()2(B i B m)2(1+B 2THD )k c f 21B 21+ðni =1f i f 1()1.5(B i B m)1.5(1+B 2THD )34k e f 1.51B 1.51㊂(11)仅考虑小磁滞回环影响的铁耗模型为p Fe =k B ˑk h fB αm +k c f 2B 2m +k e fB 1.5m ㊂(12)仅考虑旋转磁化影响的铁耗模型为p Fe =k h f (B αr +B αt )+k c f 2(B 2r +B 2t )+k e f 1.5(B1.5r+B 1.5t )㊂(13)采用经典模型和上述3个模型分别计算样机在不同转速下的铁耗,以分析各因素对铁耗的影响程度㊂不同转速下各模型的单位质量铁耗计算结果对比如表4所示㊂从表4中可以看出,仅考虑高次谐波的影响,在表中四个转速时的单位质量铁耗,和经典模型相比,分别增加了8.61㊁18.09㊁27.74㊁42.02W,平均增加幅度约为17.14%㊂同理,仅考虑磁滞回环的影响,单位质量铁耗增加幅度很小,平均约为4.79%;而仅考虑旋转磁化的影响时,单位质量铁耗平均增加幅度约为9.49%㊂就铁耗增加幅度而言,高次谐波的影响程度最大,旋转磁化次之,磁滞回环最小㊂表4㊀样机各模型的单位质量铁耗对比Table 4㊀Comparison of core loss per unit mass of eachmodel for prototype转速/(r /min)经典模型/W 仅考虑高次谐波/W 仅考虑磁滞回环/W 仅考虑旋转磁化/W 1200061.3469.9564.3266.7218000104.04122.13109.17114.1824000155.38183.12162.41169.2230000217.87259.89228.40240.83电机运行频率越高,集肤效应对铁耗的影响就越明显㊂为了更加明显地分析集肤效应影响程度,本文在仅考虑高次谐波影响的铁耗模型的基础上,对集肤效应影响加以分析㊂不同转速下考虑集肤效应与否时单位质量铁耗计算结果如表5所示㊂表5㊀集肤效应考虑与否时单位质量铁耗对比Table 5㊀Comparison of core loss per unit mass of consider-ing skin effect or not转速/(r /min)仅考虑高次谐波/W考虑集肤效应/W1200069.9569.8818000122.13121.8324000183.12182.3130000259.89257.53由表5可知,考虑集肤效应影响后,铁耗有所减少,且随着转速的增加单位质量铁耗减少量逐渐加大,但整体铁耗的减少的量非常小㊂与仅考虑高次谐波的影响相比,在此基础上考虑集肤效应影响后铁耗平均降低幅度约为0.42%㊂可见,随着转速的升高,较高的频率使集肤效应变明显,导致电机硅钢片内部的涡流分布不均匀,使铁耗逐渐降低,但整体而言,集肤效应对铁耗的影响很小,可忽略不计㊂4㊀实验验证为进一步验证本文所提计算模型的准确性,对一台曝气风机用150kW,30000r /min 高速永磁同步电动机定子铁心损耗进行验证,试验设备主要由UPS㊁输入电抗器㊁滤波器㊁变频器㊁制动电阻㊁输出电抗器㊁磁悬浮轴承控制柜以及冷却风机等组成㊂样机实验平台如图9所示㊂081电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图9㊀样机实验平台Fig.9㊀Prototype experiment platform由于风机压升较高,精确测试压升需要风机进口㊁出口均有较长的距离㊂而试验现场空间较小,实际压升通过压力表难以测量,最终使用测试水管高度的方式进行压升测试㊂电机带叶轮实验,按照以下三个过程实验:首先带叶轮㊁不带蜗壳升速至额定转速;之后带叶轮㊁蜗壳升速至额定转速;最后调节风机进出口阀门,进行风机性能测试㊂高速永磁电动机的定子铁耗由空载实验经损耗分离的方法得到㊂其中,电机的输入和输出功率可别通过功率分析仪器和转矩转速传感器测量得到;各转速下空载电流在5~7A之间,线电阻为0.0105Ω,由于铜耗很小,因此忽略不计;机械损耗由测功机在不同转速下拖动无永磁体转子的待测样机,由同轴连接在测功机与待测样机间的转速转矩传感器上的扭矩值计算得到,转速为12000㊁18000㊁24000和30000r/min时,机械损耗分别是58㊁130㊁220和362.5W㊂利用本文变系数铁耗模型和经典模型对样机在不同转速下的铁耗计算值与实验结果对比分析,如表6所示㊂由表6可知,在不同的转速下,经典铁耗模型结果和实验值相比相对误差较大,都在20%左右㊂而采用本文给出的变系数铁耗计算模型所得结果和实验值更为接近,相对误差较小,均在5%以内,验证了考虑多磁场因素后的本文模型对于铁耗计算有更高的准确性㊂但由于未考虑温度㊁应力和加工工艺等对电机的影响,使得本文计算结果小于实验结果㊂表6㊀样机不同转速下铁耗计算值与实验结果对比Table6㊀Iron loss comparison of calculation value and ex-perimental results of prototype at different speeds 转速/(r/min)计算值/W本文模型经典模型实验值/W相对误差/%本文模型经典模型12000344282355 3.1020.56 18000587479608 3.4521.22 24000875711913 4.1622.12 30000119410171241 3.7918.055㊀结㊀论本文给出一种综合考虑磁场内多因素影响的变系数铁耗计算模型,分析了不同因素对铁耗的影响程度,得到如下结论:1)在经典铁耗模型的基础上,引入在磁滞损耗,经典涡流损耗和附加损耗补偿系数,综合考虑高次谐波㊁旋转磁化㊁集肤效应和小磁滞回环等因素的影响,构建了综合考虑磁场多因素影响的变系数铁心损耗计算模型,且补偿系数随磁密幅值㊁频率和磁密畸变率变化,实验证明该模型计算结果更接近实验数据㊂2)由于变频电源中大量高次谐波成分和集肤效应的影响,使得定子区域各点的径向和切向磁密波形非正弦分布,在磁密增加或减小的过程中,存在着局部磁密反向的现象,且电机齿部位置的磁场波形畸变要高于轭部位置,定子各区域铁耗所占总铁耗的比例由大到小依次是轭中㊁齿根㊁齿中和齿顶㊂3)得到了磁场各因素对铁耗的影响程度,与经典模型计算结果相比,磁场因素对铁耗计算结果的影响程度由大到小依次是高次谐波㊁旋转磁化㊁磁滞回环,分别为17.14%㊁9.49%㊁4.79%;其中集肤效应的影响程度是在考虑高次谐波的基础上得到的,相对来说集肤效应对铁耗的影响最小,仅为0.42%,可忽略不计㊂参考文献:[1]㊀孔晓光,王凤翔,徐云龙,等.高速永磁电机铁耗的分析和计算[J].电机与控制学报,2010,14(9):26.KONG Xiaoguang,WANG Fengxiang,XU Yunlong,et al.Analy-sis and calculation of iron loss of high-speed permanent magnet motors[J].Electric Machines and Control,2010,14(9):26.[2]㊀张洪亮,邹继斌.考虑旋转磁通的PMSM铁心损耗数值计算[J].电机与控制学报,2007,11(4):340.181第7期徐永明等:高速永磁同步电动机变系数铁耗计算模型ZHANG Hongliang,ZOU Jibin.Numerical calculation of PMSM core loss considering rotating magnetic flux[J].Electric Machines and Control,2007,11(4):340.[3]㊀KIM C W,KIM J M,SEO S W,et al.Core loss analysis of perma-nent magnet linear synchronous generator considering the3-D flux path[J].IEEE Transactions on Magnetics,2017,54(3):1.[4]㊀戈宝军,罗前通,王立坤,等.高速永磁同步电动机铁耗分析[J].电机与控制学报,2020,24(4):32.GE Baojun,LUO Qiantong,WANG Likun,et al.Iron loss analy-sis of high-speed permanent magnet synchronous motors[J].Elec-tric Machines and Control,2020,24(4):32.[5]㊀TAKBASH A,IBRAHIM M,MASISI L,et al.Core loss calcula-tion in a variable flux permanent magnet machine for electrified transportation[J].IEEE Transactions on Transportation Electrifi-cation,2018,4(4):857.[6]㊀LI Yongjian,CHENG Hao,LIN Zhiwei,et al.A modified charac-terization method for core loss calculation under rotational magneti-zation[J].IEEE Transactions on Magnetics,2021,57(2):1.[7]㊀揭丁爽,黄苏融,陈克慧,等.计及高次谐波影响的高密度永磁同步电机铁耗计算[J].电机与控制应用,2019,46(4):71.JIE Dingshuang,HUANG Surong,CHEN Kehui,et al.Calcula-tion of iron loss of high-density permanent magnet synchronous mo-tor considering the influence of higher harmonics[J].Electric Ma-chines and Control Application,2019,46(4):71. [8]㊀张冬冬,赵海森,王义龙,等.用于电机损耗精细化分析的分段变系数铁耗计算模型[J].电工技术学报,2016,31(15):16.ZHANG Dongdong,ZHAO Haisen,WANG Yilong,et al.A piecewise variable coefficient iron loss calculation model for refined analysis of motor loss[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2016,31(15):16.[9]㊀ZHANG Dongdong,LIU Tianhao,ZHAO Haisen,et al.An ana-lytical iron loss calculation model of inverter-fed induction motors considering supply and slot harmonics[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2019,66(12):9194.[10]㊀肖成东,赵海森,张冬冬,等.变频供电条件下异步电机空载磁场及损耗分布特点[J].电机与控制应用,2015,42(3):64.XIAO Chengdong,ZHAO Haisen,ZHANG Dongdong,et al.No-load magnetic field and loss distribution characteristics of a-synchronous motors under variable frequency power supply[J].Electric Machines and Control Application,2015,42(3):64.[11]㊀魏静微,于晓,黄全全.不同供电方式下永磁同步电动机铁耗计算与分析[J].微特电机,2018,46(3):64.WEI Jingwei,YU Xiao,HUANG Quanquan.Calculation and a-nalysis of different power supply on iron loss of permanent magnetsynchronous motor[J].Small&Special Electrical Machines2018,46(3):64.[12]㊀KIM C W,KOO MM,KIM J M,et al.Core loss analysis of per-manent magnet linear synchronous generator with slotless stator[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2018,28(3):1.[13]㊀ZHANG Chao,CHEN Lixiang,WANG Xiaoyu,et al.Loss cal-culation and thermal analysis for high-speed permanent magnetsynchronous machines[J].IEEE Access,2020,8:92627.[14]㊀XUE Shaoshen,FENG Jianghua,GUO Shuying,et al.Iron lossmodel for electrical machine fed by low switching frequency in-verter[J].IEEE Transactions on Magnetics,2017,53(11):1.[15]㊀JIA Wanying,LAN Xiao,WU Hongfei,et al.An improved core-loss calculation method for doubly salient electromagnetic motor[C]//2017IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),October1-5,2017,Cincinnati,OH,USA.2017:3125-3129.[16]㊀江善林,邹继斌,徐永向,等.考虑旋转磁通和趋肤效应的变系数铁耗计算模型[J].中国电机工程学报,2011,31(3):104.JIANG Shanlin,ZOU Jibin,XU Yongxiang,et al.Variable coef-ficient iron loss calculation model considering rotating magneticflux and skin effect[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(3):104.[17]㊀IBRAHIM M.Core loss prediction in electrical machine lamina-tions considering skin effect and minor hysteresis loops[J].IEEETransactions on Industry Applications,2013,49(5):2061.[18]㊀赵海森,张冬冬,王义龙,等.变频供电条件下感应电机空载铁耗分布特点及其精细化分析[J].中国电机工程学报,2016,36(8):2260.ZHAO Haisen,ZHANG Dongdong,WANG Yilong,et al.Distri-bution characteristics and refined analysis of no-load iron loss ofinduction motors under variable frequency power supply[J].Pro-ceedings of the CSEE,2016,36(8):2260.[19]㊀佟文明,孙静阳,段庆亮,等.永磁同步电动机空载铁耗研究[J].电机与控制学报,2017,21(5):51.TONG Wenming,SUN Jingyang,DUAN Qingliang,et al.No-load iron loss of permanent magnet synchronous motors[J].Elec-tric Machines and Control,2017,21(5):51. [20]㊀TAITODA T,TAKAHASHI Y,FUJIWARA K.Iron loss estima-tion method for a general hysteresis loop with minor loops[J].IEEE Transactions on Magnetics,2015,51(11):1. [21]㊀靳荣华,师蔚.多因素影响下永磁电机定子铁耗计算[J].微特电机,2019,47(6):16.JIN Ronghua,SHI Wei.Calculation of stator iron loss of perma-nent magnet motor influenced by multi-factors[J].Small&Spe-cial Electrical Machines,2019,47(6):16.[22]㊀BERTOTTI G,FIORILLO F,MAZZETTI P,et al.Statisticalmodels of losses in soft magnetic materials[J].Journal of Mag-netism and Magnetic Materials,1984,46(1):68.(编辑:刘素菊)281电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀。

MEMS_Process

MEMS_Process

Anti-Footing for SOG
App
Heating
JMM2003 JMEMS’06
2
Lag
MEMS2002 MEMS2009
Sidewall residue
工艺流程设计
标准工艺
设计规则 单元库
定制工艺
单项实验 流程设计
工艺流程设计
可行性 兼容性
工艺兼容性
温度 沾污
设备兼容性
尽量简单
减低成本 提高成品率
DRIE
Bosch process
1
DRIE
Rangelow, J. Vac. Sci. Technol. 2003
Anti-Footing for SOG
Surface roughness (lateral etching)
Footing
Milanović ,IMECE2002-33392
Solution: Low frequency add-ons
MEMS/NEMS工艺
键合
静电,热键合,共熔键合
LIGA 压印 电火花,喷砂 激光 …
工艺材料
单晶硅 薄膜材料
多晶硅,多晶锗硅 氧化硅、氮化硅、碳化硅 金属:Ti, Al, Ni, Au, Cu, … 有机材料:光刻胶,Polyimide, Parylene, Su8
其它材料
玻璃,石英 碳化硅单晶 砷化镓,氮化镓,… …
Takao, IEEE MEMS, 2008
作业
列举三种以上的减小深刻蚀结构侧壁粗糙度的工 艺方案。 不等高梳齿工艺中实现精确对准的工艺流程。 列举Umich基于键合工艺的Post CMOS集成工艺 的优缺点。 实现图示结构的工艺流程,并试列举可能的应用。

Passive Vibration Control via Electromagnetic Shunt Damping

Passive Vibration Control via Electromagnetic Shunt Damping
Digital Object Identifier 10.1109/TMECH.2004.835341
Fig. 1. Electromagnetic shunted mass spring damper system.
A. Electromagnetic Transducer Model
When an electrical conductor, in the form of a coil, moves in a magnetic field, as shown in Fig. 1, a voltage Ve proportional to the velocity is induced and appears across the terminals of the coil, i.e., Ve / . Specifically
This brief presents the concept of electromagnetic shunt damping for structural vibration control. By attaching an electromagnetic transducer to a resonant mechanical structure and shunting the transducer with an electrical impedance, kinetic energy from the resonant structure can be dissipated. As the mechanical structure displaces, an opposing electro-motive-force (emf) is induced in the transducer. Using an appropriately designed electrical shunt the transducer is capable of significantly reducing mechanical vibration.

非制冷式红外探测器原理研究

非制冷式红外探测器原理研究

非制冷式红外探测器原理研究摘要:随着信息技术的发展,红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。

其中,非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点,是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。

自然界所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体都会发出红外辐射,红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。

红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术,红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。

非制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用红外辐射的热效应,由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能,引起敏感元件温度上升。

敏感元件的某个物理参数随之发生变化,再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号,以实现对物体的探测。

非制冷红外焦平面探测器分为五大类:热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。

本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述,并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究,总结了不同类型探测器的优缺点。

关键词:红外探测技术;非制冷红外焦平面探测器;读出电路;敏感元件第一章绪论1.1研究背景及课题意义随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来,各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。

与制冷红外成像系统相比,非制冷红外成像系统可在室温工作,省掉了昂贵且笨重的制冷设备,从而大大减小了系统的体积、成本和功耗;此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。

国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。

同众多高新技术一样,红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。

红外成像系统可装备各类战术和战略武器,常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导,是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。

与其他探测方式不同的是,红外探测属于被动探测系统,探测系统并不主动向目标发射探测信号,相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。

2.4 GHz短距无线通信系统射频模块的设计

2.4 GHz短距无线通信系统射频模块的设计

HbFP 0420 双极晶体管来设计 LNA,并分别按最
小噪声系数、最佳增益设计 LNA 的输入、输出匹配
电路. LNA 由 LMX3l62 内部的稳压器提供 + 2. 7 V
的稳压电源. 经调试该 LNA 在 2. 4 ~ 2. 5 GHZ 的频
率范围内可获得 l2 db 的增益、l. 5 db 的噪声系
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY( NaturaI Science Edition)
VoI. 34 No. l Jan. 2004
2. 4 GHZ 短距无线通信系统射频模块的设计
张 华 赵洪新 洪 伟
( 东南大学毫米波国家重点实验室,南京 2l0096)
摘要:主要介绍一种工作在 2. 4 ~ 2. 5 GHZ ISM 频段的短距离无线通信收发信机射频前端模块. 该模块由低噪声放大器( LNA)、上 / 下变频器、锁相环( PLL)频率合成器以及射频 / 中频滤波器等 构成,并集成在一块 97 mm X 66 mm 的 PCB 板上. 文中在理论分析和仿真基础上对射频前端电路 进行了设计和研制. 发射通道输出信号频谱和接收通道解调信号的测试结果表明,该射频模块可 应用于蓝牙或 IEEES02. llb 无线局域网等短距离无线通信系统. 关键词:无线扩频通信;射频前端;收发信机;仿真与测试 中图分类号:TN925 +. 92;TN929. 54 文献标识码:A 文章编号:l00l - 0505(2004)0l-00l0-05
实验证明该 PLL 本振源能很好地锁定. PLL 的
鉴相频率设计值为 500 kHZ,由于本系统以跳频方
式工作,频率合成器在要求的频率范围内以 500
kHZ 的最小频率间隔跳频工作. 这样合成频率经倍

多发射极SiSiGe异质结晶体管

多发射极SiSiGe异质结晶体管
北京工业大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 2003,29(2) 1次
参考文献(3条) 1.邹德恕.高国.陈建新 基区杂质外扩对SiGe/Si HBT低温特性的影响 1998(03) 2.邹德恕.高国.陈建新 SiGe/Si HBT离子注入自对准的研究 1998(05) 3.Tang R.FORD J.PRYOR B Extrinsic base optimization for high performance RF SiGe heterojunctionbipolar transistors 1997(09)
引证文献(1条)
1.杨维明.陈建新.邹德恕.史辰.李振国.高铭洁 Si/SiGe异质结晶体管的参数提取与特性模拟[期刊论文]-半导体技
术 2004(11)
本文链接:/Periodical_bjgydxxb200302014.aspx 授权使用:武汉大学(whdx),授权号:98892e6f-9f9b-43b3-bc1d-9e61014508e6
制造出具有如下参数的器件:电流增=醢卢=26、%B=7V、,咧≥l 80mA、,T≥2GHz,实现了高频大功率,充分 强示出sj,si。一:Ge,材辩的优越陛.
关键词:si/si(诗异质结双板晶体管;梳状结构;双台面_[艺
中围分类号:1N 232.4
文献标识码:A
文章编号:0254∞37(2003)02—0179一03
S㈣Ge珊n; Key words:
comb s咖cture; double—mesa technological process
万方数据
多发射极Si/SiGe异质结晶体管
作者: 作者单位: 刊名:

26735216_一种相控阵雷达多通道同步方法

26735216_一种相控阵雷达多通道同步方法

2022年2月第50卷第1期Feb.2022Vol.50No.1现代防御技术MODERN DEFENCE TECHNOLOGY一种相控阵雷达多通道同步方法*祝昇翔,何岷,贺志毅,王嘉欣(北京遥感设备研究所,北京100854)摘要:相控阵雷达采用多通道工作方式后增加了自由度并提升了系统性能。

针对雷达遇到的同步问题,提出一种相控阵雷达多通道同步方法。

该方法首先采用同步触发方式对单个时钟芯片进行同步,然后对多个时钟芯片的同步信号进行精确延时调整,最后采用一种自适应采样窗口中心调节方法实现多个高速模数转换器的同步。

将其应用于实际雷达产品,实测结果表明,该方法可有效实现相控阵雷达的多通道同步。

关键词:多通道;同步;相控阵雷达;JESD204B标准;时钟doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2022.01.009中图分类号:TN958.92;TJ0文献标志码:A文章编号:1009-086X(2022)-01-0060-07A Multi-Channel Synchronization Method for Phased Array RadarZHU Sheng⁃xiang,HE Min,HE Zhi⁃yi,WANG Jia⁃xin(Beijing Institute of Remote Sensing Equipment,Beijing100854,China)Abstract:The multi-channel mode of phased array radar increases the degree of freedom and im⁃proves performance of the system.To solve the synchronization problem of the radar,a multi-channel synchronization method for phased array radar is proposed.It uses the synchronization trigger mode for single clock chip.The delay values of multiple synchronization signals of the clock chips are ad⁃justed accurately.An adaptive sample window center adjustment method is proposed for multiple high speed analog to digital converters.This method is used for actual radar products.Test results have demonstrated the effectiveness of the approach to implement multi-channel synchronization for phased array radar.Keywords:multi-channel;synchronization;phased array radar;JESD204B standard;clock0引言相控阵技术自出现以来,凭借其波束快速扫描和灵活捷变,以及空域滤波和定向能力,大大提升了雷达的威力[1]。

一种二次补偿的带隙电压基准

一种二次补偿的带隙电压基准

一种二次补偿的带隙电压基准陈光华;陈俊飞;高博【摘要】为了降低带隙基准电压源的温漂系数,设计了一种采用β倍增器电流源和IPTAT2电流源作为二次曲率补偿技术的超低温漂基准电压源.运用SMIC 0.18 μm 工艺,仿真结果表明,在-40~85℃,该基准电压源的温漂系数为0.336×10-6/℃,大大降低了温度对电压源的影响.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2019(019)006【总页数】4页(P29-31,40)【关键词】带隙基准;温度系数;β倍增器电流源;IPTAT2电流源【作者】陈光华;陈俊飞;高博【作者单位】四川大学物理科学与技术学院微电子技术四川省重点实验室,成都610064;四川邮电职业技术学院,成都610066;四川邮电职业技术学院,成都610066【正文语种】中文【中图分类】TN4021 引言很多模拟电路或者数字电路都会用到电压基准,它能为系统提供直流参考电压,对电路性能有显著的影响[1]。

为了减小温度对带隙电压基准的影响,需要对其进行曲率补偿,常见的补偿方法为一阶曲率补偿,这种补偿电路的温度特性与被补偿电路有较高的匹配,得到的基准电压无法满足高性能电路系统的要求,因此本文将两种补偿技术互相叠加,通过调节各电路输出的电流,产生一个新的、补偿效果更好的电路,以求得到更低的温漂系数。

2 带隙电压基准的原理及结构2.1 原理带隙电压基准是将两个拥有相反温度系数的电压通过合适的比例相加,从而获得具有零温度系数的基准电压[2]。

用公式表示为:式(1)中α、β 是常数,T 为温度,V+、V-分别为具有正负温度系数的电压,这样输出的基准电压具有零温度系数。

2.2 结构两个工作在不相等的电流密度下的双极型晶体管的基极-发射极电压差(ΔVBE)是一个正温度系数的电压,而双极型晶体管的VBE 则具有负温度系数。

如果通过一定比值的电阻将这两部分电压叠加起来,就可以获得一个零温度系数的基准电压[3]。

表面活化处理在激光局部键合中的应用

表面活化处理在激光局部键合中的应用

表面活化处理在激光局部键合中的应用聂磊;史铁林;汤自荣;李晓平;马子文【摘要】为了研究低热应力键合工艺,提出了一种将表面活化直接键合与激光局部键合相结合的键合技术.首先采用RCA溶液对键合片进行表面亲水活化处理,并在室温下成功地完成了预键合.然后在不使用任何夹具施加外力辅助的情况下,利用波长1064nm、光斑直径500μm、功率70W的Nd:YAG连续式激光器,实现了激光局部键合,并取得了6.3MPa~6.8MPa的键合强度.结果表明,这种以表面活化预键合代替加压的激光局部键合技术克服了传统激光键合存在的激光对焦困难,以及压力不匀易损害键合片和玻璃盖板等缺点,同时缩短了表面活化直接键合的退火时间,提高了键合效率.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2007(031)005【总页数】3页(P476-478)【关键词】激光技术;局部键合;表面活化;键合强度【作者】聂磊;史铁林;汤自荣;李晓平;马子文【作者单位】华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学,武汉国家光电实验室,武汉,430074;华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学,武汉国家光电实验室,武汉,430074;华中科技大学,武汉国家光电实验室,武汉,430074;华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学,武汉国家光电实验室,武汉,430074;华中科技大学,机械科学与工程学院,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TN249引言键合是一种广泛应用于微机电系统(micro electromechanical systems,MEMS)和IC器件生产的工艺。

利用键合技术可以使各种经过抛光的半导体片形成一个整体,从而使以硅为核心的各种材料的集成成为现实,进而使系统、电路、器件与材料的一体化优化设计成为可能,使硅的超大规模集成电路(very large scale integration,VLSI)的潜力得以充分发挥,极大地促进了半导体技术的发展[1]。

基于共振光隧穿效应的加速度传感器

基于共振光隧穿效应的加速度传感器

基于共振光隧穿效应的加速度传感器佚名【摘要】为了设计新型的加速度传感器,将共振光隧穿结构应用于传感元件,利用COMSOL软件对传感器的频率响应、灵敏度性能等关键要素进行了模拟仿真分析,搭建了实验平台,验证了共振光隧穿原理.结果表明,基于共振光隧穿效应结构的加速传感器在1 00Hz~3000Hz范围内、加速度为500m/s2的情况下,灵敏度可达到6.7dB/g.该传感器小巧轻便、结构简单,且具有较高的灵敏度,这为光学传感器的研究提供了新的方法和思路,具有广阔的应用前景.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2019(043)001【总页数】5页(P43-47)【关键词】传感器技术;共振光隧穿效应;加速度传感器;灵敏度;谐响应【正文语种】中文【中图分类】TP212.1+4引言加速度计即加速度传感器,可用于感知目标设备的运动状态,已成为国防、工业等诸多领域的重要测量器件,尤其在进行冲击、振动、导航等测试和应用上起到了至关重要的作用。

微机电系统技术的迅猛发展,极大地促进了加速度传感器的性能优化,体积不断减小的同时,其灵敏度、稳定性及抗干扰能力也有了很大的提升[1-4]。

光学加速度传感器作为研究的新方向,旨在从灵敏度、分辨率、测量范围等方面提高传感器的性能,其工作原理主要是基于波导耦合或者光纤光栅[5-11]。

本文中将共振光隧穿效应(resonant optical tunneling effect,ROTE)应用于光学加速度计的理论设计,通过对加速度计的模型设计、结构参量分析,以及COMSOL灵敏度仿真、频率响应仿真、悬臂梁弯曲强度仿真、加速度计振动检测分析、基于频谱的位移检测分析等,设计了一种基于ROTE结构的线性加速度传感器。

1 ROTE原理与传感器结构设计1.1 ROTE 原理共振光隧穿效应(ROTE)是在光学隧穿效应[12](受抑全内反射)的基础上提出来的一种新型的光学现象。

光学隧穿效应是指光线从高折射率层照射到低折射率层,并且入射角大于临界角时,在界面处会发生全反射,当低折射率层的厚度足够小(小于入射光波长)时,光线将穿过低折射率层,即穿过经典几何光学中光线不能穿过的“壁垒”,形成透射(隧穿光线)。

微机械弹簧组中交叉轴耦合的解析模型

微机械弹簧组中交叉轴耦合的解析模型

微机械弹簧组中交叉轴耦合的解析模型.论文与报告.鱼丝堡照丛生丝—————坠垒丝)微机械弹簧组中交叉轴耦合的解析模型华冠雄译摘要:描述在不同运动方向之间耦合性的解析模型是通过使用能量法来进行推导的,并且在u形弹簧,蟹脚弹簧和螺旋弹簧中得到了验证.为了验证模型并且确定有效性的范围,对于每种弹簧类型的一定范围的弹簧尺寸都进行了有限单元法的分析.螺旋弹簧的模型于是就被包括在用于结点仿真的一个宏观模型之中.基于梁的仿真过程中使用宏观模型在仿真时间上的改进之处得到了评估.在一个加速度计结构中的交叉轴耦合也采用这个宏观模型进行仿真.关键字:模型建立交叉轴耦合微机械弹簧分块参数建模1介绍在过去的几年之中,已经陆续出版了一定数量的关于微机械加速度计和陀螺设计的样例.为了使这些设计方案能够在商业上可行,表征它们内在的非理想特性是绝对必要的.在这些器件当中的非理想特性包括了偏移偏置,交叉轴敏感度和由于理想的机械振荡模态和失配的传感电容的一个组合而发生的非线性特性.不理想的振荡模态是由其支撑弹簧中内在的交叉轴耦合而引起的.为了能够理解并且估计这些非理想特性,在弹簧之中的交叉轴耦合模型就需要被推导.在文献1当中提到的一定数量的惯性传感器是由四根弹簧支撑的一个机械检测质量组成的.每个弹簧都可以用一个6x6的块状元素刚度矩阵来代表(见图1)刚度矩阵的元素.这个对称的矩阵具有21个不等项.不等的非零项数目降低到12是假设沿z轴在几何上没有变化,这样一来,在平面中和在平面外方向之间就没有耦合作用.整个系统的刚度矩阵是以独立刚度矩阵的一个总和而形成的.当所有四个弹簧的几何形状都等同时,则整个布局就是双重对称的,系统的刚度矩阵是对角线型的是因为交叉轴(非对角线的)项已经被取消.然而,由于制造方面的差异,弹簧就不是非常完美地相匹配,从而引起非对角线的刚度矩阵.这就引起系统的特征模态偏离主轴并且最终使检测质量以椭圆形方式运动而不是所期望的直线运动.在文献4之中,由于考虑到模态要被解除耦合状态,非线性杆理论已经被应用来分析一个MEMS陀螺的振动模态.在一个陀螺结构中三个指定模态之间的耦合已经在文献5当中进行了"研究.在本文之中我们的目的是对在一个支撑结构的主模态之间的耦合性进行建模,方式是通过推导三种广泛使用类型的支撑弹簧的线性模型.Shadedelementsarez.图1首先呈现的是建模的方法途径,随后是使用有限单元分析方法对这些模型进行验证.然后,使用螺旋弹簧宏观模型的节点仿真模拟结果在此进行了讨论.2建模过程三种类型的弹簧如图2所示具有检测质量的蟹脚弹簧,U形弹簧和螺旋弹簧的设计变量.作用在C上的是外力和外力矩,平板质量的形心,在分析过程中仅仅只有一根弹簧以使所有的交叉轴项能够被清晰地观察到.弹簧常数的线性方程使用能量法被推导.一个力(或者力矩)被作用到弹簧的自由端,在感兴趣的方向上,位移以符号的形式进行计算(作为设计变量和作用力的一个函数).在这些计算过程中,所施.论文与报告.鱼堡熊丝曼垒E垫壅——丝)加的不同的边界条件是因为弹簧变形过程的不同模态.当力(或者力矩)在弯曲的终点处作用上去之后,则总的变形能量U,就可以由以下的方程进行计算:U:,丝 (1)6eami=I2EIf这里Li是在曲度当中i条梁的长度,Mi是通过梁i传递的弯矩,E是结构材料的杨氏模量,并且Ii是梁i沿相关轴的惯性矩.弯矩是施加到曲率终点处的力和力矩的一个线性函数.曲率的一个终点处在任何方向上的位移可以写成: (2)F:这里F是在那个端点处作用在那个方向上的力.相类似的是,角度位移可以与所作用的力矩相关联.三个对角元素的模型(即平移弹簧常数)己在文献[7]之中被推导过.我们这儿的目的是获得在一个方向上的位移,作为在一些其它方向上所施加的力(力矩)的一个函数.正如在图3和表格1当中显示力和力矩作用在一个检测质量的形心上,检测质量连接在一个蟹脚的自由端.边界条件以同等约束的方式作用到三个位移量上的那样施加边界条件,就可以得到以所施加的力和力矩还有未知位移的形式所表示的一组线性方程.解算方程组就得到一个交叉轴弹簧常数的位移和所施加力之间的一个线性关系.比例常数以弹簧物理尺寸的一个函数方式给出了弹簧的常数.平面外交又轴弹簧常数的模型也以类似的方式来推导.X图2图3表1为计算弹簧常数而需要被解算的边界条件和方程弹簧常数边界条件需要被解算的力/力矩kxv8x=0,80z=0Fxkx0z8x=0,8y=0FxKyoz8x=0,By=0Fy对于蟹脚弹簧而言,一根弹簧在x方向和y方向之间耦合的分析模型是:k=9E1,I'这里I和I.是蟹脚梁的惯性矩.—l5一.论文与报告.一鱼塑照丝曼————墼篁些)对于一根U形弹簧,假定LbI~Lb2,并且L<<Lb1,所推导的分析模型被简化后就可以得到:k:?3L1t~Lbl--Lb2),这里I是U形弹簧连接构架的惯性矩,并且E是梁的材料的杨氏模量.对应f1于一个螺旋弹簧,对于偶数的n值,k在(3)式当中给出,而对应于奇数的n值则kxy=0.以上的模型是对于一根单独的弹簧.这些模型揭示了降低k数值和器件非理想特性的设计方向.通过对称地放置进行四根弹簧就有可能消除名义系统k.由于制造方面引起的差异通常以垫片位置的函数形式建模,暗示了紧凑放置的梁比起那些分隔距离更远的梁(就象在两个不同弹簧上的那些)而言具有更少的宽度上的变化.在消除名义系统kx之外,大范围的宽度变化也能够通过为一个U形弹簧设计具有相等长度和宽度的两根梁,或者通过为一个螺旋弹簧选择n为奇数而使它成为零.在图4当中可以看到有可能设Lt,dflm)-C.-耋图4对应于变化梁长度(L)的U形弹簧的平面巾弹簧常数变化的趋势.设计变量被设定为:w=2.0m,L=10.0m,Ll,2=200.0m看到.壹之104070100L-fUEl1)图5对应于变化梁长度(o)的螺旋弹簧的平面中弹簧常数变化的趋势.设计变量被设定成:w=2.0n1.LI:20.0m,n=4(3)3模型的验证以上推导的模型与有限元分析的结果进行比较.对于蟹脚弹簧而言有三个设计变量,对于U形弹簧有四个设计变量,而对于螺旋弹簧丽言则也有四个设计变量.一个收敛性分析,则被进行以决定所要求的有限单元网格的颗粒特性.随后,每根梁沿长度方向被分割成40等分,沿宽度分成10等分.具有三维二次砖块单元的有限单元分析则被进行用于8个蟹脚弹簧,16个u形弹簧和8个螺旋弹簧的设计中.对于蟹脚弹簧和U形弹簧,从有限单元分析的结果中可以看到,对于21am的梁宽,当梁的长度至少是质量尺寸的0.75倍,所有的模型都把有限单元分析数值匹配至10%以内.对于较小的梁长度,则质量块就缩小至成为刚性的.在这个弹簧建模的初中过程中质量的变形不在考虑的范畴之内.对于螺旋弹簧而言,如果kx数值很低的话,从有限单元分析之中不可能获得精确的k值.对于梁宽度为2m的所有除了kY oz以外的模型,与有限元分析结果的匹配程度都在10%以内.除非出现Lb远远大于La这种情况,否则kY oz的匹配特性也在10%之内.进一步讲,让所有其它的设计变量成为常数,k与梁长度之间的变化特性在此进行了研究.在图6,图7和图8当中分别可以看到,分析模型与有限单元分析值的匹配程度,对蟹脚弹簧来说在2%之内,对U形弹簧来说在5%之内,而对螺旋弹簧来说则在9%之内.一l6一O0O00O00SOS5O51'11.11一r一墓.11)掣一bI}¨薯zb0¨.论文与报告?((自动驾驶仪与红夕2005年施2(总第1l7期) 1000.11FEAI—IytieaI二I'::●\'\'\,,,._100l2I:?O3004005OoLI(IIm)图6对于蟹脚弹簧k的分析模型和有限元分析之间的比较,变化的蟹脚腿长为(L).设计变量被设定成:w=2.0u111,L~=50.0uIn.1.1o.10.01O.1O.州:l盛-I}vticaII.,\\—,\.\lO02003004O0500LblOIm)图7对于u彤弹簧k的分析模型和有限元分析之间的比较,变化的u形弹簧梁长度为(Lll1).设计变量被设置成:w=2.0m,L=10.0m,Lb2=L一30.0m,\.IFEA-IfAnal',,licaI—I\.\,-'-L~10407010013016OL-t}ImI罔8对于螺旋弹簧k的分析模型和有限元分析之问的比较,变化的螺旋弹簧梁长度(a).设计变量被设置成:w=2.0uIn,,Ln=20.0uIn,,n=44加速度计的模拟仿真螺旋弹簧的一个宏观模型包含在NODAS之中,NODAS是微型电子机械系统(MEMS)的一个节点模拟器(见文献8和文献9).一个由四个螺旋弹簧支撑的检测质量的交流分析过程则被执行,它使用了弹簧的宏观模型和独立的梁单元.基于宏观模型的模拟仿真过程比单独的基于梁单元的仿真过程快大约5倍.对于较高的n值,则加速特性会更加大.以上所描述的螺旋弹簧,检测质量结构被应用成一个y方向的加速度表.输入的加速度作用到X和Y两个方向上.当对角弹簧相同时且一对对角弹簧比另外一对更宽时,模态的耦合就可以在有限单元分析过程中观察到.这种结构形式使用了在NODAS中的螺旋弹簧宏观模型来进行模拟仿真.正如所预期的那样,一个明显的交叉轴敏感度(来源于模态耦合)在图9当中的V out波形图当中可以看到.5结论对应于U形弹簧,蟹脚弹簧和螺旋弹簧的弹簧刚度矩阵的分析模型在此进行了推导.从与有限单元分析之间的比较中可以看到,这些模型在设计变量一定范围的取值之上是精确到10%以内的.这些模型目的在于用于理解和对由制造方面的差异而导致的梁宽度失配的那些更复杂的效应进行建模.较高级别的宏观模型允许惯性传感器可以进行交互方式的设计,这是通过允许对诸如交叉轴敏感性等的性能规范进行快速的评估来实现的.它们也能够被嵌入进综合性的工具来对候选的设计方案进行更快速的评估一17一_三『Ill.备《三rI.I.奇论文与报告?自动驾驶仪与红夕卜技术)).童卫工盟);,,(11c,t《,)'(小)")蜘刀,}一-——..j'.+■..…tionIl1.v-dire~?.tlons(a0Time(.,}图9在y加速度表中交叉轴敏感性的NODAS模拟仿真过程参考文献[1]N.Y azdi,F.Ayazi,andK.Najafi,"MicromachinedInertialSensors",Proc.IEEE,vo1.86,n o.8,PP.1640.1659,Aug1998[2]T.Mukherjee,Y.Zhou,andG.K.Fedder,"AutomatedOptimalSynthesisofMicroaccelero meters",Proc.IEEEMEMS'99,Orlando,florida,January1999,PP.326—331[3]Y-Mochida,M.Tamura,andK.Ohwada,"AMicromachinedVibratingRateGyroscopew ithIndependentBeamsfortheDriveandDetectionModes",Proc.MEMS'99,Orlando,Floirda,January1999,PP.618-623 [4]W.O.Davis,andA.P.Pisano,"OntheVibrationsofaMEMSGyroscope,"Proc.MSM'98,S antaClara,CA,PP.557.562,April6—8l998[5]Y.Ansel,Ph.Lerch,andPh.Renaud,"Modecouplingaspectsinavibratinggyroscope,"Se nsorsandActuatorsA62,PP.576.581,1997[6]J.M.GereandS.P.Timoshenko,MechanicsofMaterials,PWSPublishingCompany,Boston,4edition,1997[72G.K.Fedder,"SimulationofMicroelectromechanicalSystems",Ph.D.Thesis,EECSDe partment,UniversityofCaliforniaatBerkeley,September1994[8]J.V andemeer,M.SKrallZ,andG.K.Fedder,"HierarchicalRepresentationandSimulation ofMicromachinedInertialSensors."Proc.MSM'98,SantaClara,CA,PP.540?545,April6-81998[9]G.K.FedderandQ.jing,"AHierarchicalCircuit.1evelDesignMethodologyforMicroele ctromechanicalSystems."IEEETrans.CircuitsandSystems,(Tobepublished)。

IEEE 杂志名称简写

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(ctd.)
(1994–1998) CHMT* IEEE Trans. Compon., Hybrids, Manuf. Technol.* (1978–1993) MFT* IEEE Trans. Manuf. Technol.* (1972–1977) PHP* IEEE Trans. Parts, Hybrids, Packag.* (June 1971–1977) PMP* IEEE Trans. Parts, Mater., Packag.* (1965−1971) ADVP IEEE Trans. Adv. Packag. (1999−2010) CPMTB IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol. B (1994–1998) EPM IEEE Trans. Electron. Packag. Manuf. (1999−2010) CPMTC IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol. C (1996–1998) IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTATIONAL INTELLIGENCE AND ARTIFICIAL INTELLIGENCE IN GAMES IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTER-AIDED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEMS IEEE COMPUTER ARCHITECTURE LETTERS IEEE TRANSACTIONS ON CONSUMER ELECTRONICS IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY IEEE TRANSACTIONS ON CYBERNETICS IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION IEEE/OSA JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES IEEE JOURNAL OF ELECTRON DEVICES SOCIETY IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS PACKAGING MANUFACTURING IEEE EMBEDDED SYSTEMS LETTERS IEEE TRANSACTIONS ON EMERGING TOPICS IN COMPUTING IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN CIRCUITS AND SYSTEMS IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION IEEE TRANSACTIONS ON ENGINEERING MANAGEMENT IEEE TRANSACTIONS ON EVOLUTIONARY COMPUTATION IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS IEEE TRANSACTIONS ON HUMAN–MACHINE SYSTEMS CIAIG C CAD CA CE BTR* CST CYB SMCB* DMR DEI EI* DT E EMC RFI* ED EDS EDL EPM ES ETC ESTPE ETCAS EC EM EVC FUZZ GRS GRSL HMS* IEEE Trans. Comput. Intell. AI in Games IEEE Trans. Comput. IEEE Trans. Comput.-Aided Design Integr. Circuits Syst. IEEE Comput. Archit. Lett. IEEE Trans. Consum. Electron. IEEE Trans. Broadcast. Telev. Receiv. (1963−1974) IEEE Trans. Control Syst. Technol. IEEE Trans. Cybern. IEEE Trans. Syst. Man, Cybern. B, Cybern. (1995-2012) IEEE Trans. Device Mater. Rel. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. IEEE Trans. Electr. Insul.* (through 1993) J. Display Technol. IEEE Trans. Educ. IEEE Trans. Electromagn. Compat. IEEE Trans. Radio Freq. Interference* IEEE Trans. Electron Devices IEEE J. Electron Devices Soc. IEEE Electron Device Lett. IEEE Trans. Electron. Packag. Manuf.(1999−2010) IEEE Embedded Syst. Lett. IEEE Trans. Emerg. Topics Comput. IEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron. IEEE J. Emerg. Sel. Topic Circuits Syst. IEEE Trans. Energy Convers. IEEE Trans. Eng. Manag. IEEE Trans. Evol. Comput. IEEE Trans. Fuzzy Syst. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. IEEE Trans. Human–Mach. Syst.

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– 100+% CAGR to 60% or even less CAGR predicted – Still a “spoiler” for other storage technologies
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一种应用于高压电机驱动的电平移位电路

一种应用于高压电机驱动的电平移位电路

一种应用于高压电机驱动的电平移位电路余瑞容; 张启东【期刊名称】《《电子科技》》【年(卷),期】2019(032)012【总页数】6页(P11-16)【关键词】电平移位电路; 输出电压范围; 固定偏置; 高压电机驱动; 单极性控制; 双极性控制【作者】余瑞容; 张启东【作者单位】西安电子科技大学微电子学院陕西西安710071【正文语种】中文【中图分类】TN419; TM33随着智能功率集成电路、电力电子技术及半导体行业的迅猛发展,高压驱动电路由于其具有高可靠性、高效率、低成本等优点,在汽车系统、电机驱动、工业设备等领域得到广泛应用[1-3]。

高压电平移位电路作为高压驱动电路的重要“门户”,可将低压信号转换为高压信号,实现对高压功率输出级的控制[4-5]。

电平移位电路是连接控制级和驱动级的关键电路,其电路特性将直接影响驱动电路的性能。

它既要求高的驱动能力,又要求较低的静态电流,以满足驱动要求与功耗要求[6]。

目前,高压电平移位电路常集成在DC/DC、AC/DC、直流电机等高压电路中,广泛应用于开关电源、电机驱动、生物医学等领域[7-9]。

近年来,高压电平移位电路受到各大行业越来越多地关注与研究,新型结构层出不穷。

文献[10]提出一种老化容忍的电平移位电路,平衡了功耗与延时问题;文献[11]基于多阈值技术,提出一种宽范围低功耗电平转换结构,实现低功耗特性;文献[12]提出一种电阻作为负载的电平移位电路,提高了抗干扰性。

但目前已有结构不能同时解决输出范围不理想(太宽或太窄)、输出不稳定及功耗问题。

因此,高性能的电平移位电路有待进一步探究。

本文设计了一种具有输出电压范围理想、高稳定性和低功耗的两级电平移位电路。

该电路简单实用,适用于高压电机驱动电路,对智能功率集成电路的发展起到了一定的推动作用。

1 高压电机驱动电路如图1所示为由2个PMOS和2个NMOS构成的高压电机驱动电路。

其驱动位于高端的PMOS管时,栅压GH1、GH2必须处于VDDH-VP ~VDDH(VP为MOS管额定开启值)之间。

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A Lateral, Self-cleaning, Direct Contact MEMS SwitchYong Shi1 and Sang-Gook Kim21Stevens Institute of Technology, Hoboken, New Jersey, USA 2Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, USAABSTRACTA novel direct contact MEMS switch has been developed with compliant lateral metal contacts to address the needs of low contact resistance and long life cycles. The device is unique in self-alignment of the contact surfaces, self-cleaning of particles generated during operations and mechanical anchoring method of the contact metal in the Su-8 switch structures. It has been demonstrated experimentally that a low contact resistance of about 0.1 Ω is maintained for up to 10 billions of cycles of operation. The switch design is compatible with our thin film PZT actuating technology and can be readily integrated into a fully functional MEMS switch.1. INSTRODUCTIONRecently RF MEMS switches have drawn great deal of research interests from both academic and industry, which was driven by their wide applications, hybrid technology and also the huge potential market. Since the first MEMS switch reported by Petersen in 1979 [1],different kinds of MEMS switch have been developed by a number of companies and universities. The switches can be classified as either vertical contact [2] or lateral contact [3], direct metal-metal contact [3] or capacitive type [4]. The actuators used for these switches are typically electrostatic [2], thermal-electric [5], electromagnetic [6] and piezoelectric [7]. The typical life cycle requirement for a RF switch for radar systems and other instrumentation systems is over 40 to 100 billion cycles [8]. At the present time, there is no commercial MEMS switch to meet all these requirements. The objective of this research is to understand the functional requirements and the failure modes of MEMS switch, and develop a cost effective, compact and highly reliable direct contact MEMS switch.2. DESIGN AND MODELINGFunctional requirements of an RF switch have been investigated systematically. There are several parameters which have been used to define the performance of an RF switch, such as cut-off frequency, isolation, insertion loss, power carrying capacity, switching speed, contact resistance and reliability etc. However, not all of these parameters are independent. Contact resistance is one of the dominant factors. Another independent parameter is the isolation that can be determined by the separation of the two switching members. The functional requirements for a RF MEMS switch can be summarized as how to provide and maintain the low contact resistance and high isolation over a long cycles of operation.Functional requirements• Provide low resistivity at contact• Prevent particles between contact surfaces• Provide low off-state capacitanceEach of the functional requirements is to be satisfied by an appropriate design parameter or solution. The new design parameters are generated from our knowledge base to meet individual functional requirement as well as not to couple other functional requirements.Design parameters• Maximize true contact area by high force piezoelectric actuation• Micro-grooved contact surface with limited sliding motion (self-cleaning)• Piezoelectric actuation with amplified strokesThe switch design is shown in Figure 1. It’s a lateral contact series switch that consists of fixed switching members, movable switching members and the position stoppers to prevent excessive contact forces. Each switching member consists of two parallel beams with associated angled contact surfaces at the tips that induce small scale sliding between fixed and movable contacts. Gold or other noble metals are to be electroplated on the sidewall of the angled contact surfaces as well as the transmission line along the beams and pads. When the two switch members meet under a linear controllable motion, the physical contacts between the two pairs of angled surfaces will create a short circuit in the transmission line from one of the fixed members to the other. As is shown in Figure 1, the arrowed path indicates the signal line, while the “In” and “Out” arrows shows the direction of the switched signal.The angled contact orientation to the actuation makes the undulated surface slide over the static surface, which pushes entrapped particles and/or generated micro-weldments into the micro-grooves. By cleaning the surface at every cycle of switching, the tribological behavior of the micro-undulated surface ensures a low contact resistance over a long life cycle. Undulation of the low friction surface was first developed by Suh [9].The sliding distance is limited by a mechanical stop, which limits the maximum contact force to prevent a premature damage of the contact. The large stroke piezoelectric actuator ensures a large off-state gap for the high isolation and a high contact force to lower the contact resistance.Figure 1:Self- cleaning lateral contact switchSwitch isolation and insertion lossThe modeling of the switch consists of the switch performances modeling, contact resistance modeling and switch-actuator coupled analysis [10]. The equivalent model of the lateral contact switch is a resistor at on state, and a capacitor at off state. Isolation can be found from the S parameter, S 21, as following [8],20222214Z C S s ω= or as01021220)(10Z C Log S Log s ω= (2- 1) where S 21 is the S parameter of transmission coefficient from port 1 to port 2; ω is the signal frequency, C s is the off-state capacity and Z 0 is the characteristic impedance. Insertion loss can be described as [8],)21(200Z R Log oss InsertionL C−−= (2- 2) where R c is the contact resistance. From the models above, it’s predicted that off-state gaps of 3~5 µ are required to ensure –47 dB isolation for up to 40 GHz signals. For a contact resistance of 0.1 Ω, the insertion loss can be as low as –0.01 dB assuming the characteristic impedance to be 50 Ω for both cases.Switch contact resistanceThe modeling of the contact resistance consists of a few more steps. First the contact surface is characterized to determine the distribution of asperity diameter and height, then a single asperity contact analysis is made to find the relation between applied pressure and the radius of the contact area. For an elastic contact, the relation follows just the Hertz’s Law. For a plastic contact, Chang’s model is used [11]. With the radius of contact, we can find the constriction resistance [12]. Finally, the total contact resistance is found by integrating all the contact asperities over the whole area.For an elastic and plastic contact, the total conductance is expressed in equations (2-3) and (2-4), respectively [11].dz z d z NRG dc )()(221211φρ∫∞−=(2- 3)dz z d z NRG cd c C )(])(2[221211φαρα∫∞+−−=(2- 4)where Gc is the total conductance; N is the number of asperities; R 1 is the radius of the asperity; ρ is the resistivity; d is the distance between two contacts; z is the Z coordinates and ϕ (z) is the probability density function of the asperities.Analytical model for the contact force-resistance relation predicts necessary contact force of 50 µN for the resistance of 0.1 Ω as shown in Figure 6 assuming the asperities on the contact surfaces have radius from 50 nm to 200 nm with normal distribution.Switch-actuator coupled analysisSwitch-actuator coupled analysis is conducted to determine the dimension of the switch, so that it exerts enough contact force as well as maintains the off-state gap of 3~5 µm as required from the isolation modeling. The strain amplified PZT actuator developed by one of the authors [13] has large stroke of 9 µm, and lateral stiffness of 47 N/m, as well as low driving voltage of less than 10.The switch-actuator pair is a coupled system and can be simplified as an actuator working against a structural spring. Assuming the switch actuation is quasi-static, the actuator and the switch can be described by (2-5) and (2-6) respectively [14].⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎭⎬⎫⎩⎨⎧ΘΘ−111111Q f V x C K SPZT E PZT(2- 5) s s s x K f = (2- 6)where EPZT K is the stiffness of PZT actuator under constant electric field; Θ1 is the electro-mechanical coupling term; sPZT C is the actuator capacitance under constant stress. V 1 and x 1 are the voltage applied and displacement of the actuator. f 1 and Q 1 are the external force and charge, while f s , K s and x s are the force, stiffness and displacement of the switch. The stiffness of the switch can be found by1111x K x V K PZTs −Θ=(2- 7)which can be further simplified asPZT s K x x V d K 11131−=(2- 8) where d 31 is the piezoelectric coefficient in 3-1direction.The dimensions of the switch can now be completely determined by the models above.3. FABRICATIONTwo methods to deposit Au on the sidewall of the structure have been evaluated: e-beam evaporation or electroplating. The e-beam evaporation process is simple but the deposited film is less strong and there is line of sight limit to deposit film on the sidewall of a narrow gap. Electroplating is used to form the lateral metal contacts into predefined trenches. The mold trenches should have near vertical sidewall to guarantee the plated metal walls can make a parallel ohmic contact. SU-8 has the reputation of creating near vertical sidewalls, but it is not easy to be removed due to its cross-linked epoxy structure after curing. Positive photo resist AZ9260 is easy to remove but is hard to form vertical sidewall. Su-8 is eventually chosen as both the mold and structural materials. The process steps of the MEMS switch are shown in Figure 2. From steps a) to c) in Figure 2, PZT actuator is deposited and patterned. In step d), Su8 mold is coated and patterned. In step e), electroplating of the contact metal is conducted. In step f), the electroplating mold is removed and in step g), the switch structural Su8 is coated and patterned. The device is finally released using plasma etch to remove SiO2 first and then XeF2 to etch the Silicon substrate underneath.Among several plating processes such as DC electroplating, pulsed plating and pulse reverse plating, pulsed electroplating is chosen in this paper for the acceptable deposit quality (with 1000 Hz pulse frequency and 10% duty cycle). Temperature control and the current control are the two key parameters to prevent mold de-bonding and under-plating. Bottom electrode needs to be cleaned thoroughly for plating metal into the sharp bottom corners of the 10µm thick Su-8 beam structure.Figure 2: Switch fabrication process stepsFigure 3 shows the electroplated contacts after removed from the mold. It clearly shows that the well grooved contact surfaces and the mechanical anchors to reinforce the connection between the metal and Su-8 structure. The fabricated switch contacts before release are shown in Figure 4, while the released device and the contacts are shown in Figure 5. 4. TESTING RESULTSContact resistance is measured using 4-probe method, which measures the voltage drop directly at the contacts and also the current in the circuit. Lateral movement is provided by a linear piezoelectric stack actuator. The contact force and contact resistance relationship is characterized to determine the driving force level for the cycling tests. The contact force is derived from the switch displacement, which is converted from the driving voltage to the actuator. The force-contact resistance curves shown in Figure 6 correlate very well with the theoretical prediction. The long lifecycle test shown in Figure 7 demonstrated that the contact resistance has been maintained below 0.1 Ω over1010 cycles of switching and is expected to maintain the low resistance far beyond 1012 cycles, the test of which is underway. The contact surfaces created by molded electroplating are also denser and smoother than that by e-beam evaporation as shown in Figure 8. Our switch shows that the self-cleaning works well and opens the possibility of direct contact MEMS switch for high power and low cost RF applications.Figure 3: SEM of the electroplated gold contacts and themechanical anchorsFigure 4: Fabricated device before release (a)Amplified view of the contacts (b)Figure5: Fabricated device after release (a)Amplified view of the contacts (b)5. CONCLUDING REMARKSA lateral self-cleaning direct contact MEMS switch and the in-plane piezoelectric micro-actuator for its actuation have been demonstrated. The grooved contact surfaces have shown the self-cleaning effect and a low contact resistance of 0.1 Ω has been maintained over 10 billion cycles. Major failure modes of MEMS switch of surface damages and micro-welding are largely eliminated. Further integration of the switch with the thin film PZT actuator will provide a full functional MEMS switch for wireless communication applications. Thorough modeling of contact resistance, friction and wear rate will be critical to further understand the contact physics and improve theswitch performances.Figure 6: Relationships between Contact resistances andcontact forcesFigure 7: Switch contact resistance measurements overnumbers of operation cyclesFigure 8: SEM of the contact surfaces by molded electroplating (a) and e-beam evaporation (b)AcknowledgementAuthors gratefully acknowledge KIMM for the support of this research.6. REFERENCES[1] K. E. Petersen, “Micromechancal membrane switches on silicon,“ IBM J. Res, Dev.23, 376-85, 1979[2] S. Majumder et al., “Measurement and modeling of surface micromachined, electrostatically actuated micro-switches,” Proc. IEEE Transducers’97, pp1145-1148[3] Y. Wang, et al, “Low-voltage lateral-contact microrelays for RF applications,” IEEE, 2002[4] C. 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