对单晶硅微悬臂梁在高温环境下的动态特性进行了理论分析,研制了高温环境下的MEMS动态特性测试系统,采用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源,设计了一个可动的机构,解决了压电陶瓷在高温环境下使用的难题;通过激励装置进行冲击激励,使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测,对微悬臂梁受冲击后的时域信号进行分析,获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的高温环境下MEMS动态特性测试系统,在室温至300℃的温度环境下对单晶硅微悬臂梁的动态特性进行了测试,结果表明随着温度的升高其谐振频率会有轻微的减小,验证了理论分析的结果。

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法，比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能，以标准生理溶液中的海拉细胞为样品，对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究．研究表明，采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰，可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰，因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度，而且减小了针尖对样品的损坏，还提高了仪器的带宽和成像速度．对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像，使用该方法可将采集速度由原来的2～3min／帧提高到15-20s／帧，并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值．

针对非制冷红外热成像中的双材料硅微悬臂梁阵列的结构要求，在MEMS常见加工工艺的基础上，提出了单个硅微悬臂梁的制作工艺路线。工艺中使用高浓度HF溶液释放牺牲层磷硅玻璃（PSG）。探讨了双层材料氮化硅和铝之间的断裂及氮化硅和硅基底之间的粘连问题，对工艺中影响成品率的关键因素残余应力进行了分析。

针对BP神经网络算法自身存在的一些限制与不足提出了一种改进的BP神经网络算法并将此算法应用于单晶硅(100)微悬臂梁加载后载荷与挠度间关系拟合的实验中(实验在MATLAB7.0环境中实现).实验拟合结果表明:在相同载荷的作用下挠度随微悬臂梁长度的增大而增大随其宽度的增大而减小且在有效载荷-挠度数据中理论计算结果与实验拟合结果是相一致的.并利用有效载荷与挠度之间的关系评价了微悬臂梁材料的弹性模量得到其弹性模量近似为153GPa与实际情况符合较好.

探讨了微悬臂梁的制作中的牺牲层释放工艺,针对FPA结构中微悬臂梁的结构层和牺牲层材料的选择和制作方法,从释放机理的角度对磷硅玻璃腐蚀速率等释放关键技术作了研究,给出了相应的加工参数。

利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲试验来测量其力学特性是一种简便而有效的方法，具有很高的载荷分辨率，可精确测量微悬臂梁纳米级弯曲形变。运用该方法在研究微悬臂梁的弯曲形变过程中，必须考虑压头在微悬臂梁上的压入以及微悬臂沿宽度方向的挠曲。微悬臂梁采用普通的集成电路工艺(IC)制造。试验研究表明，多晶硅微悬臂梁的纯挠曲与载荷成很好的线性关系，呈现弹性变形，通过该线性关系可计算得到梁的弹性模量。测得的多晶硅微悬臂梁的弹性模量为156±(2.9%-6.3%)GPa。

结合流体中微悬臂梁振动频率响应的理论模型,通过实验、理论计算和基于流固耦合的有限元仿真3种方法,分析了在空气和去离子水中不同结构、尺寸的微悬臂梁的谐振频率、品质因子以及幅频响应曲线,并对3种方法得到的结果进行了对比.结果显示,空气中各种方法得到的谐振频率较为吻合,相对于实验值的偏差在1%以内.去离子水中,梁谐振频率的理论值和仿真值基本一致,而实验值则较大,前两者相对于实验值的偏差在13.9%～27.3%之间;对于品质因子,理论值和仿真值依然较一致,但相对于实验值出现较大偏差,最大达70.5%.分析表明,对于液体环境下压电陶瓷激励的微悬臂梁,频率响应曲线中干扰峰的存在会严重影响微悬臂梁品质因子的准确测量.微悬臂梁动态特性的研究对基于微悬臂梁的传感器的设计优化和液相原子力显微术的应用具有一定意义.

设计了一种用于微等离子体无掩膜刻蚀加工的微悬臂梁探针结构,即将微等离子体放电器集成在SiO2悬臂梁探针端部的空心针尖上,等离子体从针尖处的纳米孔导出,以实现高精度、高效率的无掩膜扫描刻蚀加工.设计了该悬臂梁探针的加工工艺流程,即对（100）硅片进行各向异性湿法刻蚀得到倒金字塔槽,并双面氧化,然后依次沉积并图形化微放电器的上、下电极和绝缘层,最后背面释放出带空心针尖的SiO2悬臂梁,并加工出针尖尖端的纳米孔.成功制作出质量良好、具有很高成品率的带薄壁空心针尖的SiO2悬臂梁探针阵列及倒金字塔型微放电器.实验结果表明,该微放电器能在3～15 kPa的SF6气体中稳定放电,为悬臂梁探针阵列和微放电器的工艺集成以及Si基材料的无掩膜扫描刻蚀加工奠定基础.

研制微力学测试仪,对微电子机械系统中键合结构的强度进行测试.最大载荷为1.4 N,在载荷量程为450 mN时仪器的最高分辨力为10 μN.采用键合在玻璃基底上的硅悬臂梁作为试样.为模拟横力剪切破坏和扭转破坏工况,用微力学测试仪分别在悬臂梁的固定端和自由端施加载荷至试样破坏.测得相应的破坏载荷并计算出最大剪应力.对破坏残骸的显微观察发现,存在玻璃开裂和硅开裂2种失效模式.该技术为微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)键合结构的强度表征提供一种有效方法,并可用来进行微悬臂梁或微桥的强度测试.

提出了一种测量溶液粘度的微悬臂梁谐振技术.推导了溶液粘度与微悬臂梁的谐振频率的理论关系式,并利用原子力显微镜的微悬臂梁测量了不同质量分数的甘油溶液和蔗糖溶液的粘度.与落球法测量结果的比较表明,利用微悬臂梁谐振频率技术测量液体粘度的误差小于4%.这种方法不仅可以作为液体粘度的一般性测量方法,也可以通过检测溶液粘度变化来监测溶液中的化学反应.