体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法
摘要：为了分析基于应力/应变效应的体声波（BAW）力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。严格电磁场波导方法的三维厚胶光刻工艺仿真
摘要：无论是在微机电系统（MEMS）还是集成电路（IC）领域,SU-8厚胶光刻已经成为制造高深宽比结构的主流工艺。为了取代昂贵而耗时的光刻实验,一套能够良好预测显影形貌,从而为优化光刻制造提供有效帮助的光刻仿真软件就成为必要而有价值的工具。基于严格电磁场波导法的理论,给出一种针对SU-8光刻胶在紫外光下的三维光刻仿真模型。利用该模型,能很好地预测显影后的光刻胶内光强分布和立体形貌。并完成了一系列仿真和实验结果来验证模型的有效性。仿真结果给出横截面光强分布图和显影立体形貌模拟图形,并与相应的实验结果进行对照。结果验证了本文提出的仿真模型的正确性,并且表明三维混合模型在保证精确性的前提下,较之其他仿真算法运算速度更快。MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性
摘要：提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176dB,且具有良好的“8”字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。微陀螺滑模控制器中的积分算法设计
摘要：为了去除不定积分环节产生的直流偏置项,提出了一种基于“一次移动平均法”的改进积分算法。利用一个整数周期的积分信号值构成一个集合,计算出集合的算术平均值作为瞬时直流偏置,将原积分信号减去该直流偏置,最终可得到无直流偏置项的积分信号。为实时更新直流偏置,在每个时钟上升沿将一个积分信号的新采样值加入集合尾部,并去除集合首部的数值点,从而确保集合长度维持固定值并能实时反映出最新的直流偏置。以FPGA为信号处理平台,采用Modelsim仿真和实验测试相结合的方法验证了该算法的可行性。该方法已成功用于电磁式微陀螺仪的滑模控制器之中。同已有方法相比,该积分算法复杂度低、实时性好、易于实现。新型双阈值高犵值犕犈犕犛惯性开关
摘要：在保证引信勤务安全性和正常发射可靠性前提下,为实现引信小型化而设计了一种新型无源双阈值高g值MEMS惯性开关,其主要包括能够识别两种典型加速度环境（载荷1∶15000g-300μs,载荷2∶3000g-3ms）的环境识别模块M1和为后续电路可靠供电的通电模块M2。环境识别模块M1主要通过控制带有Z型齿的质量块与对应L型挡块之间的碰撞来确定质量块的运动位移,进而控制通电模块M2的工作情况。基于两种典型加速度环境对MEMS惯性开关进行了动力学仿真并优化,仿真结果表明所设计的开关在载荷1环境下保持断开,而在载荷2环境下可靠闭合。环形静电排斥旋转驱动器微光机电系统微镜
摘要：微光机电系统（MOEMS）微镜在激光显示、光束扫描、自适应光学等领域都有重要应用。现有的MOEMS微镜驱动器一般为静电吸引型,难以克服其吸合效应造成的各种问题,同时,方形的驱动器难以与圆形的镜面形成良好匹配,填充比较低。提出了一种环形静电排斥驱动器的MOEMS微镜,该静电排斥驱动器以环形排列,并围绕在镜面的周围,达到了与圆形镜面的良好匹配。所设计的微镜口径为204μm,并利用Poly MUMPS表面工艺进行加工。模拟仿真及实验测试结果显示,该微镜具有0.62°的最大旋转角,494μs的响应时间和1.191k Hz的工作带宽,适用于一般光束扫描等的应用需求。变压加载对直接甲醇燃料电池阳极性能的影响
摘要：为评价直接甲醇燃料电池（DMFC）阳极的稳定性,利用扫描电化学显微镜和常规电化学技术,研究了变压加载过程中DMFC阳极性能的变化。结果表明,在探针扫描过程中,经不同电压加载后的DMFC阳极表面的扫描电流呈相似的锯齿状分布。当阳极加载2h,随加载电位升高,扫描峰电流的数量减少,对应峰电流的数值则先增大再减小,表明阳极的催化活性处于不均匀分布状态且随加载时间延长和加载电位升高而逐渐降低。在不同加载电位下,随加载时间延长,循环伏安曲线上的正向和反向电流峰先负移再正移,但抗CO性能持续降低。DMFC阳极在0.6V下分别加载16h和72h后,催化剂粒径由3.4nm分别增大到3.6nm和4.4nm。在0.8V下加载72h后,Pt/Ru重量比由2.0增加到3.9。变压加载使催化活性的不均匀分布加剧催化剂粒径长大,Ru流失加快,从而导致阳极催化性能衰减。电容式RF MEMS开关自热效应的多物理场协同仿真
摘要：随着信号输入功率的升高,电容式RF MEMS开关会发生自热效应使膜片变形,引起开关气隙高度的改变,导致开关驱动电压漂移,严重影响其可靠性。由于自热效应的失效机理涉及到复杂的多物理场耦合,因此提出了“电磁-热-应力”的多物理场协同仿真方法描述其失效模式,并分析其失效机理。首先利用HF-SS软件建立开关的电磁仿真模型,得到不同输入功率下膜片的耗散功率;再以此作为热源,利用ePhysics软件建立开关的热仿真模型,得到膜片上的温度分布;然后将温度梯度作为载荷,利用ePhysics软件建立开关的应力仿真模型,得到开关的形变行为;最后,根据膜片形变所致的气隙高度变化,得到驱动电压漂移的失效预测模型。以一种具有矩形膜片结构的典型电容式RFMEMS开关为例,利用该方法得到：矩形膜片表面电流密度主要分布在膜片的长边的边缘;温度沿膜片长边逐渐降低,且膜片中心处温度最高、锚点处温度最低;膜片的热应力变形呈马鞍面形,且最大形变点发生在膜片长边的边缘处,仿真还得到0~5 W输入功率下膜片的最大形变量;并拟合出了0~5W输入功率下的开关驱动电压-输入功率漂移曲线,该曲线具有线性特征并与文献实测数据极为吻合,由此证明了该方法的有效性。响应面方法的硅刻蚀工艺优化分析
摘要：利用响应面分析方法优化了用于压力传感器硅敏感芯体的刻蚀操作条件。主要考虑了温度、KOH浓度和腐蚀时间三个操作参数,将它们的范围分别设定为40~60℃,0.4~0.48mol/L和5~12.5h,并设定各向异性腐蚀速率为响应值。通过建立二次方模型,分析这些参数的单独影响以及多个操作条件之间对腐蚀速率的相互交叠作用。分析结果表明：模型可以精确预测99%的响应值,相比于腐蚀时间,溶液浓度和工作温度对刻蚀速率的影响更为明显。小型内窥镜干涉型光纤陀螺仪装配质量控制系统
摘要：提出一种用于干涉型光纤陀螺仪（IFOG）装配质量控制的内窥镜系统设计及相关图像分析方法。同时采用1.0mm与2.4mm工业内窥镜系统采集IFOG内部图像与视频数据;并利用多自由度运动控制平台调节内窥镜工作姿态以保证图像的顺利采集。在此基础上,设计了基于db4小波基的图像增强方法,基于灰度共生矩阵的图像纹理特征估计方法以及图像几何形状特征的计算方法等,用以进行内窥镜图像的分析。通过上述系统与方法的应用,能够有效检测出IFOG产品在装配过程中出现的多余物颗粒、光纤断纤或异常胶粘等质量问题,有效提高了IFOG产品的装配质量。超声电铸提高金属微流控芯片模具的均匀性
摘要：利用微电铸技术制作的微流控芯片模具往往存在沉积厚度不均匀的缺陷,这种缺陷会影响模具的尺寸精度及使用性能,并增加模具的制作成本。为了制得厚度均匀的微流控芯片模具,研究了超声电铸对模具均匀性的影响。首先,采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立微流控芯片模具的微电铸模型,分析电铸2h后的模具的厚度分布。并根据该仿真结果,设计掩模版。然后,在自主搭建的超声电铸装置中进行一系列电铸实验,来研究超声搅拌对模具均匀性的影响。实验结果表明：电铸过程中添加超声搅拌可以改善微流控芯片模具的均匀性。超声功率为200 W时,超声频率改善模具均匀性的程度为200kHz〉80kHz〉120kHz。超声频率为200kHz时,超声功率改善模具均匀性的程度为500 W〉200 W〉100 W。当超声的频率和功率分别为200kHz和500 W时,与无超声电铸相比,模具的均匀性提高约30%。共晶键合与减薄技术的压电能量采集器
摘要：采用微硅-锆钛酸铅（Si-PZT）悬臂梁结构并在悬臂梁末端附加镍质量块,构成可以工作于低频环境（小于1000Hz）的微压电能量采集器,一种利用压电效应将环境振动能转换为电能的器件。利用金薄膜作为中间层的共晶键合技术和PZT研磨减薄技术制备了微压电悬臂梁结构,PZT减薄实验最好结果为减薄至8μm。镍质量块（2mm×2mm×0.6mm）采用微电铸工艺制备。通过对硅片与块材PZT的共晶键合工艺与PZT减薄技术的研究,制备出总厚度约为71μm的Si-PZT悬臂梁结构,其中硅梁厚约为47μm,PZT梁厚约为24μm。制备的微压电振动能量采集器样品的测试结果表明：在谐振频率为950 Hz,1.0g加速度激励条件下,其交流输出峰值电压可达958mV。微球耐压性能的自动测量方法
摘要：空心微球具有广泛的应用,耐压性能是其重要特性之一。但人工测量劳动强度大且精度较差。提出一种基于图像检测的自动测量方法,可检测微球加压过程中的破损情况并记录压力值。首先,利用梯度霍夫变换定位微球,再通过Canny边缘检测提取微球轮廓信息,并减少环境因素对检测的影响。最后Hu不变矩被用来将加压中的微球图像与加压前图像进行匹配,当微球破损后,匹配结果超过阈值,判定微球失效。为证明方法的准确性和稳定性,搭建了实验平台,对不同直径的玻璃和塑料微球进行了加压实验。实验结果表明,微球破损的成功识别率几乎为100%,同时微球破损时的压力值也被准确地记录。一种气压传感器新型标定补偿方法
摘要：通常气压传感器的标定补偿方法复杂耗时,开发了一种新的方法去简化气压传感器的标定补偿。首先,设计恒温结构,并通过PID算法自动调节,使气压传感器的核心敏感元件工作于某一个固定温度（此温度稍高于气压传感器需要工作的最高温度点）;其次,把气压传感器在与这个固定温度点相等的环境温度下进行标定;最后,完成标定后不管环境温度如何变化,气压传感器敏感元件始终工作在一个恒定的温度,因此气压传感器的标定与补偿可以得到简化。经测试,气压传感器在一定的环境温度范围内实现恒温工作,标定后可以以较高的精度测量气压,实验结果表明经过标定补偿后的气压传感器可以在实际中应用。纳米多晶硅薄膜电阻压力和加速度多功能传感器
摘要：基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作,利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下,工作电压为5.0V时,实验结果给出压力传感器灵敏度（犪=0）为1.0mV/kPa,加速度传感器灵敏度（狆=0）为0.92mV/g,可实现外加压力和加速度的测量,具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。石墨烯/聚乙撑二氧噻吩薄膜储能特性
摘要：为了有效利用石墨烯和导电聚合物材料,光雕石墨烯/聚3,4-乙撑二氧噻吩（LSG/PEDOT）复合薄膜通过一种灵巧的光雕工艺制备出来。在此复合薄膜中,每种组分对薄膜的电化学性能提升都有独特的贡献。循环伏安、交流阻抗及恒流充放电测试用来检测薄膜的电化学性能。结果显示,在引入PEDOT纳米颗粒后,LSG/PEDOT复合薄膜显示出更好的能量存储能力。复合薄膜的比容量达到64.33F/cm3,是光雕石墨烯比容量（3.89F/cm3）的20倍,复合薄膜经过1000次循环后仍能保持初始容量的94.6%。复合薄膜电化学性能的提升主要是由于引入的PEDOT纳米颗粒既阻挡了石墨烯的层层堆叠,又增加了整个薄膜的比表面积。此种灵活的光雕工艺还可以用来大规模制备超级电容器电极。微尺度下锥形微操作探针表面液滴形成的研究
摘要：基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取,锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型,主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动,研究了影响操作液滴的关键参数,分析表明：过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析,并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台,实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明：在空气冷凝模式下,操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成,液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴,且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性
摘要：采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1 MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5 mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈“W”形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。
