推挽式线性驱动隧穿加速度计研究

介绍了隧穿加速度计的工作原理,设计了一种利用线性梳齿驱动、推挽式力平衡闭环控制的MEMS隧穿加速度计,采用体硅溶片工艺研制出了原理样机,由于结构和工艺简单,获得了较高的成品率,此技术还应用于隧穿陀螺仪和隧穿磁强计的研制.     

双质量硅微陀螺仪驱动模态测试

考虑双线振动双质量硅微陀螺仪环境适应性强且两个质量块的差动输出能够有效消除共模干扰的影响,提出了一种新型双质量陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,对该陀螺的驱动模态进行了理论分析,并提出了简化的动力学方程。利用ANSYS有限元软件对陀螺的驱动模态进行了数值仿真,并对陀螺仪样品进行了电路测试。通过几种不同的加载方式,分别得到了相应的仿真和测试的幅频曲线,结果表明,仿真和实验结果与理论分析完全一致,且双边驱动方式要优于单边驱动方式,反向驱动方式可以使陀螺仪在工作模态运动。仿真和实验结果验证了双质量硅微陀螺的驱动模态特性。     

音叉式全解耦微机电陀螺的设计与仿真

文中对严重影响微机电陀螺(简称微陀螺)灵敏度的机械耦合误差进行深层研究和分析,提出并设计了一种基于体硅制造的新型全解耦音叉式微陀螺仪。为实现新型微陀螺的驱动和检测模态完全解耦,在一定的带宽下保持较高的检测灵敏度,采用了新型敏感检测梁和对称的音叉式结构。根据微陀螺仪的实体模型建立了其动力学模型,应用两种空气阻尼模型对检测阻尼特性进行了研究和计算。通过多种固有模态的匹配仿真试验和谐响应分析,确定了新型微陀螺的检测方式和弹性梁结构参数。仿真结果显示,该新型陀螺实现了驱动和检测方向的完全独立,显著减小了机械耦合误差。     

四模态匹配三轴硅微陀螺仪

为了实现单片集成六自由度微惯性测量单元,提出了一种改进的由4个大质量块和4个小质量块组合而成的四方全对称结构的三轴陀螺仪.介绍了该惯性测量元件的结构及工作原理,根据结构参数计算出了详细的性能指标,并进行了面内驱动模态和面内外的敏感模态仿真.为提高各敏感模态的机械灵敏度,提出采用双重静电频率调谐方案,即先对公共质量块施加调谐电压,使驱动模态和航向模态的频差最小;再对小质量块上方的多晶硅电极施加另外的调谐电压,最终使四模态频率偏差小于30 Hz,从而说明该频率调谐方法是有效的.然后,通过分析热弹性阻尼能量耗散机理,对驱动及敏感谐振模态的品质因数进行仿真.结果表明:真空环境不考虑空气阻尼情况下,两种模态的品质因数分别为23 816和19 507.最后,基于表面加工和体加工工艺,设计了高深宽比的加工流程.对该四方对称解耦结构的设计和仿真表明其模态匹配和品质因数性能满足三轴陀螺的设计要求.     

双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪

硅MEMS陀螺仪成本低、体积小、功耗低,是微小型无人系统及制导武器的核心惯性器件,本文提出一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪,采用两块反相、同频、等幅振动质量块作为敏感单元,通过测量谐振器谐振频率变化来计算转速的大小,通过动力学分析,推导了哥氏力与输入转速的传递函数,用瑞利－里茨法求得在轴向力作用下梁的固有频率方程,利用马蒂厄方程分析了双端音叉谐振器的运动数学表达式及陀螺仪标度因数方程。最后利用ANSYS有限元软件对谐振器进行了稳定性及有预载荷的模态分析,验证了理论推导的正确性。该陀螺仪通过端部支撑结构将两质量块的振动能量相互抵消,减少了振动噪声及能量损耗,利用杠杆反相差分效应,消除了外界加速度引起的误差。     

硅微机械谐振陀螺仪结构优化设计

介绍了硅微机械谐振陀螺仪的工作原理,给出了陀螺仪标度因数的表达式,分析了陀螺仪驱动模态的最大振幅、陀螺质量块结构参数、杠杆、DETF结构参数对标度因数的影响,优化了结构设计.利用有限元分析软件ANSYS对陀螺仪的结构进行了仿真,并制作了原理样机.     

一种单晶硅振动环陀螺仪的设计与制作

介绍了振动环式陀螺仪的基本工作原理,分析了传统的振动环式陀螺仪所存在的缺陷.并针对这些问题,设计和制作了一种单晶硅式振动环陀螺仪.该陀螺仪采用硅玻璃键合工艺制作,利用振动环作为敏感元件,选取静电激励、电容检测的工作方式.设计陀螺仪的工作频率高于15 kHz,以降低了环境对陀螺仪性能的影响.陀螺仪的制作方法简单,只需要2块掩模板,便于批量化生产.     

硅微陀螺仪的正交误差分析

推导了双框架式硅微陀螺仪驱动模态和检测模态的运动方程，定义了驱动位移和敏感位移。在此基础上，利用弹性主轴原理，分别推导了内外框弹性主轴偏转产生的正交误差信号表达式及正交误差信号和敏感信号的比值表达式。分析结果表明，双框架式硅微陀螺仪内外框弹性主轴发生偏转时，都将产生正交误差位移，且双框架式硅微陀螺仪产生的正交误差位移数值相当于单框架式硅微陀螺仪正交误差位移的两倍。测定了双框架式硅微陀螺仪的正交误差，正交误差信号，其值为431°／s，此时偏转角度仅为0．0196°。     

电容式微机械陀螺仪的设计与仿真分析

提出了一种静电梳齿驱动、电容检测的微机械陀螺仪,分析了其工作原理。同时,通过陀螺进行了必要的仿真和相关的分析计算,并根据加工工艺的要求,得到合理的结构。采用体硅标准工艺设计了陀螺的工艺版图,对其进行了封装分析。     

基于偶极子补偿法的硅微机械陀螺仪带宽拓展

硅微机械陀螺仪的机械灵敏度与驱动和检测模态的谐振频率差Δf成反比,而Δf处的谐振峰是影响陀螺带宽的直接因素,带宽约0.54Δf,因此,带宽和机械灵敏度往往成为两个互为矛盾的指标。基于自动控制原理中介绍的偶极子理论提出了偶极子补偿控制技术,该方法在不影响机械灵敏度的前提下可有效拓展陀螺带宽。首先,对涉及到的双质量硅微机械陀螺仪的结构形式和工作原理进行了介绍,指出陀螺实际工作的检测模态是由检测同相和反相模态叠加而成,设计了陀螺开环检测回路,分析了带宽是由驱动反相和检测反相模态的谐振频率差决定,并结合检测力反馈激励法验证了上述结论;其次,根据偶极子工作原理设计了偶极子补偿控制器的系统传递函数和电路,并对相关内容进行了仿真,验证了电路参数的准确性;最后,基于偶极子补偿控制器建立了硅微机械陀螺仪闭环检测系统,分析了该系统的稳定性,并对该系统的带宽特性进行了仿真和测试,结果显示带宽由原来的13 Hz拓展到了76 Hz,很好地证明了本文提出方法的可行性。此外,鉴于双质量陀螺的实际检测模态,在消除了第一个Δf谐振峰对带宽的影响后,由检测同、反相模态叠加产生的共轭零点引起的幅值谷为带宽进一步提高的限制因素。     

基于MEMS微加工技术的高灵敏度隧道传感器的研究

基于硅加工的高灵敏微型隧道传感器在过去15年里得到了充分的发展.多种隧道传感器被开始出来,例如加速度计,角速度计,红外传感器,磁性传感器等.首先对基于硅加工的隧道传感进行了简单的总结.对四种传感器进行了总结和讨论,包括几种器件的结构设计,加工过程,器件性能,控制电路和系统噪音.特别介绍了一种新型的基于高分子聚合物的隧道加速度计,并讨论了其结构,加工与测试,隧道效应得到了进一步验证.同时给出了这种新型高灵敏传感器在很多领域的应用展望.     

介观压阻效应及器件

介绍GaAs/AlAs/InGaAs双势垒超晶格薄膜结构的介观压阻效应以及几种基于此效应的新型传感器件。阐述介观压阻效应的四个过程,结合空气桥结构和欧姆接触技术,在[001]晶向半绝缘GaAs衬底上加工出来了GaAs/AlAs/InGaAs共振隧穿结构(Resonant tunneling structures, RTS),并对其进行了加压试验研究,发现其介观压阻灵敏度达到2.54×10–9 Pa–1,是硅压阻灵敏度的一个数量级以上。采用控制孔技术成功加工出了基于RTS的圆膜压力、四梁加速度和仿生矢量水声三种新型纳机电器件,并分别对其进行了压力罐、振动台和水下驻波测试。结果表明圆膜压力传感器具有较好的力电耦合特性;四梁加速度计的压阻灵敏度随RTS两端偏置电压可调,并在微分负阻区具有最大压阻灵敏度;矢量水听器具有良好的“8”字余弦指向性,灵敏度在1 000 Hz时达到184.6 dB,可以实现水平面内的水下声信号探测。     

一种pin结构光电器件的研究

pin器件在整流和探测领域都有着重要的潜在应用价值。为了提高器件伏安和光电探测性能,提出了一种新型的p-硅/i-氧化铝/n-掺铝氧化锌(AZO)结构器件,并利用原子层沉积技术(ALD)在低温下实现了器件制备。分析了器件的伏安特性,结果显示相比传统的pn结构器件,新结构在无光条件下实现了152的整流比。通过增加i层的沉积厚度,可以有效抑制遂穿效应,减小暗电流,提高光电检测的灵敏度,实现了比传统材料更高的光生电流灵敏度。     

电子隧道传感器的原理、现状与发展

电子隧道传感器应用电子隧道原理对位移进行检测,结构简单,能耗低,它具有很高的灵敏度,并且不受尺寸限制,在微型化和集成化方面显示了良好的前景,各国科学家对电子隧道传感器进行了广泛的研究并制成了加速度计,红外探测器,磁强计,触觉传感器,这些传感器小巧且性能优异。本文介绍了电子隧道原理,对电子隧道传感器的结构和性能进行了描述,并讨论了电子隧道传感器的发展前景。     

新型隧穿磁强计结构－多梳齿结构

水平式隧穿磁强计在应用中,直梁所受的最大应力超出其许用应力出现直梁断裂的现象,同时由于所需驱动电压较高,限制了磁强计的应用范围。文中优先考虑梁内部应力对隧穿磁强计直梁尺寸进行设计,并改变其结构,采用新型的隧穿磁强计结构多梳齿结构,然后采用Ansys验证了改进后结构的正确性,同时对驱动电压和理论灵敏度进行了计算。研究结果表明：在保证直梁正常工作的前提下该设计可将磁强计所需的驱动电压降低到16．5V、在文中设计宽度下灵敏度较原宽度提高了1．35倍。     

基于共振隧穿微结构的GaAs基加速度计

介绍了一种基于共振隧穿微结构的GaAs基四梁式加速度计，设计了共振隧穿微结构以及GaAs基加速度计的结构，分析了加速度计的力学特性，讨论了加速度计的加工工艺，并利用该工艺在国内首次制作出加速度计。在分析了串联电阻的影响后，设计了加速度计的输出信号提取电路，并通过实验测试了该加速度计的线性度和灵敏度。结果表明：该加速度计的输出具有较好的线性度，而灵敏度比硅材料的最大压阻灵敏度高一个数量级，适合于高精度测试场合。     

The fabrication of functional biosurface composed of iron storage protein, ferritin

A functional biosurface applicable to a biomemory device was fabricated using ferritin, which is one of the globular protein complexes consisting of 24 protein subunits, which can be classified as metalloproteins. For the fabrication of uniform ferritin layer, 11-MUA(11-mercaptoundecanoic acid) was used as a linker material. The formation of the ferritin layer was confirmed by surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy, and the morphology of the immobilized ferritin was analyzed by scanning tunneling microscopy (STM). The electrochemical redox property investigation was accomplished by the cyclic voltammetry (CV) technique. These results of adsorbed ferritin on the modified electrode can be used for the fabrication of bioelectronics.     

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。     

新型真空微电子氢气传感器

研究了一种新型真空微电子氢气传感器,其原理为气体在高电压激发下发射出与其吸收光谱相同的特征光普。用微机械加工方法在硅片加工出密封的充满H2的微气室,在一定电压下阴极发射电子,气体分子被电离,发射特征光谱。当外界H2存在时,会吸收特征光谱,这一吸收具有高选择性。微气室中微机械加工出纳米尺寸冷阴极硅尖端,在低电压下就可以产生场发射。检测器可以使用普通的光电二极管。     

A low-temperature scanning tunneling microscopy investigation of single electron effects

The design and the performance of a low-temperature scanning tunneling microscope (STM) operating in ultrahigh vacuum (UHV) is described. The sample and the STM are cooled by means of a helium bath cryostate. The STM consists of a “beetle”-type microscope, which is mounted on a spring suspension stage that can be operated between room temperature and 30 K. We present the results of tunneling spectroscopy on ligand-stabilized Au₅₅-clusters on a thiol-covered gold substrate. I(V)-curves taken at 100 K clearly show coulomb staircase structures, which agree well with theoretical predictions for these structures.