改进型微悬臂梁弹性常数标定系统

微悬臂梁作为原子力显微镜中感受微观力的关键元件,其法向和横向弹性常数的可溯源测量是微观力准确定量的前提.受微电子加工工艺的限制,微悬臂梁形状参数与其法向弹性常数无法准确标定,其横向弹性常数更是缺少广泛认可的标定方法.在天平法的基础上对标定系统进行了改进设计,超精密电磁天平与光杠杆结构的结合,能够准确测量微悬臂梁弯曲量及所受作用力,提高了法向弹性常数的准确度.设计了微孔样片和倾斜加载方式,实现了横向弹性常数的间接测量.基于本系统分别对3种商用微悬臂梁的法向或横向弹性常数进行了标定,并采用基于扫描电镜的尺寸参数法比对测量,实验结果重复性好、相对偏差小.研究结果表明该校准系统和方法可作为微悬臂梁弹性常数标定的参考方法.     

AFM微悬臂梁探针弹性常数各种标定方法的比较与分析

微悬臂梁探针是基于原子力显微镜(AFM)的微纳尺度力学测试中重要的力传感元件,其弹性常数的准确程度直接影响力学测量结果的可靠性。但是,目前已有的众多标定微悬臂梁探针弹性常数的方法都有各自的局限性,且准确性各异,因此需要对各种方法进行对比来选择出最佳方法。选取三种商用悬臂梁探针利用本实验室搭建的基于天平法的可溯源微悬臂梁探针弹性常数标定仪对其法向弹性常数进行标定,之后再将相同悬臂梁用三种常用标定方法（尺寸参数法,Sader法,热噪声法）进行再次标定。对不同方法测量结果进行比较,分析并详细讨论每种方法的优缺点与适用范围。结果表明相比于其他方法,微悬臂梁探针弹性常数标定仪（天平法）可测范围广,精度高,可溯源,可成为精确标定各种悬臂梁探针弹性常数的最佳方法之一。     

仿生湿吸二维微力传感器设计与试验研究

设计了一种L型的二维微力传感器,该二维微力传感器采用悬臂梁式结构。在弹性力学和材料力学基础上,利用Solidworks三维建模软件和ANSYS仿真软件对传感器分别进行模型建立和有限元应变分析。对该二维微力传感器的实体进行标定,得出了力和输出电压之间的关系。然后,在设计与分析二维微力传感器的基础上,研制了二维微力传感器阵列测试系统。最后,在测试系统实施了不同预压力下的湿吸力测试试验,验证了传感器和系统的可靠性。     

应力型微悬臂梁生化传感器响应机理研究进展

针对静态微悬臂梁表面特异性结合产生表面应力信号的响应机制问题,介绍了微悬臂梁生化传感器的工作原理,阐述了应力响应机制的简化模型,从纵向界面上和横向分子间2个方面对特异性吸附引起的悬臂梁表面应力的变化进行了剖析,讨论了界面能变化、位阻作用、静电力、氢键作用等与表面应力大小及方向之间的关系,总结了应力型微悬臂梁生化传感器的响应机理的研究。     

基于锁相环接口电路的高性能扭转谐振模态微悬臂梁传感器研究

扭转谐振模态微悬臂梁低能耗、高品质因数的特性,使它比传统的弯曲模态悬臂梁拥有更高的灵敏度和分辨率.将微传感器加工技术和生物检测技术相结合,利用扭转谐振模态微悬臂梁传感器对生物素和亲和素的特异性反应进行检测,结果传感器的灵敏度为0.9 pg/Hz,分辨可达到49 fg.本文还着重介绍了为谐振梁传感器设计的以锁相环(Phase-Locked Loop简称PLL)为核心的闭环接口电路,分析了悬臂梁和电路在闭环系统中的工作特性,并探讨了解决谐振式传感器在使用中常见的稳定性差、噪声干扰强等问题的方法.     

微悬臂梁矩阵细胞牵引力测量传感器研制

提出一种采用聚碳酸酯核孔膜为模版来制作高深宽比聚二甲基硅氧烷微悬臂梁矩阵的新方法,用来作为生物微机电系统传感器探测细胞微纳力学及在体外研究细胞的机械特性,并对其制作工艺进行研究.通过选择不同的膜,可以便捷制作不同规格的微悬臂梁矩阵来满足不同精度的测量需求.细胞贴附在经表面处理后的微悬臂梁矩阵顶端生长并延展迁移,造成微悬臂梁弯曲形变.通过对形变共焦荧光显微图像处理,可以精确描绘出细胞牵引力分布.实验结果表明该制作方法有效,测量精度达到nN/μm.     

一种新型MEMS双稳态微电磁驱动器的研究

介绍了一种新型MEMS双稳态微电磁驱动器,通过理论分析和有限元分析工具Ansys对器件的结构参数进行了优化设计,并证明了设计的可行性。利用金属基表面微加工技术与体硅微加工技术成功制作出这种驱动器,并对其弹性平台的弹性系数进行了标定,对驱动器的双稳态进行了调试。结果表明：此驱动器具有良好的双稳特性,响应时间短（约10ms）的特点。     

PT种子层对微力传感器性能的影响

为了提高微牛顿量级微力传感器的灵敏度,比较了有PT种子层和无PT种子层的PZT压电薄膜对微力传感器性能的影响。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PZT和PT/PZT/PT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用半导体参数测试仪测试了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的漏电流。结果表明,在同为600℃退火温度下,两种薄膜均具有钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向。当外加电压增加时,PZT薄膜的漏电流基本保持不变;PT/PZT/PT薄膜的漏电流变化在1nA左右。最后应用MEMS工艺分别制作了基于PZT,PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器,并在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试。测试结果表明,添加PT种子层对微悬臂梁的弹性系数基本没有影响,但微悬臂梁的灵敏度显著增加。     

开孔变截面微悬臂梁传感器的等效刚度和固有频率

研究新型开孔变截面微悬臂梁传感器的等效法向刚度及其对固有频率的影响.首先,考虑微梁纵截面孔洞结构引起的弯扭耦合效应,利用二次积分法获得在自由端集中载荷作用下悬臂梁的挠度,基于弹性材料的Hooke定律建立了微梁等效法向刚度分析的解析模型.然后,采用Rayleigh法获得了微梁的固有频率.最后,通过比对实验结果和有限元结果对解析模型进行了验证.研究表明:解析模型对于开孔变截面微梁刚度和频率的预测和标定具有较好的精度;微梁的等效刚度和固有频率与跨宽比负相关,却与内外宽度比正相关.有关结论可为新型变截面微纳机械传感器的设计提供理论依据和参考.     

低g值微惯性开关中阿基米德平面螺旋梁的设计

针对低g值微惯性开关对微弹簧的系统刚度达到(0.1~10)N/m数量级的要求,设计了一种阿基米德平面螺旋梁结构的微惯性开关。根据材料力学中的卡氏定理和线弹性理论,推导了阿基米德平面螺旋梁的弹性系数计算公式,并与ANSYS有限元仿真分析结果进行了对比。基于推导的弹性系数计算公式设计了一种三根阿基米德平面螺旋梁支撑的动作阈值5.5 gn 的微惯性开关,并采用SOI硅片以及玻璃－硅－玻璃键合技术进行了加工,在离心转台上对开关实际动作阈值进行测试,并将测试值与设计值进行对比。结果表明,采用推导到的阿基米德平面螺旋梁弹性系数计算公式计算结果与ANSYS仿真结果相近,基于推导的弹性系数计算公式设计的三根阿基米德平面螺旋梁支撑的微惯性开关动作阈值设计值与实测值相近,单根阿基米德平面螺旋梁弹性系数约0.8 N/m,能够满足低g值微惯性开关低刚度的要求,推导的弹性系数计算公式能够用于基于阿基米德平面螺旋梁的低g值微惯性开关的设计。     

基于静电驱动NEMS混频器结构设计与分析

提出了一种采用新型纳米梁结构利用静电驱动实现混频的NEMS混频器的工作原理。通过在两个双端固支梁中间加一平板质量块作为静电驱动与检测输出电极,可以明显提高纳米尺度下静电驱动静电力的大小以及电容信号输出强度,减少平板电容边缘效应的影响。采用双梁结构对于中间质量块而言回复力得到了提高,有利于提高谐振频率同时有效地抑制了梁扭转模态的干扰。在详细分析双梁结构静电驱动信号选取方式以及真空下动力学模型基础上,利用Lindstedt-Poincare方法推导出系统的幅频关系式。     

Mechanical behavior of metallic glasses Mg–Cu–Y using nano-indentation

The mechanical properties of amorphous bulk metallic glassy (BMG) alloy, Mg₅₈Cu₃₁Y₁₁, are examined using nano-indentation scratching test. This study investigates the influences of different scratching conditions on the mechanical properties such as the friction force and the friction coefficient (μ) to understand the abrasive behavior of the BMG. The scratching conditions include applied normal load, depth of scratch, scratching velocity, and scratching temperature. The experimental results of the friction force, friction coefficient, hardness, and scratching morphology of BMG are characterized. The result shows that the friction force is nearly proportional to the normal load; and the friction force exhibits a slightly dependent on the scratching temperature. Then, regression analysis method is utilized to establish a formula to fit the scratching condition of BMGs. The regression analysis can be applied to model the mathematical relationship between the scratching parameters. The regression result shows a good agreement with experimental one.     

装配式建筑构件连接结构受力特性数值模拟

由于装配式建筑主要是通过连接方式,将构件与建筑用节点连接,若连接点受力特性没有计算精准,则会导致连接失败,甚至坍塌事件发生,因此提出一种装配式建筑构件连接结构受力特性数值模拟分析方法。将建筑节点连接结构划分为梁、柱、节点以及墙板,以典型装配式建筑构件PC墙板为例,通过构建有限元模型对PC墙板受力特性数值模拟分析,并采用Drucker-Prager模型计算土体材料非线性,研究拉筋拉力及墙背侧向土压力分布规律,实现构件受力特性数值模拟分析。仿真结果表明,所提方法可以有效计算出构件的受力承载范围,降低在连接过程中构件受力的加载系数,减少失误情况。     

基于电磁补偿天平的微纳力值标准装置的性能研究

采用基于电磁补偿原理的精密天平,研制了一种微纳力值标准装置。通过高等级的标准砝码对天平进行校准,实现标准装置力值的SI溯源,在500 nN~500μN范围的力值测量标准不确定度小于0.7%。该装置用于对原子力显微镜（AFM）微悬臂弹性常数和微小力值传感器的力值提供准确的溯源。采用多自由度位置调整系统调整被测微悬臂或传感器的位置及俯仰角度,提高了定位准确度。对几种不同弹性常数的AFM微悬臂进行测量,测量结果的标准偏差小于1.6%,满足高准确度微小力值测量的要求。     

Mechanical and tribological characterization of a thermally actuated MEMS cantilever

The temperature effect on the mechanical and tribological behaviors of a microelectromechanical systems cantilever is experimentally investigated using an atomic force microscope. A nonlinear variation of the bending stiffness of microcantilevers as a function of temperature is determined. The variation of the adhesion force between the tip of atomic force microscope (AFM) probe (Si₃N₄) and the microcantilever fabricated in gold is monitored at different temperatures. Using the lateral mode operation of atomic force microscope, the influence of temperature on friction coefficient between the tip of AFM probe and microcantilever is presented. Finite element analysis is used to estimate the thermal field distribution in microcantilever and the axial expansion.     

Design principle of micromechanical probe with an electrostatic actuator for friction force microscopy

It is important to understand friction force in micro/nano mechanical devices both at high sliding speed and with high lateral resolution. Dual-axis friction force microscopes that can provide high lateral resolution and accuracy have been proposed; however, the sliding speed is limited by the probe scan speed. While a micro mechanical probe (MMP) with an electrostatic actuator can overcome this problem, details of probe design have not been established yet. This paper presents the principle of the mechanical design for an MMP with high force sensitivity and sufficient drive force. The dimensions of the double cantilever beam control the spring constants, resonant frequencies, and drive force. The use of an actuated MMP enables accurate friction force microscopy at high sliding speeds, which is required for the design of micro/nano mechanical devices.     

电子产品物流服务集成供应链合作利益分配机制研究

从物流服务集成商与功能型物流企业在业务上的合作关系出发,构建电子产品物流服务集成供应链合作利益分配机制,分析合作利益分配机制的运行效果以及影响因素。结果表明,最优分配系数与集成商的物流服务质量产出弹性系数呈负相关,与功能型物流企业的物流服务质量产出弹性系数呈正相关;双方投入的最优物流服务质量与产出系数呈正相关,与成本系数呈负相关;最优固定支付与产出系数呈负相关,与成本系数呈正相关。     

地震作用下非弹性地基桩的3次超谐波共振

研究了地震作用下非线性地基中桩基的3次超谐波共振问题.从地基桩中抽象出力学模型,考虑地基的非线性因素,运用Hamilton变分原理建立了桩基的非线性控制方程.利用Galerkin方法离散上述方程,基于多尺度摄动法研究了地震作用下非线性地基中桩的3次超谐波共振问题.以某嵌岩圆形桩为例,研究了地基土层厚度、剪切波速度及频率比对地震力的影响,数值模拟了非线性地基桩的3次超谐波共振响应,探讨了地震力、地基弹性及非弹性系数对超谐波幅频响应的影响,最后研究桩基产生3次超谐波共振时的时间历程曲线.结果表明,当地震波频率约等于桩基固有频率的1/3时,容易激发桩的3次超谐波共振响应;桩基的3次超谐波共振响应随着地震力、非弹性系数的增大而变得更加显著,随着弹性系数的增大而逐渐变小.