基于镜像异质三周期光子晶体的陀螺仪研究

对镜像异质三周期光子晶体的研究理论表明,在实际应用范围内,透射率与光子晶体所受的轴向应力呈简单的线性关系。微机械陀螺仪在工作时会产生Coriolis力,其与整个系统的输入角速度有正比关系。在陀螺仪检测梁的根部,用镜像异质三周期光子晶体作为敏感元件,只需检测出其透射率,即可知道陀螺仪所受Coriolis力的大小,继而求出系统的角速度。ANSYS软件仿真结果表明,当透射光强改变万分之一时,该结构可以感知6.5 mgn的Coriolis加速度的变化,测量量程可达55 gn。     

基于介观压光效应的MEMS陀螺研究

依据介观压光效应原理,设计出了一种新型高灵敏谐振式MEMS陀螺,其利用镜像异质三周期光子晶体的介观压光效应代替传统压阻式微陀螺中的力敏电阻器,当光子晶体受轴向应力作用时,其透射率随之发生变化,因此,通过检测透射光强可解算出输入角速度的大小.陀螺结构采用4对梳齿电容驱动,驱动模块与检测模块相互独立,其具有耦合效应小,机械灵敏度高的特点.经数值计算与仿真分析,得到该微陀螺频率匹配率为0.6％,透射率灵敏度达到73μcd/(°)/s,证明了其频率匹配良好,可实现高灵敏度的角速度的测量.     

基于镜像异质三周期光子晶体介观压光效应的加速度传感器*

利用镜像异质三周期光子晶体的介观压光效应,用其来代替传统压阻式加速度传感器中的压敏电阻膜,设计出一种新型的高灵敏度加速度传感器。该加速度传感器采用四端固定梁结构,有效地消除了偏轴效应,具有很好的稳定性,在室温下其可测量的加速度范围为0~137gn。利用ANSYS软件对所设计的光子晶体加速度传感器进行静态分析和模态分析。可以看出在悬臂梁根部具有最大的应变值,而且第一模态频率与其他模态频率相差较大,可以有效降低交叉耦合。将光子晶体置于悬臂梁根部具有最大的感应灵敏度。这种加速度计具有很大的优势运用到以后的航天,军事等领域。     

基于介观压光效应的MEMS陀螺研究

依据介观压光效应原理,设计出了一种新型高灵敏谐振式MEMS陀螺,其利用镜像异质三周期光子晶体的介观压光效应代替传统压阻式微陀螺中的力敏电阻器,当光子晶体受轴向应力作用时,其透射率随之发生变化,因此,通过检测透射光强可解算出输入角速度的大小。陀螺结构采用4对梳齿电容驱动,驱动模块与检测模块相互独立,其具有耦合效应小,机械灵敏度高的特点。经数值计算与仿真分析,得到该微陀螺频率匹配率为0.6%,透射率灵敏度达到73μcd/﹙°﹚/s,证明了其频率匹配良好,可实现高灵敏度的角速度的测量。     

基于FBG的新型加速度计研究

设计了一种新型的差动式光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)加速度计,论述了其传感结构的设计原理、理论分析和有限元仿真。文中设计的主梁与微梁相结合的差动结构形式,克服了传统悬臂梁结构FBG加速度计存在的固有频率与灵敏度相互制约的矛盾,提高了固有频率和灵敏度。同时,为了解决单悬臂梁结构加速度计存在的温度补偿问题,设计了差动式光学检测系统,使该加速度计的灵敏度较传统单悬臂梁结构提高了一倍。理论分析结果表明,该加速度计灵敏度可达到52.7pm/gn,固有频率250Hz。实验结果表明,该结构提高了加速度计的灵敏度,有效解决了FBG加速度计应变和温度交叉敏感问题,实验结果与仿真数据具有很好的一致性。     

介观压光型加速度传感器

对于光子晶体而言,角度、厚度、周期数等对其透射率产生很大的影响,但相对于这些,轴向压力的影响更大。通过对介观压光效应的应用,用光子晶体代替传统的力敏电阻器,设计一种新型的加速度传感器,使其测量精度得到很大的提高,测量量程也有很大的改进。所设计的加速度传感器采用四端固支梁结构,有效地消除了偏轴效应,具有很好的稳定性。利用ANSYS软件对所设计的结构进行了应力模拟分析和三阶模态分析。这种加速度传感器具有很大的优势,可以运用到以后的航天、军事、车辆等领域。     

水平姿态测量用加速度计的环境适应性设计

为适应高冲击和随机振动的使用环境,对由双轴石英加速度计构成的水平姿态测量装置,给出了基于三梁单岛悬臂梁结构和双梁单岛悬臂梁结构的加速度计支承结构和固有频率的设计方法,并对设计结果进行了有限元分析和振动冲击试验验证。结果表明:利用该设计方法设计的加速度计结构,对随机振动和高冲击的使用环境具有良好的环境适应性,能够承受持续时间3m s的1 10gn冲击和0~2 kHz的随机振动,测量精度优于0.02°。     

体硅加工的压电式微加速度计的设计

提出并设计了一种采用体硅微制造工艺制造的压电式微加速度计,其中体硅加工的硅质量块由悬臂梁支撑且悬臂梁部分区域沉积ZnO压电薄膜.通过对压电悬臂梁建立一维解析模型,研究了影响加速度计灵敏度的结构因素.在此基础上,利用有限元方法软件ANSYS设计了实际的微加速度计,并对六种不同的微加速度计结构进行了分析,得到了不同结构微加速度计的工作频率范围及灵敏度结果.     

一种新结构硅微机械压阻加速度计

设计、制造并测试了一种新结构硅微机械压阻加速度计.器件结构是悬臂梁-质量块结构的一种变形.比较硬的主悬臂梁提供了一定的机械强度,并且提供了高谐振频率.微梁很细,检测时微梁沿轴向直拉直压.力敏电阻就扩散在微梁上,质量块很小的挠动就能在微梁上产生很大的应力,输出很大的信号.5 V条件下,灵敏度为14.80 mV/g,谐振频率为994 Hz,分别是传统结构压阻加速度计的2.487倍和2.485倍.加速度计用普通的N型硅片制造,为了刻蚀高深宽比的结构,使用了深反应离子刻蚀(DRIE)工艺.     

微加速度计在冲击环境下的可靠性研究

微加速度计用于测量载体的加速度,并提供相关的速度和位移信息.微加速度计可以和微型陀螺仪组合构成微型惯性测量单元.但是微加速度计还没有完全实现市场化,微加速度计的可靠性问题已经成为制约其广泛应用的关键因素.微加速度计在加工、封装、运输和实际使用中都可能受到冲击的作用.主要研究压阻式微加速度计在冲击环境下的可靠性问题.通过简化加速度计的结构,得出了悬臂梁上的应力分布.设计了微加速度计在冲击环境下的可靠性试验,分析了加速度计在冲击环境下的主要失效模式及失效机理.得出了压阻式加速度计在冲击环境下的主要失效模式是键合引线的脱落和悬臂梁的断裂.     

光子晶体压力传感器研究

介绍了一种新型光子晶体压力传感器,利用压力使光子晶体带隙的变化特性制作压力传感器,提出了通过测量透射光的变化来测量压力的检测方法。结果表明:传感器的测量范围和灵敏度与构成光子晶体的材料特性有关,材料弹性模量小时,灵敏度高;2种材料的弹性模量和泊松比相差大时,测量范围小。该传感器体积小、重量轻。     

高g光学微腔加速度计的结构设计

针对高量程加速度测试需求,提出了一种基于光弹效应的新型光学加速度传感器;利用MATLAB软件和时域差分有限元(FDTD)对微环谐振腔悬臂梁加速度计的结构进行优化设计,详细分析了波导传输模态,传感器灵敏度以及工作带宽与波导尺寸、微悬臂梁尺寸的关系。在优化设计的基础上,通过ANSYS软件对悬臂梁的抗冲击性能进行仿真,其抗冲击可达104gn,灵敏度为10-2pm/gn,能有效满足高冲击、强烈振动场合的特殊测试要求,可以应用于侵彻系统,并为集成小型化高灵敏抗冲击微光机电系统(MOEMS)传感器提供理论参考。     

虚拟环境中微加速度传感器建模及拟实运行

对虚拟环境中微加速度传感器建模及拟实运行进行了研究.此微加速度传感器采用悬 臂梁式结构.论文分析了其静态特性和动态特性,建立了悬臂梁变形模型和微加速度传感器动 态行为模型;讨论了在修改结构尺寸过程中,梁长、梁厚对微加速度传感器的影响,并优化了结 构参数;最后建立虚拟环境,进行拟实运行,验证设计结果.     

高冲击环境下MEMS大量程加速度传感器结构的失效分析

对设计的大量程加速度传感器进行冲击测试,分析该种传感器结构在高冲击环境下的输出信号及可靠性。加速度传感器结构采用四端全固支结构,通过在梁的端部和根部设计倒角结构以分散应力。测试结果表明该传感器在232,119.4 gn下可以测试到有效输出信号。同时,对测试中失效传感器进行了分析,总结出大量程加速度传感器的在高冲击环境下的失效模式主要为键合引线的脱落、微梁的断裂和封装失效。     

Study of residual stress-induced deformation of multilayer cantilever for maskless microplasma etching

In the scanning probe microscopy-based microplasma etching system proposed by our group, the microcantilever probe integrated with microplasma device is a multilayered structure. However, the thin film residual stress generated by microfabrication process may cause undesirable bending deformation of the cantilever. In order to predict and minimize the stress-induced deformation in the cantilever design, we experimentally measure and calculate each thin film stress of the cantilever based on Stoney equation. Then the stress-induced bending deformation of the cantilever is simulated by finite element simulation. By adjusting the thickness of reserved silicon layer of the cantilever, the deflection can be minimized to <5 μm for a 750 μm-length cantilever. Finally the microcantilever probes with different thickness of reserved silicon layer are successfully fabricated by MEMS process. The bending deformation of actual fabricated cantilevers agree well with simulation results, which verifies the feasibility of the cantilever structural design. The results of this paper may lay a foundation for further scanning plasma maskless etching.     

Fabrication of two dimensional high aspect ratio polymer photonic crystal laser

Photonic crystals have attracted much attention from researchers because of the control over the propagation and emission of light and particular optical properties. In this paper, we reported on the design, fabrication and test of a two-dimensional polymer photonic crystal laser. First of all, a two-dimensional polymer photonic crystal laser with a triangle-lattice structure was described. Rhodamine 6G doped in PMMA was chosen as the gain material. Then, plane wave method based on the Maxwell equations was utilized to calculate the distribution of the photonic band gap. We calculated the band structure of a triangle lattice photonic crystal with a low refractive index. High resolution electron beam lithography combined with electroplating was used to fabricate the silicon nitride mask. A high aspect ratio two-dimensional photonic crystal laser was fabricated by X-ray lithography in one-step process to overcome the limitation of the thickness by the conventional methods to realize a real two-dimensional laser. Meanwhile, processes of sample preparations and fabrication were optimized in order to avoid the oxidation of the gain material and reduce the diffraction effect on the structures.