纳机电探针阵列与压阻式传感器集成技术研究

给出了纳机电探针阵列与压阻式传感器集成一维阵列器件结构及工作原理;通过理论计算得到该结构的一些主要的特性参数,计算结果与ANSYS模拟结果相符合;并运用微纳机械加工技术制造出该器件。该器件将加热电阻器、压阻式传感器和硅基针尖集成于在同一超薄微细悬臂梁,通过楔形开孔的机械切断,避免了加热电阻器高温处的PN结在高温下失去电隔离作用。室温下测得该器件加热电阻器的阻值为500～600Ω,压阻式传感器的力敏电阻器的阻值为6～8kΩ。     

基于eMMC阵列的高速大容量数据的存储设计

为实现对某飞行设备进行模拟飞行测试,需要对大量的飞行仿真数据进行快速存储,因此提出一种基于eMMC (em-beded MultiMedia Card)阵列的高速大容量数据的存储设计;设计选用FPGA (field programmable gate array)作为逻辑控制核心,通过控制其内部IP核GTX (Gigabit Transceiver)实现与外部设备的通讯,为匹配数据的传输速率,采用缓存模块对GTX模块输出的并行数据进行缓存,依据缓存大小来控制eMMC阵列控制器模块对eMMC阵列进行写入;系统上电后,GTX模块及eMMC阵列控制器模块自动进入初始化流程,上位机通过RS422接口发送启动命令给FPGA,当FPGA检测到各模块初始化完成标志后,通过RS422接口上传指令回应帧并启动数据的采集存储;数据存储完成后,为验证数据传输存储的正确性,上位机发送读取命令对数据进行回读;经验证,回读数据正确,无丢帧错帧的现象,数据传输稳定可靠,数据存储速率为2.4 Gbps;系统设计正确,为模拟飞行测试提供了可靠的保障.     

空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试

电容式微超声换能器(CMUT)作为一种新型的MEMS器件,在空气耦合无损检测领域具有较大的研究价值;设计了一种在空气介质中使用的电容式微超声换能器阵列,阵列由8个阵元组成,每个阵元包含16个CMUT敏感单元;介绍了CMUT换能器的原理和设计方法,利用FieldⅡ仿真了不同参数下的阵列指向性;对加工出的CMUT阵列进行了表面形貌测试和声学实验测试.实验结果表明:所加工的CMUT阵列满足设计要求,实验结果同仿真结果一致.     

基于单壁碳纳米管的压阻式柔性传感器

一维纳米材料与微结构结合的纳器件制造过程,实现了微纳加工工艺上的创新升级,有可能突破微米级器件的性能极限。首先利用传统的硅微加工技术,在综合性能优异的聚酰亚胺PI(Polyimide)薄膜上制作金(Au)微电极,形成排列有序的平行电极对;然后通过交流介电电泳的方法在微电极对间实现单壁碳纳米管SWNTs(Single-Walled Carbon Nanotubes)一维定向排布;接着采用区域选择性电沉积技术定域沉积Au压覆SWNTs,改善SWNTs与电极的接触特性。最后,针对基于SWNTs的柔性微纳传感器进行了力电特性测试。结果表明:在环境温度为(23±5)℃,湿度为65±15%RH,0.1 V工作电压下,压阻因子约为443,精度约为5.16%。上述研究结果在柔性微纳器件的制作方面显示了一定的应用前景,为实现超微型化和高功能密度化的柔性器件铺平道路。     

基于复合静电驱动结构的硅微机械扭转微镜

为了改善硅微机械扭转微镜的机电耦合特性,降低器件的驱动电压并提高其工作可靠性,提出了几种新颖的基于复合静电驱动结构的硅微机械扭转微镜.提出的硅微机械扭转微镜将垂直扭转梳齿静电驱动结构、侧壁平行板电容静电驱动结构有机结合,实现了两种静电驱动方式的复合驱动,同时设计了内外双镜面结构,通过内外双镜面结构,实现了微镜的差动复合驱动,理论分析、模拟仿真与测试结果表明,通过上述两个方面新颖的设计,新结构显著降低了器件的驱动电压.同时为了提高器件的工作可靠性,在设计折叠梁柔性支撑结构时,将梁的不同位置设计成不同的厚度,对于硅微机械扭转微镜扭转过程中容易疲劳的梁部分加大了其厚度,从而在不影响器件扭转性能的前提下,明显提高了器件的可靠性.利用有限元方法对器件的力学特性和机电耦合特性进行了系统的仿真,获得了影响器件机电特性的关键结构参数.器件基于SOI晶片,采用表面硅工艺与体硅工艺相结合的方式加工制造,采用SOI晶片显著降低了微镜镜面的表面粗糙度,提高了其光反射能力.最后利用原子力显微镜对微镜镜面的表面粗糙度进行了测量和分析,实验结果表面微镜表面具有16nm的表面粗糙度,完全可以满足光学应用的需要.     

长周期光纤光栅温度特性的理论与实验研究

利用模式耦合理论,对长周期光纤光栅透射谱谐振波长的温度特性进行了理论分析和数值模拟.结果表明,可以通过选择具有合适纤芯与包层热光系数匹配的光纤,从而制作出谐振波长对温度变化敏感或者不敏感的长周期光纤光栅;采用高频CO2激光脉冲三束对称写入法制作长周期光纤光栅,并进行温度特性测试,结果表明,谐振波长具有线性响应的温度特性,灵敏度约为0.088 nm/℃,而峰值损耗对温度不敏感,起伏不超过0.5 dB.     

新型软土沉降监测仪的研制

为解决目前我国对土体沉降监测方面存在的自动化程度低、测量精度不高等问题,提出一种新型基于霍尔效应的软土沉降监测方法,设计出一款高精度实时在线监测仪器.选用多个霍尔器件组成阵列固定在假设不发生沉降位移的参考面上.土沉降带动沉降磁环的跟随沉降,根据霍尔效应原理,霍尔器件会输出变化的电信号.采用RS-485总线将阵列电信号实时上传至主机,经主机对实验数据进行科学建模处理,建立沉降位移与输出电信号的对应关系,从而实现对土沉降实时在线监测.搭建模拟测试平台,测试结果表明:对沉降磁环的定位测试,误差在1.2544 mm内,相比较于利用接近原理的传统测量仪器测量精度更高,数据稳定性更好,可以实现实时在线测量.     

基本路径覆盖测试探针插桩技术研究

为实现C语言开发的嵌入式软件自动路径覆盖测试,提出了基本路径覆盖(Z路径优化)测试探针插桩技术.初始化时确定探针算法、分配内存空间,插桩策略解决了插桩位置及方法,采用消息队列机制完成测试数据采集,使用模式匹配删除探针恢复现场.通过模拟测试XSBase 255嵌入式系统上的C语言计算器模块(callbacks.c),从覆盖率看出取得了一定的效果,为测试和维护工作提供了底层数据支持.     

C60/聚合物复合存储器件的载流子输运机理研究

论述基于C60分子在不同有机基体下的存储特性,分别为C60/Polymethyl Methacrylate (PMMA)+Poly( N-vinylecarbazole)(PVK)、C60/PMMA以及C60/PVK器件,在(I-V)特性曲线上可以看出,C60/PMMA+ PVK和C60/PMMA器件可以实现相当于数字存储器件中的“写入”与“擦除”过程.研究复合基体对器件阈值电压的影响,以及复合基体对载流子输运过程的影响,C-V测试用于表征器件存储电荷的能力.     

基于红外光干涉技术的微纳结构内部三维形貌测量

基于红外光在半导体材料中的透射特性,将白光扫描干涉方法从可见光波段推广到红外光波段.设计研制了Linnik 结构红外光干涉系统,对具有三层台阶结构的微器件进行了无损三维形貌测试.实验结果表明,采用红外光对半导体材料微纳结构透射后的反射干涉技术,可以准确实现微纳结构内部三维形貌测量.可实现百nm量级台阶高度的准确透射测试...     

新型复合结构电热微驱动器的研制

在弯曲梁电热微驱动器原理的基础上,通过引入热膨胀系数更大的聚合物,提出了一种新型复合结构电热微驱动器。采用了ANSYS有限元分析软件,对其基本结构形式进行了系统的仿真分析,得到了一组初步优化的器件结构参数。仿真结果表明:新型电热微驱动器有更低的能耗和更大的位移。采用非硅表面微加工技术,成功制备了新型复合结构电热微驱动器。     

Analysis of phase drift based on uncertainty analysis in electro-thermal excited MEMS resonant sensor

Vibration model of double-clamped resonant beam for a MEMS resonant sensor driven by electro-thermal excitation is established. Thermal phase drift caused by electro-thermal excitation and output frequency error of phase locked loop (PLL) caused by thermal phase shift are analyzed. The effects of uncertainty distributions of structure size and excitation voltage due to fabricating or control errors on thermal phase drift and output frequency error of PLL are studied. The sample-based stochastic model is established to investigate the influence of different uncertain structure sizes and excitation parameters on thermal phase drift and output frequency error of PLL; the results are compared with that of experiment on different sensor samples. The results reveal the different influences of these parameters, which can be used as reference for design and optimization of the structure sizes and excitation parameters.

     

Modeling and analysis of a 2-DOF bidirectional electro-thermal microactuator

In this paper, a four hot-arm U-shape electro-thermal actuator that can achieve bidirectional motion in two axes is introduced. By selectively applying voltage to different pairs of its four arms, the device can provide actuation in four directions starting from its rest position. It is shown that independent in-plane and out-of-plane motions can be obtained by tailoring the geometrical parameters of the system. The lumped model of the microactuator was developed using electro-thermal and thermo-mechanical analyses and validated using finite element simulations. The device has been fabricated using PolyMUMPs and experimental results are in good agreement with the theoretical predictions. Total in-plane deflections of 4.8 μm (2.4 μm in either direction) and upward out-of-plane deflections of 8.2 μm were achieved at 8 V of input voltage. The large achievable deflections and the higher degree-of-freedom of the proposed device compared to its counterparts, foresee its use in diverse MEMS applications.     

基于LabVIEW的电热防除冰温控系统设计

设计了一套基于LabVIEW和Agilent 34972A数据采集仪的电加热温度控制系统,用于对防除冰对象的表面温度进行监测与控制.以LabVIEW软件为设计基础,PC、Agilent 34972A、温度传感器与功率控制器共同构成监控系统.通过数据采集仪内置的LAN接口与PC通信,利用LabVIEW上位机软件,实现采集的温度数据实时显示和存储.针对飞机电热防除冰系统,设计开发了周期性加热和设定温度区间加热两种模式.实验结果表明,基于Agilent 34972A搭建的测控系统构造简便,采用LabVIEW的在线编程与控制,操作便捷,提高了测量精度和测量效率.两种加热控制模式能够自由切换,对航空工程领域电热防除冰测控系统的设计开发具有参考价值.     

基于BP神经网络的U型电热微致动器仿真分析

以BP神经网络、随机有限元法为基础,对u型电热微致动器进行了仿真分析．首先利用有限元分析软件ANSYS对u型电热微致动器进行有限元分析得到具体结构尺寸对微致动器最大位移的影响,然后通过建立的BP神经网络来拟合响应与输入之间的关系,根据蒙特卡罗模拟原理获得足够多的样本值对训练后的网络进行误差分析,结果证明本文提出的分析方法是可行有效的．     

子午胎钢丝帘线缺陷的磁场检测方法

针对子午胎钢丝帘线的典型缺陷,用磁场检测法构造检测探头,建立分析模型和各类缺陷模型,进行磁场有限元计算分析。分析表明,检测磁极下与钢丝帘线层垂直的磁密分量变化可辨识帘线的缺陷。分析结果证明了该方法的可行性,为研制钢丝帘线带束层以及子午胎质量的新型检验机奠定了基础。     

脉冲涡流TR探头解析模型的快速求解方法

作为分析脉冲涡流响应的常用工具,解析模型因具有物理意义明确、精度高、计算速度快等优点而得到了广泛关注;近年来,随着脉冲涡流阵列探头的应用,对其阵列单元--即激励和接收线圈非同轴的Transmitter-Receiver阵列单元(以下简称TR探头)的解析分析需求迫切;而当前关于TR探头的解析模型大多数将试件缺陷等效为大面积壁厚减薄缺陷,模型精度较低;为提高TR传感器解析模型的求解精度,将构件缺陷等效为平底盲孔缺陷,建立了含平底盲孔构件脉冲涡流TR探头的解析模型,且提出了一种快速求解该模型解析解的方法:首先,通过分析典型模型解析解的形式,发现其由广义反射系数、线圈系数等乘积组成,且广义反射系数仅与构件结构有关,线圈系数仅与探头有关;然后,参考已有的含平底盲孔构件同轴式探头检测模型和均匀壁厚减薄缺陷的TR探头模型,分别获取广义反射系数和线圈系数解析表达式;最后,将其组合得到含平底盲孔构件脉冲涡流TR探头的解析解;通过和实验数据做比较验证了上述解析解的正确性;所提出的方法可应用到其他脉冲涡流解析模型的快速求解中,降低解析模型的求解难度。     

V型电热硅微致动器动态频率特性

提出了V型电热硅微致动器的弯曲振动力学模型。考虑到微米尺度上的硅梁难以简化为质量块、弹簧振动模型,采用了连续体建模,据此可进行其模态分析及动态频率特性的理论研究。利用自行设计制造的在线动态测试机构,测试了V型电热硅微致器在不同激励电压驱动下的响应输出,结果表明其位移输出也是随交变驱动电压的变化而非同步地发生变化。     

MEMS tunable capacitors with fragmented electrodes and rotational electro-thermal drive

This paper reports on the design, simulation and fabrication of tunable MEMS capacitors with fragmented metal (AlSi 4%) electrodes. We examine a rotational electro-thermal actuation. An analytic model of the rotational effect thermal actuator was established in order to show the periodicity of the capacitance when the angle increases. Evaluation of the impact of fringing fields on the capacitance has been carried out using finite element analysis (FEA). The MEMS capacitors were fabricated using metal surface micromachining with polyimide sacrificial layer. The maximum rotation, corresponding to a maximum angle of 7°, was obtained near 1.2 V and 299 mA. The proposed capacitor has a practical tuning range of 30%. FEA has shown that this figure can be improved with design optimization. The MEMS architecture based on rotational effect and fragmented electrodes does not suffer from the pull in effect and offers a practical solution for future above-IC capacitors.