微纳操纵成像系统自适应模糊PI控制器设计

在传统PI控制微纳操纵成像系统的基础上实现参数实时在线调整。为了获得更好的控制效果,进行了自适应模糊PI控制的微纳操纵成像系统仿真研究。运用探针与样品之间原子力保持不变的原理对微纳操纵成像系统动态过程进行建模,加入模糊PI控制模块,建立了一套完整的系统仿真平台。设计了一种自适应模糊PI控制器,该控制器通过对电压值的误差和误差变化的判断进行模糊化推理,实现对控制参数的实时在线整定,以达到优化控制的目的;同时,利用Matlab进行仿真研究。结果表明,自适应模糊PI控制算法比传统PI控制算法能有效地改善系统的动态性能和稳态性能。     

压电谐振式微质量测量系统

基于压电晶体的正、逆压电效应,对压电谐振器的构成原理及压电晶片谐振频率的质量敏感原理(Sauerbrey方程)进行了分析。基于Sauerbrey测量原理,设计了压电谐振式微质量测量系统,对该系统的设计方案进行了分析。为减小温度等环境因素对压电晶体检测性能的影响,系统采用两个相同的石英晶体振荡电路构成双谐振式的压电晶体振荡器。采用模块化设计思想,对该测量系统各模块进行了设计与实现,并对系统性能进行了测试。结果表明,当测量端加载的质量越大,系统测量出的谐振差频值则越大,实验结果与理论分析结果吻合较好。相对于线性的理论结果,该实验结果的非线性误差为5.5%。该系统实现了压电谐振频率的变化与被测微质量之间的变换,能够实现对微质量进行测量。     

微纳操纵成像系统的线性自抗扰控制器设计

针对比例积分(PI)控制微纳操纵成像系统存在控制精度低、抗干扰能力弱等问题,提出了一种基于线性自抗扰的控制方法。该文分析了微纳操纵成像系统的结构及数学模型,并设计了线性自抗扰控制器,利用所得模型的参数,确定带模型信息的线性扩展状态观测器的部分参数和PI控制器的参数。在Matlab/Simulink中搭建控制器模型,并进行仿真实验的对比。结果表明,该研究与传统PI控制相比,具有控制精度高,抗扰能力强等特点,有效改善了系统的性能。     

微纳操纵成像系统的微分前馈自抗扰控制研究

微纳操纵成像系统是探索微观世界的重要工具,传统比例积分(PI)控制器存在参数难调节,控制精度低,抗干扰能力弱等问题。该文在自抗扰控制的基础上,针对高频周期信号下自抗扰控制存在较大跟踪误差,加入微分前馈环节。首先给出微纳操纵系统结构的数学模型,设计出基于模型信息的自抗扰控制器;再利用已知信息给出微分前馈量;最后在Matlab中进行仿真验证。仿真结果表明,对比线性自抗扰及PI控制,微分前馈的自抗扰控制具有较小的跟踪误差,系统抗干扰能力有显著提升。     

基于压电效应的MEMS振动式微能源器件

设计了一种硅基压电功能材料的四悬臂梁-中心质量块结构MEMS振动式微能源器件,可将环境振动能量有效转化为电能。采用溶胶-凝胶法制备硅基锆钛酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3,PZT)压电功能薄膜,经干/湿法刻蚀和溅射沉积等MEMS工艺实现器件功能结构的制备。研制的器件整体结构尺寸为7 000μm×7 000μm×300μm,单个PZT压电单元面积为0.149 6 mm2。将悬臂梁上4个压电单元串联以实现输出最大化,测试结果表明,器件的谐振频率为300 Hz,适于低频振动环境;输出电压在一定范围内随加速度增加而增大;在加速度为10 g时压电单元单位面积输出电压达1.19 mV/mm2。     

组合式微夹持器控制系统的研制

将微直线电机宏动机构与双晶片压电悬梁微动机构结合,研制高精度、大范围的组合式微夹持器．针对宏微结合的结构形式,设计组合式微夹持器宏微控制系统。采用仿人智能PI控制方法,提高了控制精度。测试实验表明,闭环控制系统取得较好效果．     

振动能量拾取MEMS压电式微能源研究

设计并制作了一种"四悬臂梁-中心质量块"结构的振动能量拾取微机电系统(MEMS)压电式微能源,实现了环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3,PZT)压电薄膜的异质集成制备;然后通过MEMS工艺和引线键合技术进行器件基础结构的集成制造;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,8Hz谐振频率工作状态下,该压电式微能源器件的输出电压峰-峰值随着加速度激励的增加呈线性增大,当加速度激励为10 m/s2时,该能量采集器件的输出电压峰-峰值为82.4mV。在器件两端加载2.0 MΩ的负载时,器件输出功率密度达最大值(为2.074 3μW/cm3)。     

基于MEMS与压电陶瓷钎焊的微型超声电机

面向超声电机定子的一体化与微型化需求,提出了一种基于钎焊与微电子机械系统(MEMS)工艺的微型超声电机定子。对超声电机的原理和结构进行分析,利用有限元法对定子的模态与谐响应进行了仿真。利用钎焊工艺将锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷与金属弹性体进行连接,通过MEMS与机械加工工艺对定子的驱动足、上电极等进行制备。对超声电机定子焊接情况进行表征,对超声电机的振动性能与驱动性能进行测试。测试了PZT压电陶瓷与金属弹性体的结合强度,两者之间的抗剪切强度为33.46 MPa,观察了焊接截面形貌,可看出各焊接层厚度均匀,无裂缝、孔隙。搭建实验平台对定子的振动性能与驱动性能进行了测试,微型超声电机的定子的谐振频率为188.15与266.16 kHz,最大振幅为228 nm,在激励电压为30 V、预压力为350 mN时,微型超声电机的最大速度为38.22 mm/s。实验结果表明,该超声电机定子钎焊情况良好,驱动性能较高,具有广阔的应用前景。     

基于微纳光纤的长周期光栅及温度传感系统的设计与制备

为了获得高精度的温度传感系统,提出并验证了 一种基于长周期光栅(LPG)温度传感 系统。首先利用普通单模光纤(MSF)拉制了微纳光纤,拉制的微纳光纤直径约为6.2μm;其次, 利用CO₂脉冲激光器在拉制的微纳光纤上制作了微纳LPG,光栅的周期为100μm; 利用获得的微纳LPG结合马赫-曾德干涉仪(MZI)设计了温度传感系统,在系统中 利用 声光调制器(AOM)作为移频调制器,获得了200MHz的微波信号,且随 LPG测量温度的增 加,微波信号的相对强度逐渐增加,其斜率约为0.46(a.u)/℃。在30min的时间间隔内,测 量了信号强度的稳定性,强度变化约为0.5dB,表明系统展现了较高 的稳定性。     

基于扫描电子显微镜的集成电路显微拍摄系统

提出使用扫描电子显微镜来获取集成电路芯片的形貌图像,以弥补光学显微镜分辨率的不足.利用拼接的方法来获得完整的芯片形貌图像.描述了压电陶瓷电机驱动工件台的工作原理.该工件台的定位误差小于20 nm,可使临近图像的重叠区域保持一致.介绍了使用电子束扫描控制器对电镜扫描场进行增益、旋转和位移校正的方法,使获得的芯片图像不需旋转即可进行拼接,减少了后续图像处理软件的工作量.实验证明,该系统可以获得亚微米级芯片的清晰图像.     

基于SEM的图形检测系统设计

为满足快速扫描大面积图形的需要,设计了基于扫描电镜的高速图形检测系统。该系统采用快速硬件扫描方式来提高图形检测的速度,可应用于对芯片质量、内部线路状况的检测。介绍了以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为逻辑控制核心的图形检测系统的硬件结构及其工作流程,主要阐述了系统中的D/A转换部分电路的组成和工作原理、图形校正的原理以及系统设计时的注意事项。同时还给出了FPGA在系统中的主要功能以及程序流程图(程序采用VHDL(硬件描述语言)编写)。     

基于DDS的超声换能器频率跟踪系统

设计并实现了一种超声换能器频率跟踪系统.该系统采用直接数字合成器(DDS)作为频率调整和信号产生的器件;采用可编程逻辑器件(CPLD)完成相位比较和DDS控制,频率跟踪的响应速度快;单片机作为系统的控制核心,对反馈电流进行实时监控,并在此基础上实现了先扫频后跟踪的策略以及自动解锁控制,使系统有良好的适应性和可靠性.该系统已在超声换能器的实用产品样机上应用,取得了良好的效果.     

基于ATmega128单片机的压电式贾卡控制系统设计

为满足贾卡经编机设备的实际需要,设计基于AVR ATmega128单片机的压电式贾卡控制系统,介绍了该控制系统的软硬件设计方法,叙述了各部分设计过程,并给出几种提高系统可靠性的措施.此贯卡控制系统与计算机辅助花型设计系统配合使用,可以加快贾卡经编织物的设计,简化上机工艺,缩短产品更新周期,实用可行,可广泛应用于压电式经编机贾卡控制中.系统的可靠性和实用性已通过样机试运行得以证实.     

基于压电薄膜的多信息触觉检测系统

为模拟人类触觉感知功能,实现智能触觉,研制了一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜的多信息触觉检测系统,初步实现了对物体表面柔软度、黏性、纹理粗糙度、纹理规律性、热度5种维度信息的检测识别。该触觉检测系统利用凸点型压电薄膜传感器获取物体表面信息,上位机对采样信号进行数字滤波、特征提取及特征分类,最终得到物体表面特性信息,并绘出物体表面特性五感图。其中纹理粗糙度采用主频率识别方法,利用傅里叶变换（FFT）进行特征提取。实验结果表明,该系统能够有效区分被测物体表面信息。     

基于压电谐振频率的PM2.5监测系统

基于压电谐振频率法采用模块化设计思想,设计了压电谐振式PM2.5监测系统,对系统的采样单元、谐振单元、频率测试与显示单元、控制单元等部件进行设计,并对系统进行集成与性能评价。为实现对PM2.5颗粒物的有效采样,并减小温度等环境因素对压电晶体检测性能的影响,系统采用惯性冲击式分粒原理结合静电沉降的采样方案,以2个相同的石英晶体振荡电路来构建双石英晶体谐振器,建立压电谐振频率与压电晶片质量间的关系,实现根据压电谐振频率的变化来确定PM2.5的质量浓度。系统测试结果表明,PM2.5测试数据与官方公布的数据相近,数据变化趋势一致。该PM2.5监测系统能反映被测区域PM2.5质量浓度的变化情况,满足PM25监测需求。     

基于电容传感器的精密压电微位移系统研究

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统,极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路,实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP,形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略,矫正压电陶瓷的非线性特性,进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试,结果表明:位移检测电路的电容分辨率可达0.000 1pF,微位移系统定位精度优于5nm,校正后迟滞误差低于1.0%。     

基于多模态扩频理论的压电振动能量采集系统

以同时提升多模态采集和增加带宽为研究方向,结合多模态扩频理论,建立了一套多模态宽频且能多方向工作的压电振动能量采集系统。该系统包含能量采集器和电源管理电路两个模块。其中,采集器包括4种谐振频率,组成了较宽的工作频带,保证了该采集器在低频振动工作环境下高效率地收集振动能量;电源管理电路将采集到的交流电转换为稳定的直流电,再对电容或电池等储能元件充电以供微电子器件使用。经过模态和谐响应分析后,搭建了实验平台并对采集系统进行实验测试。实验结果表明,在加速度6 m/s2 简谐力激励下,工作频带为16.1~27.8 Hz,输出电压最高可达35.75 V,阻抗匹配后最优阻值为200 kΩ,此时输出功率为115.85 μW。     

压电式微定位工作台及其控制系统

为了提高机床的定位精度，研究、设计了一种以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器的微定位工作台。微定位工作台在滚珠丝杠副驱动的基础上，对工作台进行了二次精定位。给出了工作台的设计简图，并对其动力学模型进行了分析，结合检测装置和微机控制系统，设计了基于前馈控制同数字PID反馈控制相结合的复合控制的微定位控制系统。实测表明，微定位工作台定位分辨率可达到0．01μm，可满足精密、超精密加工的需要。