采用环形岛棱结构的电容式压力传感器

改变传感器可动极板的结构是解决MEMS电容式压力传感器信号输出与压力输入呈非线性关系问题的方法之一。设计了一种新型结构电容式压力传感器,其可动极板是LPCVD氮化硅构成的一个方形薄膜,薄膜中心到边缘之间由PECVD氧化硅构筑一个环形岛棱,使可动极板在压力负载下的变形趋于平整,减小了边缘杂散电容带来的非线性,从而改善了该传感器的输出特性。利用有限元方法分析了不同尺寸的动极板在不同外加压力作用下压力与形变的关系,以及相应的应力分布情况,并采用最小二乘拟合直线法计算了压力传感器的线性度。分析结果表明,与常规的双极板微型电容式压力传感器相比,新型结构压力传感器的线性度改善了48.38%,达到了1.6％。     

一种小量程风速风向传感器的设计

设计了一种基于微机械加工技术的风速风向传感器,传感器由四个相互正交的电容器构成,每个电容器包括可动极板和固定极板,此结构将风速和风向信息转换为可动极板的位移,通过测量四个电容器的电容来检测风速和风向。基于流体力学原理对传感器进行了分析,理论计算了传感器的输出电容和风速风向之间的变化关系,为传感器设计了一套基于MEMS的加工工艺流程。     

双动极板电容式压力敏感结构特性分析

在接触电容式MEMS压力敏感结构基础上,为扩展线性响应范围提高线性度,提出了双动极板电容式MEMS压力敏感结构.这种结构中电容的上极板和下极板均感压可动,其可动下极板对两极板的受压接触有缓冲调节作用,改善了响应性能.使用有限元法对结构的特性进行了仿真分析,讨论了结构参数对压力敏感结构性能的影响,结果表明双动极板电容式压...     

差动电容传感器在卷绕机偏移量测量控制中的应用

介绍了一种新型差动电容式传感器及其构成的控制系统。这种传感器由两片固定金属极板和一片可动极板形成差动式电容结构,在微小偏移作用下,通过动极板引起极板之间电容参数值的变化,进而实现对卷绕机微小偏移量的测量和控制。该控制系统结构简单,反应迅速,能够较好地应用于卷绕机纠偏装置中。     

一种新型静电斥力微驱动器的设计与仿真

在电容式MEMS微驱动器中,静电引力驱动最为常见,但介质充电会引起"粘连失效"等可靠性问题,而静电斥力驱动不存在这样的可靠性问题。首先通过有限元仿真软件了分析对比了静电引力和斥力的不同产生机理。针对静电斥力微驱动器驱动电压大、形变量小、难以满足实用化要求的缺点,在基本结构基础上设计一种四段支撑结构的静电斥力微驱动器结构,并研究了关键结构参数对可动极板变形量的影响,确定了最优结构尺寸。通过结构优化,可动极板最大变形量可以在80 V的驱动电压下从0.271μm增加到0.399μm,形变量得到显著提高。     

应用在拼接镜面中的电容位移传感器的结构性误差分析及校正

分析了子镜运动和电容传感器极板运动之间的理论关系并探讨了电容位移传感器读数的"结构性"误差的处理方法。基于电容位移传感器的工作原理,对极板为圆形的电容位移传感器提出了采用以位移的测量值和子镜转角为自变量的多项式拟合的校正方法。计算表明该误差处理和校正方法是简洁可行的。对于转角的拟合只需2阶,同时位移测量值只需4阶的多项式进行拟合即可使输出位移达到3 nm的精度。进一步分析表明,直接使用位移传感器读数计算极板转角,并对误差的主动校正控制非常有利于该多项式拟合,可一次性达到优于5 nm的校正误差,完全满足拼接镜面主动光学工程应用的技术要求。     

双波长集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法,利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640nm和660nm的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成,敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化,通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号,实现了一定范围内的扩量程位移测量,并得到绝对位置。实验结果表明,利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522μm,并实现了间隙从7.522μm到6.904μm区间的高灵敏度位移测量,其噪声等效位移为0.2nm。     

电容层析成像系统传感器设计新方法

在电容层析成像系统中,为了提高重建图像的精度,常用的方法是提高成像传感器的极板数目,以获得较多的图像重建所需的独立电容测量值数目,但这种方法是以牺牲检测场的灵敏度为代价的。该文提出了一种在有限极板数条件下通过改变极板的组合方式成倍提高成像系统的独立电容测量值数目的方法。仿真结果表明该方法在不降低检测场灵敏度的前提下提高了电容测量值数目,从而提高了图像重建质量。     

提高压力传感器过载响应速度的研究

介绍了一种提高硅电容压力传感器过载回零响应速度的方法,通过在传感器硅可动极板上设计、制作快速导油微结构,实现了传感器过载回零响应速度的大幅度提升,解决了传感器设计中一项关键技术难题,使硅电容压力传感器真正达到了实用化程度,满足了工业现场的实际使用要求。     

应用硅和非硅MEMS技术的微型直接甲醇燃料电池

分别以硅和不锈钢材料为极板研制了两种结构简单、体积小、比能量密度高的微型直接甲醇燃料电池,并介绍了该电池的工作原理和结构。利用光刻、溅射和腐蚀等MEMS技术完成了硅基微型直接甲醇燃料电池的制作,实验测试表明,在室温条件下,使用1.5 mol/L甲醇溶液供液时其开路输出电压为520 mV,最大输出功率密度达到5.9 mW/cm²;利用非硅微加工技术完成的不锈钢微型直接甲醇燃料电池,在室温下用2 mol/L甲醇溶液供液时开路输出电压为650 mV,最大输出功率密度达到15.8 mW/cm²。     

Using DQM method on residual vibration analysis of an electrostatically actuated microswitch structure

Using the Differential quadrature method (DQM) on Residual vibration analysis of an Electrostatically actuated microswitch structure is focused to study in this work. The application of external voltage between an electrode and a microbeam results in microbeam vibration during the transient period before the beam reaches its permanent position. The lifetime of a microswitch or a modulator is dependent on the number of switching-cycles it performs; therefore severe residual vibrations may reduce the lifetime of the micro-actuator and introduce operating delays. Consequently, understanding and controlling the residual vibration in a micro-actuator is paramount. In this study, the effects of design parameters on the dynamic responses of a microswitch were formulated and considered. The models proposed use the DQM combined with the Wilson- q method, to treat the nonlinear transient problem of microswitches, and simultaneously consider the effects of position-dependent electrostatic force, mechanical restoring force, and squeeze-film damping. Additionally, the effects of the electrode in various positions on the residual vibration of the microbeam were explored. Variations of residual vibrations with variously shaped beams and electrodes were simulated and studied to control the settling time of the micro-actuator. Analysis results indicate that the residual vibration of microswitches can be markedly changed by effects of the shape and tip thickness of beam, and length and position of electrode of an electrostatically actuated microswitch structure system.     

管壳体单工多力点挤压塑变模型研究

在现有的管壳体挤压机中,管壳体卡痕质量不稳定,挤压活动板是管壳体挤压机中保证卡痕稳定性的重要构件,如果改变向上推力在挤压活动板上的作用点位置,可能获取不同的管壳体卡痕质量,笔者采用单工位多平均施力点的发散施力方式构建管壳体挤压塑变模型,并运用专业分析软件Inventor对挤压活动板进行内应力、位移、形变、管壳塑变等分析,建立了管壳体单工位多力点挤压塑变模型,对于改善传统管壳体挤压方式产生了较大的影响,同时极大的提高了管壳卡痕稳定性。     

涡旋压缩机动涡旋盘端面摩擦副多转速下磨损影响分析

针对涡旋压缩机工作过程中动涡旋盘端面在常见工况下因表面磨损过大导致气体泄漏问题,以某型号涡旋压缩机为研究对象,建立动涡旋盘端面摩擦副受力分析模型,分析作业过程中动涡旋盘端面受载荷变化情况;利用有限元数值模拟得到动涡旋盘在典型工况下不同转速时端面摩擦副动态接触应力变化云图,在端面磨损实验机上测得动涡旋盘常用材料QT400磨损系数,通过修正Archard磨损模型并结合有限元磨损仿真计算出在不同转速下QT400的磨损深度值,并根据材料PV值原理设计实验方案分析QT400的磨损机制。结果表明：动涡旋盘转速越快,接触应力值较大的区域磨损深度值越大：材料磨损机制主要为疲劳磨损,随着载荷增大磨损机制不断向黏着磨损转化,并伴随有少量的磨粒磨损,该研究对涡旋压缩机动涡旋盘结构改进具有一定的参考价值。     

可溯源至质量的静电力复现与测量技术

为实现10-5 N以下微小力值的测量及溯源,提出了一种高精度、可溯源至质量的微小力值测量系统,采用受控静电力发生装置复现微小力值,其基本工作原理是基于一种精密设计的圆柱形电容器,电容器内外电极同轴,外电极固定不动作为参考电极,内电极由弹性机构支撑和导向,通过改变内外电极间的电压产生静电力,从而将力学量追溯至电容及电压等电学量,利用砝码质量与静电力平衡的原理,可以实现微小力值的溯源.实验结果表明:电容变化梯度为0.82 pF/mm,完全可以复现10-6～10-9 N范围内的静电力.     

铝板材电磁超声检测中波的产生与传播过程分析

针对电磁超声波如何在非铁磁性金属板中产生的问题,研究了铝板中电磁超声波的产生和传播机理。利用有限元分析软件对铝板受偏置磁场作用,铝板内感生出涡流,在涡流的作用下产生洛伦兹力,最后在该洛伦兹力的作用下铝板内的质点发生位移形成电磁超声波的4个过程进行了仿真。仿真结果表明,通有高频电流的线圈正下方会感生出交变的涡流;在平行于铝板表面的静电场作用下,铝板表面上的质点受到垂直于其表面的洛伦兹力作用;板内质点在此垂直力的作用下振动产生电磁超声波;查看质点各个方向位移的变化直观地看出电磁超声波的衰减很大。最后通过对单个质点位移的仿真分析得出了质点位移最大的方向。     

静电球轴承的力模型及起支仿真研究

针对工作于双边支承模式下的有源静电球轴承系统,导出了描述静电力非线性与耦合特性的幂次模型与近 似模型,并根据静电力的数值解对两种模型的误差特性进行了比较与分析。分析表明,幂次模型与近似模型分别 适于描述静电悬浮系统在支承与起支状态下的静电力特性。对实现静电轴承任意姿态起支的条件进行了分析,并 根据导出的静电力近似模型,给出了不同姿态下的起支仿真结果。     

基于有限元的亚微米级微进给装置性能分析与设计

介绍了一种新型的液压式微进给装置.在模型简化的基础上,给出进给装置结构设计公式.利用有限元软件ANSYS对结构变形进行分析,并在此基础上设计了微进给装置,对其特性进行了分析.分析表明进给装置能够同时满足输出与输入是线性关系,刚度高等特点.     

具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器.采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计.利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性.提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能.结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93℃,并对微夹钳产生约2.5 μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量.微驱动器仅消耗大约30.35 mW的功率,钳口的平面外运动小于500 nm.最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2 mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求.     

PMN-PZT多层厚膜微致动器的制作与分析

研制了一种用于计算机磁头精确定位的"U"形压电微致动器。该致动器由流延法在不锈钢(SUS304)基体上制备镁铌酸铅一锆钛酸铅(PMN-PZT)多层膜,并由丝网印刷工艺制作Ag／Pd内电极。在此基础上,在多普勒干涉仪(LDV)上对封装了压电元件的"U"形微致动器进行了测试。结果表明,该致动器具有优异的位移／电压灵敏度、谐振频率等特点。此外,有限元仿真进一步验证了多层结构的压电元件可以有效地提高压电微致动器的驱动能力。     

具有非对称分段线性刚度的超磁致伸缩微位移致动器的非线性分析

研究了超磁致伸缩微位移致动器的非线性动力学特性 ,分析了碟簧非对称分段线性刚度对微位移致动器动力学特性的影响 ,基于理论分析计算结果 ,研制出应用于精密机械加工的微进给系统的稀土超磁致伸缩微位移致动器 ,为实际开发换能器产品提供了设计依据