纤毛式MEMS传感器技术研究

首次综合国内外纤毛式MEMS传感器的研究成果,分别介绍了基于纤毛仿生原理的三维微触觉传感器、三维微力传感器、微声传感器、水流传感器、微几何测量传感器以及矢量水声传感器等。该类型传感器充分地将仿生学和MEMS技术结合起来,具有结构新颖精巧、体积小、功耗低、响应快、温漂小、精度高等优点,为开发具有自主知识产权的新型器件提供了新的思路。     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果.通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性.实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500 Hz时达到-189.6 dB(0 dB=1 V/μPa),并具有良好的"8"字形的指向性.     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果。通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性。实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500Hz时达到-189.6dB(0dB=1V/μPa),并具有良好的“8”字形的指向性。     

磁方位修正MEMS矢量水声传感器研制

介绍了一种磁方位补偿微机电系统(MEMS)矢量水声传感器.采用电容原理MEMS技术构造内部振子,并与信号处理电路紧靠方式设计,可减小噪声干扰并抑制信号衰减.利用磁方位修正技术,对MEMS矢量水声传感器判定的方位进行修正,解决了单个矢量水声传感器定向精度不高问题.传感器完成了国家一级计量站标定和磁方位误差修正测试,测试结果验证了定向方法的可行性,矢量水声传感器可实现水下目标探测、定位及导航等任务.     

基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向研究

MEMS矢量水听器不仅可以测量声压信号,还可以测量质点的振速信号,它具有与频率无关的偶极子自然指向性.单一的矢量水听器就能够测量水中的声压和质点振速.利用矢量水听器的这种特性,结合波束形成原理,采用数字信号处理(DSP)技术,设计了基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向系统,并进行了实际测试,结果表明:该系统能很好地实现对目标360°方位的定向功能.     

基于共振隧穿二极管的矢量水声传感器设计

提出了一种基于共振隧穿二极管(RTD)的矢量水声传感器,传感器采用共振隧穿二极管作为敏感元件,共振隧穿二极管布置在传感器结构中柱体的四周边缘.两个反方向变化的基于共振隧穿二极管的振荡器的输出信号通过信号处理电路预处理后输入微处理器,计算出声源水平方位角和声压.分析并设计了基于共振隧穿二极管的振荡电路、矢量水声传感器物理结构以及制作工艺,讨论了传感器信号处理方法.     

热激励谐振式硅微结构压力传感器

对一种以方形硅膜片作为一次敏感元件;硅梁作为二次敏感元件的硅谐振式压力微传感器进行了研究:建立了微传感器敏感结构的数学模型;敏感结构参数:方形膜边长4 mm,膜厚0.1 mm,梁谐振子长1.3 mm,宽0.08 mm,厚0.007 mm;对原理实验样件采用电热激励、压阻拾振方式作了开环测试,讨论了传感器的闭环系统.     

一种MEMS同振柱型仿生矢量水听器的研制

提出了一种结合MEMS技术、仿生原理和压阻原理的同振柱型矢量水听器,即由二维仿生水听器和声压水听器组合而成的柱体。在声学理论基础上详细介绍了该水听器的封装设计及制作过程,在国防水声一级计量站对该矢量水听器进行校准实验,实验结果表明:该同振型矢量水听器的工作频带范围为0～3 kHz;X通道灵敏度-177.9 dB(2 kHz),Y通道灵敏度-175.4 dB(2 kHz),声压通道灵敏度-175.8 dB(2 kHz);具有很好的"8"字指向性;可承受3 MPa压力。此新型MEMS同振矢量水听器适用于民用船只避障,渔业捕捞,海洋勘探等领域。     

控制六足仿生机器人三角步态的研究

基于仿生学原理,在分析六足昆虫运动机理的基础上,对六足仿生机器人的三角步态运动原理进行了分析.论文涉及六腿机器人步态研究的一些基本参数的描述,讨论了用相对运动的原理研究步态的方法,结合慧鱼机器人组合包中的构件拼出六足仿生机器人.该机器人模型结构简单,设计独特,能前进和后退,且能避开小型障碍物.基于三角步态运动原理对其进行了反复实验,实验结果表明六足仿生机器人具有较好的机动性和稳定性.     

一种基于ARM的仿生偏振光测试系统的研究

针对研制仿生导航微纳传感器的需要,设计了一种以光电二极管为光电转换元件、以ARM微处理器为控制核心的仿生偏振光测试系统.分析了仿生偏振光测试的原理,并对测试系统的硬件设计及基于实时操作系统uC/OS-Ⅱ的软件开发进行了详细的阐述.该测试系统成功实现了对特定波段(370 nm-520 nm)的偏振光信号的采集,并利用三路信号进行了定位角度的计算.     

Advancements in technology and design of NEMS vector hydrophone

This paper reports on recent developments to improve the performance of hair vector hydrophone by means of several technological advancements in the fabrication procedures and corresponding sensor design. With fish’s lateral line organs as prototypes, NEMS (Nano-Electromechanical System) vector hydrophone with directivity has been designed. This paper describes the meso-piezoresistance effect of resonant tunneling thin-film, and the NEMS hydrophone based on this effect is highly sensitive and small size. The application of bionics structure may improve the low-frequency sensitivity of hydrophone. The calibration test shows that NEMS vector hydrophone’s receiving sensitivity is up to −170 dB (0dB = 1 V/μPa), has a good directional pattern in the form of “8” shape. The sea test shows that the direction of target can be detected by single NEMS vector hydrophone. In the anechoic tank, it has been verified that NEMS vector hydrophone can track the trajectory of the moving target.     

应用匹配场实现单矢量水听器被动定位

将匹配场原理应用到单矢量水听器上,实现对目标声源的被动定位。对常用的2种Bartlett处理器进行仿真分析,提出了一种改进的Bartlett处理器,可以抑制旁瓣个数并提高主瓣强度。通过试验数据分析,在1.3 km的范围内,接收信噪比不低于10 dB时,测距和测向误差可以控制在10%以内。该研究为单矢量水听器的实际应用提供了重要的参考依据。     

MEMS矢量水听器阵列信号处理研究

MEMS矢量水听器是一种新型的水声传感器,对这种传感器的原理进行了简要介绍。为了验证该MEMS矢量水听器阵列的目标估计性能,进行了矢量阵的深海实验研究,选取了MUSIC算法应用于该MEMS矢量阵。实验结果表明:在复杂海洋环境中,该MEMS矢量阵能够实现对目标的方位估计和水下运动目标的航迹跟踪,从而验证了该MEMS矢量水听器成阵的可行性,为工程化应用奠定了基础。     

低频矢量水听器目标绝对方位估计海上试验研究

矢量水听器技术目前已被广泛应用于目标到达方位估计领域。因其具有与频率无关的指向性特点,即使利用单个矢量水听器也可以测定低至几十赫兹的低频目标方位,而标量水听器在低频的到达方位估计则需要巨大孔径的阵列才能完成上述测量功能。针对矢量水听器这一优点,对低频(100～300 Hz)声信号的方位估计性能进行了海上试验研究,并结合罗经同步测得的平台方位数据,给出了目标在大地坐标系下的绝对方位。海上试验结果表明:矢量水听器低频方位估计结果与GPS测量结果一致,在3.6km距离范围内,到达方位估计标准差不超过5°。     

流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响

由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器具有低频、灵敏度高等性能特点,但是由于流体的影响,水听器微结构在空气中的共振频率与液体中不同,为此研究了流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响。首先,理论上分析了流体对共振频率的影响。然后,采用ANSYS对空气中和液体中MEMS矢量水听器的共振频率进行仿真。最后分别采用振动台和矢量水听器校准系统进行了测试。结果表明MEMS矢量水听器在水中的共振频率较空气中下降了约31.2%。     

声传感器阵列的实验研究

海洋中对目标的判决主要依靠于水听器阵列对水声信号的检测。为了对比声压阵与矢量阵对信号的检测能力,首先计算机仿真了声压阵和矢量阵的增益及其对目标方位的估计,而后加以实验验证。实验结果表明,矢量阵的增益高于声压阵,且其克服了声压阵左、右舷模糊的问题,能精确的对目标方位进行估计并完成对水下运动目标的航迹跟踪,从而验证了矢量阵的优越性。     

光纤Bragg光栅水听器的实验研究

根据光纤Bragg光栅的传感原理,提出了一种新型水听器———膜片式光纤Bragg光栅水听器,并对其可行性进行了研究。实验表明:膜片型光纤光栅水听器可准确检测水声信号。     

Modeling and characterization of a micromachined artificial hair cell vector hydrophone

In the paper, a micromachined artificial vector hydrophone arises from a biological inspiration, the fish hair cell is presented. It is desirable that the application of piezoresistive effects combined with ingenious bionic structure and MEMS technology may improve the low-frequency sensitivity of the vector hydrophone as well as its miniaturization. Modeling processes for realizing the artificial hair cell hydrophone, along with preliminary characterization results in terms of sensitivity, frequency response and directivity patterns are also introduced. The microstructure of the sensor consists of four vertical cantilever beams with attached rigid plastic cylinder in the center of the structure. By locating eight piezoresistors logically formed the Wheatstone bridges; they can detect two components of underwater acoustic signal simultaneously. The prepared vector hydrophone has been measured in the standing wave field finally. The experiment results show that the vector hydrophone has good low-frequency characteristic, the free-field voltage sensitivity is −197.2 dB (0 dB = 1 V/μPa) at 400 Hz with a about 2 dB one-third octave positive slope over the 40–400 Hz bandwidth. The depth of pits of the directivity pattern is about 34.6 dB.