一种新型微结构气体传感器电极设计分析

利用铂作为电极材料,SiO2作为隔热层,在单晶硅衬底上,设计了一种新型微结构气体传感器的电极结构。这种共平面型电极结构消除了加热器产生的磁场对测量信号的干扰。通过有限元分析工具分析加热器和信号电极在不同宽度与间距下的温度分布。当加热器宽度为100μm,信号电极宽度35μm,间距为70μm,传感器获得均匀的温度分布和低功耗,有利于传感器整体性能的提高。     

大位移多折叠梁静电驱动器的设计及力学性能分析

针对现有微静电梳状谐振器用作驱动器时输出位移极小的弱点,提出一种结构新颖、输出位移大、能工作于谐振状态和静电力状态下的多折叠梁微静电驱动器设计方案.建立该驱动器的力学分析模型,给出位移、弹性系数和谐振频率的解析公式.研究表明,当特征尺寸相同时,与常用的直脚型和蟹脚型谐振器相比,在相同电压下其输出位移可提高7倍～14倍,而在相同最大应力条件下其位移输出能力可提高4倍～9倍.     

面向结构形状控制的驱动器结构参数与控制电压协同优化设计

飞机翼面结构形状的控制设计是提高飞机性能的关键技术。本文以压电纤维复合薄膜（Microfiber Composite,MFC）为驱动器,研究了协同优化设计MFC驱动器结构参数与控制电压以使飞机翼面结构具有理想形状的方法。以MFC的电极宽度、电极指间距、MFC厚度、压电陶瓷体积分数等驱动器结构参数以及控制电压为设计变量,以控制偏差最小为优化目标,以驱动器的击穿电压为约束,建立了驱动器结构参数与控制电压协同优化设计的模型;通过分析MFC驱动器结构参数对驱动性能的影响,给出了最优的驱动器结构参数;针对类似机翼翼面形状的平板扭转型面,给出了驱动器结构参数与控制电压协同的最优控制设计。设计结果表明：对于扭转变形,多个不同控制电压控制的型面均方差是相同控制电压控制均方差的45%,分析结果验证了本文所建立的协同优化设计方法的有效性。     

毛细管电泳芯片非接触电导检测系统设计

针对毛细管电泳芯片检测系统的微型化,基于ARM11微处理器和嵌入式Linux操作系统,通过自制激励源与信号检测电路,编写驱动程序和上位机软件,设计了一款体积较小的用于毛细管电泳芯片检测的非接触电导检测系统。激励源交流电压频率在10~400 k Hz之间连续可调,电压幅值在0~10 V变化。通过使用电极宽度为1 000μm、电极间距为800μm的电泳芯片对系统进行测试,在频率100 k Hz、10 Vp-p的激励信号下,对浓度为10-3mol/L的氯化钾溶液进行检测,可得到相对峰值大于200 m V的检测信号。     

二自由度大行程无耦合压电粘滑定位平台

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构,并通过预紧螺钉调整接触摩擦力,进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型,并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后,搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明：在扫描驱动模式下,驱动电压为150 V时,平台x和y向的输出位移分别为63.84μm和62.61μm,耦合比为0.52%和0.59%,分辨率为6.5 nm和7.2 nm;在步进驱动模式下,驱动电压为120 V时,平台在x和y向的单步位移分别为47.31μm和47.20μm,耦合比为0.69%和0.73%,x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49,0.47,0.47和0.42μm,最大垂直负载为50 N,设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。     

一种改进型梁-岛-膜压力传感器的研究与设计

研究了一种量程为800 kPa的改进型梁-岛-膜结构MEMS压阻式压力传感器,通过与常见的C型和E型结构进行仿真对比,证明这种改进型结构的传感器灵敏度得到了很大提高。采用IntelliSuite仿真分析最大等效应力、挠度和输出电压,得出在中心膜尺寸为2.6 mm×2.6 mm×60μm,梁尺寸为400μm×200μm×60μm,岛尺寸为1.3 mm×1.3 mm×370μm的情况下,该结构具有较高的线性度和灵敏度,同时进行了制版与加工流程定义。为了实现结构的优化,设计了压敏电阻的尺寸和阻值,通过对改进型结构的仿真,确定了获得最大电压输出时压敏电阻的尺寸;并分析比较了同一硅杯尺寸下3种结构不同压力下的最大等效应力、挠度和输出电压分布图,得出改进型结构灵敏度最佳。     

新型微机械变形反射镜研究

提出一种新型的静电驱动微机械变形反射镜，研究了静电力驱动的静态模型和动态模型。结果表明，驱动器的变形位移随驱动电压的增加出现稳定的非线性增加和不稳定的“拉入”现象；当变形镜由余弦电压驱动时，平衡位移的响应为2倍频的余弦信号；变形镜驱动电压撤除后驱动器上电极薄板经过17μs回复到驱动前的未变形状态。所得结果对于设计微机械变形镜具有重要意义。     

尺蠖型压电直线驱动器的动态特性

分析了尺蠖型压电直线驱动器的结构原理,建立了驱动器系统动力学模型。对驱动器定子进行了模态分析,并对分析结果进行了评价。对设计开发的驱动器样机输出特性进行了试验测试,实验测得驱动器单步输出位移稳定可靠,100 V驱动电压下,单步输出位移为9.8 μm。对驱动器直线动子的速度、加速度特性进行了测试,依据速度、加速度信号进一步分析了驱动器的动态响应特性。实验结果表明,所开发的驱动器具有动态特性好、运动稳定等优点。     

基于旋转磁铁箝位的压电尺蠖驱动器理论与试验分析

为简化压电尺蠖驱动器信号控制系统并降低摩擦磨损,提出了一种基于旋转磁铁箝位的新型压电尺蠖驱动器。该驱动器利用直流电机带动永磁体转动实现交替箝位,通过激光对射传感器感知永磁体位置产生的激励信号来驱动压电叠堆实现精密直线位移输出。优化了驱动器结构的相关参数,制作了压电尺蠖驱动器样机并对其进行试验测试,结果表明:驱动器性能稳定,最小分辨率为0.119μm,最高速度和最大载荷分别为481.43μm/s、950 g。     

基于压电悬臂梁的驱动器与传感器性能分析的精确解析模型

三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势,进而改变材料整体电势分布,本文考虑此变形和电势耦合效应,基于欧拉-伯努利梁变形理论,推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响,建立了三层压电梁结构的控制方程;建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式,以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比,验证了所推导的解析表达式的准确性。     

三角放大型压电陶瓷微纳米驱动机构

提出了一种基于小压电陶瓷条的三角放大型微纳米驱动机构。该机构由两个1.6 mm×1.6 mm×5.0 mm的小压电陶瓷条、三角对称型伸缩臂、大顶角柔性铰链（扫描端）及基座组成,由小压电陶瓷条驱动伸缩臂运动,基于大顶角三角形的放大原理,获得高放大倍率的扫描端输出位移。理论分析与有限元仿真表明,当三角对称型伸缩臂与底边的夹角为6°时,扫描端的位移量与小压电陶瓷条的伸缩量之比可达9倍左右;当驱动电压为80 V时,相比于小压电陶瓷条的伸缩量3.2μm,扫描端的位移量理论值可达29.5μm。显微运动测量实验表明,在相同驱动电压下,扫描端的实际位移量达到26.6μm,实际位移放大倍数达到8.3倍。将该机构作为原子力显微镜的慢轴扫描器,成功实现了基于小压电陶瓷条的宽范围原子力显微镜扫描成像（4μm×26μm）,具有良好的分辨率、对比度和线性度。该机构具有原理新颖、结构简洁、成本低廉、性能优越等特点,可望在光学、精密机械及微纳米技术领域获得广泛的应用。     

基于刚度矩阵法的V型电热微驱动器模型与性能分析

采用单元刚度矩阵法推导并建立V型电热微驱动器的静态力学模型,获得电热微驱动器的输出位移随温度载荷与外力载荷变化的关系表达式。根据此模型,电热微驱动器的输出位移随着温度载荷、梁的长度、宽度的增大均呈现单调上升趋势,而随着负载力的增大单调减小;输出位移随着V型梁的倾斜角的增大先是增大随后减小,并且当倾斜角较大时,微驱动器本身的刚度较大,但输出位移较小;最后采用有限元仿真验证了此模型的有效性,并提出在一定温度载荷与外力载荷作用下V型电热微驱动器预期输出最大位移的优化设计方案。     

厚镍板的微细电解线切割加工技术研究

采用超短脉冲电流技术进行微细电解线切割加工,脉冲电压是决定所能加工厚度的关键因素之一,提高超短脉冲电压可以在有效抑制杂散腐蚀的同时切割加工厚度比较大的工件。构建了线电级往复运丝的微细电解线切割试验系统;工件为800μm的镍板,线电极为直径10μm的钨丝;采用正交试验研究了脉冲电压、脉冲宽度、脉冲周期和电解液浓度对加工精度的影响;选用实际最优参数在厚800μm的镍板上切割加工出了宽度约为35μm的悬臂梁结构。     

介电型电活性聚合物圆柱驱动器特性

介电型电活性聚合物(Electroactive polymer, EAP)驱动器的动、静态特性是其合理使用及优化设计的重要依据。构建圆柱形驱动器几何模型描述其几何变形,结合EAP膜机电耦合方程推导驱动器轴向线性运动的动力学方程。驱动器的电压-位移数值计算结果显示内外层EAP膜柔性电极涂覆方式会影响驱动器位移。基于驱动器的电压位移关系,对其主要失效形式进行讨论。将基于neo-Hookean弹簧的1个时间常数黏弹性模型修正为具有2个时间常数的模型,并将2种模型运用于阶跃和周期电压激励下的驱动器动态响应研究。理论计算与试验结果的对比分析表明,2个时间常数的黏弹性模型对驱动器的动态位移描述更为准确。在周期激励电压下,提高频率会显著减小驱动器位移幅值,驱动器的“激励死区”会减小其振动中心偏移及振动幅度。     

刷片式微过载开关的设计

设计了一种刷片式微过载开关,其结构由绝缘基底、检测质量块、折叠梁、电刷臂、导电片及盖板组成;电刷臂上施加了预压力使之与导电片可靠接触.在外界加速度作用下,检测质量块发生位移,带动电刷臂在导电片上滑动,可实现常开状态的接通,也可实现常闭状态的断开.利用有限元软件ANSYS对开关结构进行了仿真分析,确定了合适的结构参数,提出了加工方案.     

基于压电纤维的微位移驱动器的研究

基于压电纤维复合材料特性研究,设计了一种新型的压电式微位移驱动器,它能够实现60μm的行程和亚微米量级的定位精度。对驱动器的电压-位移特性、分辨率以及迟滞和蠕变特性进行了实验研究,研究表明,相比于传统的压电陶瓷式微位移驱动器,这种新型的压电纤维微位移驱动器拥有更大的行程和更好的位移线性关系。本研究对压电纤维复合材料在微驱动方面的研究奠定了理论基础。     

杠杆式尺蠖压电直线驱动器

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。     

Z型压电振动能量收集装置

为解决压电振动能量收集结构难以同时满足宽频带、三维、高效采集等要求的问题,提出一种以Z型梁代替集中质量块的压电振动能量收集结构。通过Z型梁引入非线性质量,使收集器在低频范围内集中更多模态,拓宽采集频带。利用Z型梁结构的纵向和横向不稳定性实现收集器的三维度能量采集功能。分析了Z型梁在宽度增加后的动力学特性,探讨了压电片阵列排布的采集性能,并建立仿真模型和搭建实验平台,与螺旋形梁结构和经典悬臂梁质量块结构的动力学特性进行了对比。仿真及实验结果表明:当梁折叠层数为7层时,频率在50 Hz以内的模态数量达到了9个,在1～100Hz间隔1Hz的谐波激振下,Z型压电梁正向的采集电压-频率曲线峰值多达4个,且主要集中在0～40Hz,最大开路电压达到16V,大大拓宽了采集频带;横向和纵向的最大开路电压峰值均在10V以上,横向和纵向的采集电压-频率曲线峰值数量均大于4个,实现了三维度能量采集,负载10kΩ时最大输出功率达到了0.18mW;在Z型梁宽度增加到100mm时,在200Hz范围内模态数大于30个,双贴片串联采集电压曲线峰值多达4个,最大电压达到了14V,验证了Z型梁适用于压电片阵列排布。     

新型共平面微气体传感器微热板的优化设计

利用金属铂良好的热敏、热阻特性,以及Si O2良好的绝热、绝缘性能,设计了以铂为加热电极、以Si O2为绝缘材料的新型共平面微结构气体传感器。为了使该传感器获得高且均匀的温度分布,利用有限元软件ANSYS对该传感器的电极和基底进行仿真分析,并进一步优化该传感器的基底以及电极参数。仿真结果表明:传感器基底形状设计为方形结构,基底的前Si O2层、中间Si层、后Si O2层的厚度依次为1、199、100μm,且加热电极的宽度及间距均为20μm、信号电极宽度为40μm时,传感器上获得了最佳的温度分布,此时的磁场分布也较好,有利于传感器整体性能的提高。     

微气体传感器微热板的优化设计

基于铂的热敏热阻特性和Si O2的绝热绝缘特性,设计了一种以铂作为电极材料,Si O2作为隔热层和绝缘层材料的微气体传感器的硅基微热板结构。利用有限元分析工具对微热板的基底和电极分别进行了设计和优化,并分析了微热板的热场和磁场分布。当基底设计为前Si O2层、中间Si层、后Si O2层3层结构且厚度分别为25μm、100μm、175μm,加热电极宽度为150μm时,微热板能够获得高且均匀的中心温度。该电极结构有助于消除磁场对测量信号的干扰,提高了传感器的整体性能。