微机电系统发展动向

微机电系统（MEMS）自1988年迄今,已从初期的探索、研究和创新阶段转向了生产与应用的成熟阶段．与此同时开辟了很多新领域．对于在今后5—10年中MEMS研究和发展的动向,专家们因其背景不同而看法各异,笔者选用现有实例来说明．从现在的趋势看,传统微机电系统的未来动向可以概括为4个方面．①把“传统”的、成型的MEMS元件或系统改进后,推向大规模应用,以支持持久的研究和开发;②传感器和微系统网络,当单一效能的系统在应用上建立后,可以开拓大型系统的应用;③新的材料,使用硅或半导体以外的许多材料制作特殊的微系统;④发展新的应用领域将是“非传统”的MEMS的主要动向,这些新的领域有生物研究和医药用仪器设备,微能源无线通讯和光通讯,环境保护和监测,以及纳米系统等．笔者根据一些从事MEMS教育和研究的人员的看法．对其发展动向作一简要报告,为MEMS计划工作者提供一些参考．     

利用频闪成像方法进行微机电系统的计量

为了实现MEMS器件的计量,一个基于频闪成像原理的MEMS动态测试平台被构建,用于在全频率、相位和电压输入范围内表征器件的全三维运动。系统利用高亮度LED和LD作为脉冲光源,有效冻结MEMS器件的面内和离面运动,能在从静止状态到1MHz很宽的频率范围内对MEMS器件进行表征,达到了纳米级分辨力。通过实验对一个微谐振器进行了三维运动测量,在扫频和扫幅两种工作模式下,配合强大的数据分析软件,给出器件运动的幅频和相频特性曲线,为分析器件的动态性能提供了可靠数据。     

微机电系统微摩擦测试技术研究

为解决微机电系统存在的微摩擦问题,提出了一种以光反射为基础的微摩擦测试技术。探讨了该测试方法的基本原理和实施步骤,设计研发了微机电系统的微摩擦测试样机,详细分析了该测试系统计量标定的完整过程,最终得到了该系统的计量测试数据及曲线。通过对Cu-Si、Al-Si表面进行微摩擦实验测试,得到了Cu-Si、Al-Si表面的μm量级微摩擦系数,有效验证了该测试系统能够满足微机电系统微摩擦测试的需要,同时,也为微机构运动特性的理解及设计提供了依据。     

微流量泵与微流量传感器的系统集成

介绍了一种实现微流量泵与微流量传感器系统集成的方法，该方法利用双金属驱动微流量泵驱动结构的特点，在微泵双金属驱动单晶硅膜上集成制作微流量传感器，使驱动单元既有驱动功能又有流量检测功能，为进一步实现微流量控制系统奠定了基础。     

微机电系统

分析了微机电系统发展的可能性、必然性和对科学与经济发展的巨大意义。总结了发展微机电系统的若干主要的工艺技术。介绍了微机电系统当前的进展与发展前景。     

微机电系统在计量领域的应用

正一、微机电系统的发展现状微型机械电子系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)是指由微传感器、微执行器、信号处理和控制集成电路以及微型能源等组成的、高度集成化的、具有信息获取、信息处理以及信息输出和控制功能的微型系统(Micro Systems),俗称微机电系统。它是在集成电路(IC)加工技术基础上发展起来的新兴研究领域,涵盖力学、电磁学、热力学、化学、光学、材料科学等多个学科,是21世纪最有发展前途的技术之一,被誉为第二次硅技术革命。对于MEMS的定义,还没有一个统一的确切描述,各个国家基于各自不同的发展背景和认识上的侧重点,提出了几种不同的定义。     

微机电系统径向气体轴承特性研究

充分考虑气体滑流边界条件的影响,结合硬球分子模型,提出一种可变温度二阶滑流修正Reynolds方程,并运用Newton-Kantorovich法(NKM)分析微机电系统(MEMS)径向气体轴承的特性,结果表明,微气体轴承与传统气体轴承相比,其承载能力有所降低;在大偏心率条件下,随着温度的升高,工作气体粘度及其分子平均自由程增大,使微气体轴承的承载能力进一步降低;针对微旋转机械转速高、长径比小等特点,讨论了转子转速、长径比及温度对径向微气体轴承特性的影响。     

形状记忆合金薄膜在微机电系统中的应用

形状记忆合金（SMA）薄膜因其特有的形状记忆合金效应，超弹性行为以及薄膜材料所特有的优越性能，而在微机电系统中的微驱动器和微传感器方面极具应用潜力，本文主要介绍了以TiNi基合金为主的形状记忆合金薄膜在微驱动器和微传感器上的国内外应用性研究现状，并展望了其未来的发展趋势。     

用于微机电系统的磁流体微泵的研究

利用外磁场及其运动控制微机电系统中的磁流体的运动,成功地设计了磁流体微泵,试验表明:磁流体微泵的输出压力最高达到1180 Pa,输出流量最大可达50μl/min,磁场转速和输出压力、输出流量的在低转速时几乎线性关系,但超过一定的转速,输出流量和压力将迅速下降.为微机电系统提供可靠的驱动元件.     

微机电系统的发展及其应用

微机电系统是在微电子技术基础上产生和发展起来的多学科交叉的前沿科学研究领域，是面向21世纪的高新科技．介绍了微机电系统产生的背景影响、组成特征和基础研究内容，综述了微机电系统技术基础所涉及的材料、微机械设计和模、微细加工技术以及微封装与测试等领域，并对微机电系统的应用、典型的微器件、国内外的发展现状及前景进行全面分析．在此基础上，论述了MEMS技术目前存在的问题和未来发展的趋势．     

横向负载下三维微触觉传感器的力学模型

提出了一种用于微结构几何量测量的MEMS三维微触觉式传感器在横向负载下的力学模型,用于指导传感器的设计和优化．对传感器的整体刚度、敏感梁的应力分布、检测灵敏度及线性灵敏度进行了计算．利用ANSYS有限元仿真方法模拟了传感器的应力分布,分布曲线与理论曲线的偏差小于3．87％,最大应力的仿真和理论偏差小于3．63％．通过一个已完成传感器的性能标定,灵敏度的实验和理论误差为7．79％,实验值线性误差为0．2％．     

低碳钢TIG焊电涡流传感熔透控制原理的研究

本文提出了一种用电涡流传感控制熔透的新方法。采用步进式ＴＩＧ焊，利用计算机控制，对薄反低碳钢平板堆焊的熔透控制进行了研究。研究结果表明：该方法能够实现对焊点焊接时间的实时控制，获得均匀稳定的焊缝成形。     

消声器内部流场的数值模拟

通过建立消声器的内部流场的物理模型和数学模型,利用Fluent软件对其流场进行了数值模拟,并就消声器内部流场对消声性能的影响进行了分析,为消声器的结构设计提供了一种可靠的指导方法。     

磁性液体倾角传感器研究

利用永磁体在磁性液体中悬浮的特性,提出了一种新型一维倾角传感器,给出了该传感器的工作原理,设计了传感器样机。采用实验方法测试两个永磁体间磁斥力曲线,并据此确定传感器主要结构参数和特性参数,得到其倾角检测灵敏度表达式。设计了传感器中运动部件的位移的检测电路及转换电路。实验结果表明,当倾角在-18°～18°之间时,输出电压与倾角间成线性关系,其分辨率为0.04°;当倾角在18°～90°（-18°～-90°）之间时,输出电压与倾斜角的关系为非线性关系,且分辨率逐渐降低。该传感器结构简单,无磨损部件,为倾角测量提供了新的途径。     

微平板热管导热性能测试系统

为精确评价微平板热管的导热性能,搭建了微平板热管的热性能测试系统,该系统按功能主要分加热/冷却、信号测量、视觉采集和数据处理与记录等.为减少输入热量散失,整个测试系统在真空环境中进行,保证了热量能有效通过微平板热管输出.系统中测量了微平板热管的输入热流以及蒸发段、绝热段、冷凝段3部分的温度,通过计算得到热阻和当量导热系数两个热性参数.输入功率为2W时,对灌注工质和未灌注工质的微平板热管进行测试,结果显示:灌注工质的热管与未灌注工质的热管对比,导热系数大约提高3倍,热阻降低3.5倍.本文建立的测试系统可用于微平板热管的导热性测试及评价.     

热式微小流量传感器温度场及信号提取分析

热式流量传感器由于其结构简单、没有机械运动部件等固有的优点,在微小流量测量领域具有明显优势.针对微小气体流量测量领域毛细取样管路及其内部气体流体,进行热力学、流体力学理论分析,配合信号处理电路的分析,提出了消除环境温度影响的电路方法,同时使用MATLAB语言,用数值计算方法,获得了气体流量与毛细取样管路温度场之间的关系...     

基于Fluent的气液两相流喷嘴内部流动特性仿真

目的探究气液两相流喷嘴内部流动特性及工作参数对流动特性的影响。方法测量得到气液两相流喷嘴的结构图,利用Fluent软件建立喷嘴模型,并选择流体体积(VOF)两相流模型和RNG(重整化群)k-?湍流模型,以常温状态下液态水和空气为研究介质,并以气压和液压为变量,进行多参数的流动特性分析,并引入气液比的概念。结果得到了不同时刻喷嘴内部的压力、速度及液相分布云图。其中最大压力为827 kPa,出现在出口段和进气段交叉的壁面上,由于喷嘴内部出现缩口,故出口段存在负压(?1.53 MPa);喷嘴内部最高速度出现在气液两相交汇处,为134 m/s;液相在最初迅速充满喷嘴后,逐渐与气相混合,最终出口段中心液相体积占比为0.543,混合情况良好。还得到了多参数对喷嘴内部压力、速度及液相分布的影响。结论使用软件仿真的方法得到了喷嘴内部的流动特性和多参数对流动特性的影响规律,并为进一步研究优化喷嘴结构及喷雾提供了建议和参考。     

一种基于微型压力传感器的气压高度计设计

基于微型绝压传感器和高度气压关系式,研制了一种气压高度计.高度计的电路由恒流源、专用处理电路、低通滤波器和模/数转换芯片组成.对高度计的性能参数进行了测试.全系统重量小于7 g,工作电压为5V,工作电流小于10 mA.高度计可以在-50 m～600 m的高度范围内工作,且分辨力可以达到0.5 m.温度漂移和气压变化会导致高度测量误差,为此设计了一种GPS辅助算法.相应的飞行试验也已完成,结果表明高度计可满足微型飞行器的要求.     

基于近红外面源传感器的气液两相流相含率测量

针对传统近红外点对点探头传感器测量存在盲区、数据精度低等问题,提出并设计了一种基于近红外面源传感器的气液两相流相含率测量装置,并对其进行研究。该装置有效减小了近红外光的折射与反射,提高了测量的精确度。通过CFD流体仿真软件模拟了管道内流体的流动状态,并对该装置的结构进行了仿真及优化。在单相流实验的基础上进行气液两相流动态实验,得到了4路近红外信号与相含率的关系,建立了相含率测量模型,数据导入修正模型分析得到的相含率测量相对误差在±3.5%以内。     

基于十字型天线微波传感器截面含气率测量

为了克服两相流流型对气液两相流含气率的影响, 基于微波技术,设计了基于十字型天线结构的微波传感器。该传感器由水平和竖直双天线组成,可以很好地感应截面上含率值,提高测量准确性。同时对大量的截面含气率模型进行了研究,并参考科学有效的统一评价标准,通过标准装置给出体积含率得到截面含气率的参比真值。利用流动实验数据拟合得到含气率公式,并验证了公式准确性,结果表明传感器测量值与L-M模型具有很好的一致性,微波传感器测量的截面含气率的平均误差在2%以内。