室温微测辐射热计线性阵列的设计与制作

对微测辐射热计的微桥结构进行了优化设计.采用多晶锗硅Poly-Si0.7Ge0.3薄膜电阻作为微测辐射热计的探测敏感元件,结合微机械加工技术制作了8×1微测辐射热计线性阵列,制作工艺温度小于650℃,微桥桥面面积为100μm×100μm,由两臂支撑,支撑臂的长L和宽W分别为220μm和8μm.     

应用于微测辐射热计的12位SAR ADC的设计

针对红外探测微测辐射热计的应用,设计了一种12位全差分高速低功耗逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。该设计采用了新型的电荷重分配型数模转换器(DAC),通过对高位码字(MSB)段与低位码字(LSB)段采用两种不同参考电压的方案,使电路在保证性能的同时降低功耗与面积。电路基于CSMC 0.18μm CMOS工艺,对模数转换器整体进行仿真,当采样频率为5 MSPS,输入频率为195.3 kHz的正弦波信号时,输出信号的无杂散波动态范围(SFDR)为74.1 dB,有效位数为10.66 bit,功耗为200μW,品质因数为24 fJ/conversion-step。     

一种新型CMOS数模转换器的设计与仿真

设计了一种基于R-2R倒梯形电阻网络结构的8位CMOS数模转换器。数模转换器输入采用并行数字输入结构,输出采用模拟电流输出方式,基准电压源采用CMOs带隙基准电压电路,该电路综合了电路启动、温度补偿和电流反馈等技术,通过适当调节电阻,使输出电压具有较低的温度系数。采用Hspice作为设计电路模拟仿真分析的软件工具,仿真结果表明,在5V工作电压下,建立时间小于50ns,电路的积分与微分非线性误差均小于5LSB,功耗小于40mW,达到了设计要求。     

压电微定位台的率相关动态迟滞建模及参数辨识

针对压电微定位台固有的率相关迟滞非线性严重限制其微定位精度的问题,研究了基于Backlash-Like的Hammerstein率相关迟滞非线性模型及其建模方法。以改进的Backlash-Like分段辨识模型描述压电微定位台的静态非线性特性,结合ARX(Auto Regressive eXogenous)模型,建立描述压电微定位台的率相关动态迟滞模型。同时,针对传统的粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)进行模型参数辨识时易陷入局部最优的问题,提出一种具有交叉变异策略的改进型粒子群算法进行模型的参数辨识。实验结果表明:与传统的Backlash-Like模型相比,改进的Backlash-Like分段辨识模型在输入电压为60V,频率为2Hz的信号时,模型辨识的最大误差由0.68μm下降到了0.104μm,最大相对误差由2.69%下降为0.35%。当压电微定位台输入电压为60V,频率分别为30Hz,60Hz和90Hz的单频信号时,Hammerstein率相关迟滞模型较Backlash-Like分段辨识模型,均方根误差由0.393 1～0.700 6μm下降至0.054 1～0.190 4μm,相对误差由1.721%～3.087%下降至0.236%～0.831%。验证了基于改进Backlash-Like的Hammerstein率相关迟滞模型较传统的Backlash-Like静态迟滞模型能精确地描述压电微定位台的率相关动态迟滞特性,具有较好的频率泛化能力,提高了压电微定位平台的定位精度。     

基于误差灵敏度的静电刚度式谐振微加速度计频率鲁棒性设计

运用误差灵敏度分析理论对静电刚度式谐振微加速度计在工艺误差下的初始谐振频率进行鲁棒性设计,通过解析法建立频率鲁棒条件下的机电耦合参数关系,指出合理的机械结构尺寸关系与合理的静电场电压调节都可以提高加速度计的频率鲁棒性,从而大大地降低结构设计难度与工艺加工要求;根据静电刚度式谐振微加速度计的刚度耦合特性及微加工工艺的不成熟性,频率的鲁棒性是通过驱动电路电压调节来实现的,从而说明了在微电子机械系统中,由工艺误差所引起的器件性能波动可以通过适当的电路调节进行补偿;运用硅微键合工艺与深反应离子刻蚀技术加工出加速度计的谐振器结构,将结构尺寸代入参数关系式中,得出保证频率鲁棒性的外加检测电压为1.37V。     

基于高速摄像的双线性振动陀螺力学特性分析

针对微机械陀螺特征尺寸小、振动频率高,其动态特性难以精确评价的问题,提出了基于高速摄像技术、显微技术与数字图像相关技术的测试方案。并用此方法测量了双线性振动陀螺的固有频率、品质因子、—阶模态振型和杨氏模量。实验数据表明,系统分辨率可达0.01 μm,不同驱动频率下所测振子响应频率误差小于0.023%。     

微半球振动陀螺的装配误差分析与精密微调机构设计

分析了微半球振动陀螺的装配误差形成机理,对装配精度要求进行了计算。在微半球结构锚点直径为1 mm的情况下,要保证装配间隙均匀度小于10%,锚点面的高度偏差需要小于0.1μm。通过数值计算和有限元模型,分别研究了装配误差对电极驱动能力、静态检测电容、静电刚度调节能力,以及1阶模态振型的影响。计算结果表明,电极间隙不均匀对检测、驱动和静电刚度修调能力的影响分别呈1、2、3次方关系,同时会引起微幅的结构偏摆。为提升电极装配间隙均匀性,设计了一种基于柔性缩小单元的微位移调节机构。该机构利用螺旋调节旋钮和柔性垫块,使石英玻璃基底产生2自由度微幅摆动,从而实现较高精度的装配。测试结果表明,微半球振动陀螺装配后平均电容误差约为30%～40%,但引入了较大的寄生电容,消除该影响后,电容平均误差为12%。     

基于高压针尖极化法的铌酸锂畴结构制备工艺研究

铌酸锂作为一种优良的人造非线性光学晶体,在光学频率变换、参量振荡和微纳结构制备等方面得到了研究人员的广泛关注。基于高压针尖极化法,在铌酸锂晶体表面制备了微畴结构,通过点畴和线畴结构制备试验,探究了铌酸锂畴结构制备的工艺条件。对于厚度为0.5mm、掺镁浓度为5%的z切铌酸锂晶体,在极化电压为2.7kV、占空比为25%、移动速度为15μm/s的条件下,制备出了均匀的线状畴结构。     

一种12位500MS/s电流舵DAC的设计

基于中芯国际SMIC0.18μm标准CMOS 1P6M工艺,在Cadence EDA平台下设计完成了一款12位、采样率500 MHz的电流舵DAC。电路主体结构采用5+3+4的分段方式,其中模拟部分采用3.3 V电源供电,数字部分采用1.8 V供电,满量程电流20 mA,单端负载为25Ω,在时钟信号500 MHz、输入信号1.586 914 MHz的条件下,测得SFDR为91 dB,电路的INL为±0.25 LSB、DNL为±0.15 LSB,整体功耗为75.6 mW。     

同时具有电压输出和频率输出的集成压阻压力传感器

研制出了一种同时具有“电压输出和频率输出的集成压阻压力传感器。利用标准双极集成电路工艺制成了具有尺寸3×3.8mm~2的传感器芯片。对于从0到750MMHg的压力范围,输出电压工作幅宽为1到4伏。电压输出的压力灵敏度为4mv/mmHg。非线性度小于满量程的0.4％。对于750MMHg的压力变化,输出频率灵敏度约为30KHg。输出为T~2L电平。在-20到110℃的温度范围内灵敏度的温度系数为0.06％/℃。     

一种适用于MEMS陀螺仪的高性能电容读出电路

针对音叉式体硅MEMS陀螺仪传感器,提出了一种新颖的电容读出电路结构,该结构对共模电压漂移不敏感,能消除电容不匹配引入的误差.相关双采样(CDS)技术有效降低了电路的低频噪声和电压失调的影响.采用了一种简化的微陀螺传感器仿真模型,用于读出电路与微传感器的联合仿真.读出电路在0.35 μm 2P4M标准CMOS工艺下设计流片,芯片面积为2.5 mm×2.5 mm,5 V电源电压,电路工作在500 kHz的时钟频率下,实现了1.5 aF/Hz1/2的电容分辨率和大于100 dB的动态范围.     

基于微孔抽丝成型工艺的软体力/位传感器

提出一种全柔性力/位传感器的设计、建模和制造方法,并进行试验验证。该传感器可通过附着在待测物表面或嵌入其内部进行力位混合的测量。首先,创新性地将提出的微孔抽丝成型工艺引入到软体结构的制造中,构建出低成本、易实现的软体微通道成型工艺体系,通过试验比对,验证了该工艺在软体微通道成型中的优势,成功实现了全柔性传感器高性能快速制造。其次,基于该成型方法设计了双层斜置并行多条的微通道传感器结构,有效地提高了灵敏度及线性度。最后通过试验对该传感器的性能进行验证。试验表明该传感器伸长率在14%以内时,作为全柔性力传感器线性误差小于5%,灵敏度为16.95m V/N;作为全柔性位移传感器线性误差小于2%,灵敏度为5.56mV/mm。研究内容为全柔性传感器在实际应用中的结构设计和成型方法中有很大的参考价值。     

带双抗弯膜片圆环式称重传感器的非线性调整技术

一、称重传感器的非线性误差我厂生产的GGC-10型称重传感器的弹性体为一钢环(测压环),四片应变计粘贴在测压环内孔表面上,连结组成全桥电路(如图1)。当垂直力P作用于测压环上时,环体产生椭圆变形,应变计电桥失去平衡,产生一个与垂直力成正比的输出电压△u_o。图2所示的方框图,表明将力P转变成电压△u_o的各功能块,非线性误差可以从这些功能块中的任何一块引入。通常应变计误     

微纳测量机测头弹性结构的参数设计

根据微纳米三坐标测量机对测头各项指标的要求,提出了4种测头弹性结构的设计方案.通过力学分析建立测头弹性结构三维刚度模型,应用有限元分析软件ANSYS分别对4种弹性结构的刚度进行仿真计算;然后,分析讨论了4种弹性结构的性能特点.综合考虑测量刚度、灵敏性及结构紧凑稳定等多种因素,选择十字型结构作为微纳米测量机测头的弹性结构,并对其进行了结构参数的优化和测头刚度各向同性设计.搭建了高精度三维微位移测试平台,对测头的测量范围、线性、位移误差进行了实验验证.仿真分析和实验结果表明,测头的弹性结构满足测量范围40 μm×40 μm×20 μm、测量刚度小于0.5 mN/μm及刚度各向同性的要求,整体测量误差小于100 nm.     

多通道高精度压电陶瓷电源的研制

以单片机及控制电路为基础,采用集成电路器件,设计了一种多通道的高精度的压电陶瓷驱动电源.介绍该电源的硬件系统结构和高精度的稳性设计,经测试,纹波电压小于20mV,分辨率为6mV,非线性误差小于0.1%,连续工作8h,电压时漂为6mV,频率响应3kHz以上.     

45钢表面微凹腔激光加工工艺

采用"单脉冲同点间隔多次"工艺和"单因素分析法"对45钢进行激光焦点位置、激光功率密度、脉冲重复次数等激光加工工艺参数变化影响激光微造型加工质量的研究。通过此工艺加工的凹腔半径大约为58μm,一个脉冲深度大约为2μm,凹腔圆度好,分布均匀,熔渣少;当激光头距试样加工表面距离为2 mm,激光功率为1.84 W～3.82 W时,重复次数为1～10次时,加工出微凹腔质量最好,重复频率对其影响不大。     

基于延迟链的频率测量方法

提出了一种基于延迟链技术的频率测量新方法.利用被测频率产生计数闸门,利用延迟链产生均匀延迟的多路参考频率信号,在同一闸门下对其计数,以其平均数作为参考频率计数值,降低了±1计数误差,对其进行误差分析表明其频率测量精度决定于延迟单元延时及其误差.实际测量数据表明在参考频率为200 MHz,对延迟单元延时标定为0.5 ns时其频率测量精度同比多周期同步法提高8倍.相比模拟内差法、时间-电压变换法和游标法等,该方法实现简单、成本低廉,具有良好的实用性.     

基于SPI接口针对采样保持电路失调的校准电路设计

针对时间交织ADC中S/H电路存在的失调失配误差,设计了一种基于SPI接口的失调校准电路,包括失调误差补偿电路以及12位电流舵DAC,并设计了SPI接口电路。通过SPI接口电路手动控制12位校准DAC,产生校准S/H电路的补偿电压,从而达到校准S/H电路失调失配误差的目的。12位DAC采用9+3分段式电流舵结构,具有分辨率高、非线性误差较小、面积和功耗适中的优点。利用Modelsim仿真软件对设计的SPI接口电路进行了功能和时序仿真,并进行了FPGA硬件实现,验证了其正确性。最后将SPI接口与S/H电路进行级联仿真,实现了对S/H电路中补偿电压的手动调整。所设计的基于SPI接口的校准电路具有灵活性强、精度高、扩展性好等优点。     

纳米级电容测微系统的研究

本文首先介绍非接触式高精度电容测微仪的基本工作原理,进而详细论述纳米级电容测微技术中所涉及到的非线性误差、环境噪声等的关键技术问题,对典型驱动电缆方案作比较。根据原理模型,给出仪器的主要结构。对仪器自身产生的各种误差进行详细的分析,并提出相应的消除或修正方法。换用不同有效直径的传感器可以使仪器分辨率最小达到0 1nm ,测量范围±2～±5 0 μm ,满量程非线性度优于0 5 %。该仪器可广泛应用于通过串口、USB口通信的高精度的动、静态微位移测量及纳米定位     

双柔性平行六连杆微动平台结构的设计及测试

采用直圆型柔性铰链设计了承载能力较大的双柔性平行六连杆微纳定位平台,并对其性能进行了测试。基于柔性铰链经典刚度公式计算了直圆型柔性铰链转动刚度,推导了双柔性平行六连杆微动平台在运动方向的整体刚度函数;建立了平台的动力学模型,得到了平台的固有频率解析式。基于静动态特性优化设计了双柔性平行六连杆微纳定位平台,得到了平台的优化参数。基于激光干涉仪和多普勒激光测振仪建立了平台的静动态特性测试系统。对微纳定位平台进行了试验和测试,结果显示:刚度的理论计算值为7.92N/μm,试验值为7.44N/μm,误差为6.5%;固有频率的理论模型值为349.9Hz,实验值为342.2Hz,误差为2.3%。空载和加载为250、500、2 000、2 250、2 500g时的平台位移表明加载不均匀会对平台输出位移产生较大的影响,当加载为2 500g时,不均匀加载对位移的影响量约为均匀加载的5倍。此外,平台最大位移为56.59μm。重复定位精度测试显示,在施加电压50、100、150V时,定位平台在同一输入电压下的位移最大偏差为0.896μm。实验结果表明,建立的双柔性平行六连杆的刚度和固有频率计算模型是正确的,设计的微动平台的最大位移及精度可满足设计要求。