一种新型压阻式加速度传感器的设计与加工

提出了一种新型的基于AlAs/InxGa1-xAs/GaAs共振隧穿纳米薄膜结构的压阻式加速度计结构,运用MATLAB软件对敏感结构参数进行了计算,并利用ANSYS软件对加速度计结构进行了静态和模态分析,首次采用空气桥和控制孔加工工艺对共振隧穿二极管和悬臂梁-质量块结构进行了加工,并对加工出来的加速度计结构进行了频响特性实验。     

基于共振隧穿二极管的GaAs悬臂式声传感器研究

实验研究了基于AlAs/InxGa1-xAs/GaAs共振隧穿二极管(RTE)的振荡器的压力-频率转换特性,实验结果表明:该特性具有良好的线性特征,且其线性灵敏度达到0.84 kHz/MPa.利用此压力-频率转换特性,首次设计并利用微机械控制孔技术加工制作了基于RTD的GaAs基悬臂式声传感器结构,实现了RTD与GaAs基微机械加工技术的工艺集成.     

基于共振隧穿二极管的GaAs基压力传感器研制

为了突破传统的机电转换效应的宏观物理局限,为更高灵敏度、更低功耗的微/纳机电压力传感器的设计提供理论、工艺及实验依据,首次设计并利用微机械控制孔技术加工制作了基于AlAs/InxGa1-xAs/GaAs共振隧穿二极管(RTD)的GaAs基薄膜压力传感器,实现了RTD工艺与微机械加工技术的工艺集成.测试结果表明:该压力传感器的线性灵敏度达到0.1 mV/kPa.     

基于MOCVD生长材料的高电流密度太赫兹共振隧穿二极管

为获得高功率的太赫兹共振隧穿器件,优化设计了AlAs/InGaAs/AlAs共振遂穿二极管材料结构,在国内首次采用MOCVD设备在半绝缘InP单晶片上生长了RTD外延材料。利用接触光刻工艺和空气桥搭接技术,制作了InP基共振遂穿二极管器件。并在室温下测试了器件的电学特性:峰值电流密度>400 kA/cm~2,峰谷电流比(PVCR)>2.4。     

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.     

硅微仿生矢量水声传感器研制

根据鱼类侧线听觉仿生学原理,设计出硅微仿生矢量水声传感器结构.该传感器结构包括高精度压阻式硅微换能单元结构和空芯光子晶体光纤柱体.讨论了水声传感器结构的仿生学原理和声学原理.用有限元软件Ansys分析传感器的应力分布,讨论了传感器的加工工艺,并采用气流静态加载法测试出传感器的矢量指向性图,测试结果表明,仿生水声传感微结构具有“8字型“矢量指向性.     

MEMS传感器敏感单元RTD的力敏特性优化

首先通过减小垒前阱的厚度消除了负阻区的"台阶区",提高负阻区的阻值为-7.916Ω,并通过加压测试RTD(共振隧穿二极管)的力电耦合灵敏度,使其灵敏度由原来的5.5 mA/g增大到7 mA/g,优化了RTD作为MEMS传感器敏感单元的灵敏度,同时也通过增大RTD结构的台面积大小,有效的消除了负阻区的"台阶区",并使其负阻区的阻值增大为-0.06Ω,提高了MEMS传感器敏感单元RTD结构的灵敏度。     

一种新型电磁式微机械陀螺的结构设计与仿真

介绍了一种基于介观压阻效应的新型电磁式微机械陀螺,对陀螺进行了结构设计。该结构采用电磁驱动方式,实现了工作电压小、驱动力大、行程大的要求;采用共振隧穿二极管(RTD)所具有的介观压阻效应检测方式,本质上提高了陀螺的灵敏度。用ANSYS软件对结构进行了模态分析和路径分析,确定了结构的固有频率和RTD放置位置。结合目前工艺要求,对该陀螺进行了工艺设计并实现了结构加工。     

基于共振隧穿二极管的微机械陀螺设计

介绍了一种基于介观压阻效应的新型电磁式微机械陀螺,并对陀螺进行了结构设计。该结构采用电磁驱动方式,实现了工作电压小、驱动力大、行程大的要求;采用共振隧穿二极管(RTD)所具有的介观压阻效应检测方式,本质上提高了陀螺的灵敏度。用ANSYS软件对结构进行了模态分析和路径分析,确定了结构的固有频率和RTD放置位置。结合目前工艺要求,对该陀螺进行了工艺设计并实现了结构加工。     

水下目标定向及遗传算法仿真

传统的水声定位需要一个庞大的声压水听器阵,技术复杂,耗费可观。矢量传感器是一种新型的水声传感器,仅用单个的矢量传感器就可以进行水下目标的方位估计。该文分析了矢量传感器声压梯度法和互谱声强法的定向原理,在互谱声强法仿真的基础上,将遗传算法引入水下目标定向中。通过构建适应度函数,根据信号适应度函数进行遗传选择,舍弃不稳定信号,对有用信号进行杂交,从而获得较高的定向精度。仿真结果表明,该算法可以有效地进行目标方位估计,进一步提高定向精度。     

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%。     

基于压电加速度计的同振型矢量水听器的设计

介绍一种压电加速度计在新型水声接收换能器———同振型矢量水听器设计中的应用方法。叙述了采用压电加速度计设计同振型矢量水听器的理论依据,并给出根据此方法设计制作的同振型矢量水听器的自由场开路电压灵敏度和指向性图测试结果:自由场电压灵敏度为-190～-200dB(0dB=1V/μPa,测试频率1000Hz),指向性图分辨力kd>20dB。     

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.     

球形障板对矢量传感器测向的影响

矢量传感器的测向输出结果会受到其安装结构散射声场的影响,而球形障板是矢量传感器工程应用中最为常见的一种结构。在分析球形障板散射声场的基础上,采用有限元和边界元相结合的方法,对弹性球形障板散射场进行计算,得出矢量传感器的测向结果随其安装位置和信号的入射频率变化的影响规律,最后通过水池试验对其进行了验证。     

矢量水听器目标定向融合算法仿真

针对矢量水听器定向算法在不同目标方向和噪声情况下精度各有优劣的特点,和定向结果普遍具有一致性较差的缺点,将多传感器和多源数据处理中先进的数据融合技术引入定向算法的研究当中.采用基于方差的加权数据融合技术,将平均声强法、反正弦法和反余弦法这三种矢量定向算法有效融合,取长补短,单一算法的执行过程中也有效沿用了重复检测的优化思想.仿真实验验证,融合算法不仅可以提高目标的定向精度,而且大大降低检测结果的均方差,从而提高了定向结果的准确性和可靠性,对水下目标检测工程具有重要意义.     

MEMS矢量水听器减振结构的设计与研究

在MEMS矢量水听器现有结构的基础上,设计出一种新型减振结构,期望利用该封装结构衰减水听器工作时安装平台的振动噪声,削弱安装平台振动对水听器测量精度的影响,提高水听器的抗噪能力。结合理论分析确定减振材料并采用有限元软件进行仿真,对矢量水听器先后采用原有封装结构和减振封装结构进行封装,并通过振动台实验和驻波桶灵敏度测试。测试结果表明：该结构可有效实现对MEMS矢量水听器干扰信号的衰减,同时基本不影响水听器的接收灵敏度。     

Research on double-barrier resonant tunneling effect based stress measurement methods

Piezoresistive effect of semiconductor materials is often used in microsensors as a sensing principle. Resonant tunneling diodes (RTDs) have been proved to have negative differential resistance effect, and their current–voltage characteristics change as a function of stress, which can be generated by external mechanical loads, such as pressures, accelerations and so on. According to this, the Meso-piezoresistive effect of RTDs can be used for stress measurement. This paper discusses two double-barrier resonant tunneling effect based stress measurement methods, including an RTD-Wheatstone bridge based method originally proposed. According to the results from the RTD-Wheatstone bridge based experiment, the piezoresistive sensitivity of RTD is adjustable in a range of 3 orders. And the largest piezoresistive sensitivity of RTD is larger than that of common semiconductor materials, such as silicon and GaAs.     

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.