分子印迹型薄膜体声波谐振毒品检测传感器

针对毒品探测的需求,对高灵敏度、高选择性及可工作于液相环境中的传感器进行了研究,利用分子印迹技术(MIT),结合薄膜体声波谐振器(FBAR)和微流体(micro fluidics)技术构造了新型传感器.首先,阐述了用分子印迹技术制作FBAR吸附层材料的原理,利用分子印迹技术制备了对特定毒品分子具有专一吸附性的印迹材料,将其作为吸附层涂覆在基于微机电系统(MEMS)及微流体技术的FBAR上.根据压电方程和运动学方程推导出了FBAR压电振子的等效电路及电学端口输入阻抗公式,构建了以AIN为压电材料的微流体结构FBAR毒品检测传感器模型.对该结构的FBAR传感器进行了理论研究和公式推导,并在理论模型的基础上进行了仿真实验,得到了单位面积质量响度达0.8pg/Hz·cm2的FBAR传感器.得到的实验结果远高于石英晶体微天平这一传统的质量敏感型传感器,可实现对溶液中毒品分子的快速检测.     

高功率体声波谐振器的自热效应及其修正

为了在高功率体声波谐振器的设计中考虑自热效应的影响,提出一种声-电磁-热多物理场协同仿真方法 ,来模拟自热导致的频率偏移,并针对此频率偏移的消除问题,提出了相应的修正方案。首先,由常用的Mason模型设计出满足谐振频率要求的初始谐振器。接着,通过声-电磁-热多物理场协同仿真得到自热导致的频率偏移。然后,初步调整压电层厚度,来抵消此频率偏移。最后,对调整后的谐振器迭代进行声-电磁-热多物理场协同仿真,以确定压电层厚度的调整量。结果表明:自热效应会导致高功率体声波谐振器的谐振频率明显下偏(谐振器案例的频率偏移量为3 MHz),通过减薄压电层厚度(案例中为1.7nm)可彻底消除此频率偏移。所提出的高功率体声波谐振器的修正方案能有效地解决自热效应导致的谐振频率偏移问题。     

基于MEMS技术的微波(RF)滤波器的设计

微波MEMS(RF-MEMS)滤波器是一种基于硅微加工技术的新型器件.由于RF-MEMS器件具有体积小、承受功率大、性能优良、成本低以及易于与后续的电路集成等突出优点,因此,由薄膜体声波谐振器(FBAR)构成的RF-MEMS滤波器在微波通讯系统的射频前端将取代传统的声表面波(SAW)滤波器.从以MEMS技术制作的薄膜体声波谐振器(FBAR)为基本单元构成梯子式(Ladder type)射频滤波器的原理出发,对滤波器的性能和设计进行分析,并对实际滤波器中的问题进行了较详细的探讨.     

简支条件下三叠片复合弯振换能器振动特性研究

采用瑞利法对简支边界条件下三叠片圆盘弯振换能器进行理论研究,并推导其谐振频率及有效机电耦合系数,通过数值计算分析了谐振频率及有效机电耦合系数随换能器各尺寸参数的变化规律,结果表明换能器结构参数对谐振频率和有效机电耦合系数有很大影响,谐振频率随换能器各尺寸参数的增大而增大,在其它尺寸一定的情况下有效机电耦合系数随着金属片厚度,都有一个最大值,也为三叠片弯曲振动换能器的进一步广泛应用提供理论支持。     

纳米尺度金属薄膜在拉伸状态下的稳定性

将薄膜和基底作为一个基本结构来研究薄膜的变形和损坏可预测纳米薄膜器件的使用寿命。本文讨论和研究了薄膜基底结构在拉伸载荷下薄膜出现的分叉和断裂的过程。用在相同厚度的PET基底上沉积不同厚度铝膜的薄膜基底结构作为试件,分别对薄膜厚度为100,150和200nm的3种不同试件进行了拉伸加载实验,并在OLYMPUS显微镜下观察了薄膜表面的变化情况。分析和对比结果表明:随着薄膜厚度的增加,薄膜出现分叉现象的失效应变也随着增大;当薄膜表面出现裂纹时,裂纹密度的大小取决于薄膜的厚度和加载应变的大小。     

斜支承导向的TPU薄膜振动特性研究

TPU薄膜在生产过程中有斜支承导向辊对薄膜起导向传输和支承作用,此外还需要有加热烘干系统进行即时干燥,这些过程都不可避免的引起TPU薄膜的横向振动,从而影响薄膜的制备精度和质量。根据D’Alembert原理,建立具有运动速度的TPU薄膜的动力学模型及热传导方程,解耦后得到含有热弹耦合系数的运动TPU薄膜振动方程;考虑薄膜导向辊斜支承作用,建立无量纲化的斜支承下TPU薄膜的振动方程;采用微分求积法对耦合方程进行离散,研究运动TPU薄膜复频率变化对无量纲速度、斜支承角度、热弹耦合系数、张力比的影响,定量分析各参数对运动TPU薄膜振动稳定性的影响,从而提高汽车TPU薄膜的涂布精度和制备质量。     

微型热敏传感器的薄膜电阻设计研究

应用微型热敏传感器薄膜电阻的电阻温度系数设计方法,得到基于热敏电阻的电阻温度系数的计算和设计参数.结合针对流体壁面剪应力测量的应用要求,分析多晶硅和铂金属热敏电阻的优缺点,并且对试验电阻进行电阻温度系数和时间常数的分析计算,依据计算结果确定微型热敏传感器薄膜电阻的基体材料、薄膜材料和特征尺寸等参数,为微型热敏传感器的实际应用提供参考依据和分析方法.     

基于谐振原理的硅微薄膜弯曲疲劳装置的设计

根据梳状驱动器原理设计了一种静电力驱动的硅微薄膜弯曲疲劳试验装置,所设计的装置可以由微机电系统表面牺牲层标准工艺制作加工。对所设计疲劳试验装置的圆弧梳状驱动器电容及静电驱动力进行了理论分析,并在此基础上采用有限元分析软件ANSYS对装置进行了模态分析与简谐分析。分析结果表明：当所施加的交流电压频率与结构的一阶固有频率相等时,试样在其缺口根部取得最大应力值,该应力值与所加交直流电压乘积的大小成线性关系,利用该关系式可对试验所需电压值进行预测。有限元分析和制造结果观测表明,所设计的装置符合微机械疲劳试验要求。     

体内微机电系统的三维无线能量传输装置的设计和实验

设计了基于电磁感应原理的体内无线能量传输系统,为体内内窥镜胶囊提供能量。首先,通过建立数学模型对三维无线能量接收线圈正交绕组的接收性能进行仿真,获得不同姿态下系统的耦合系数。结果表明:三维正交线圈在不同姿态下能有效地进行互补。然后,根据体内内窥镜胶囊尺寸要求,设计制造了微型接收绕组和整流稳压电路,并用此系统给自制的图像采集系统供能,且对实际传输的电压和电流进行测量。实验结果表明:该三维接收系统的能量传输效率和稳定性能够满足实际需要。     

芳纶毡体/阻尼弹性薄膜复合材料的吸声隔声性能

制备了非织造芳纶毡体、阻尼弹性薄膜及双层、三层结构的非织造芳纶毡体/阻尼弹性薄膜复合材料;利用驻波管测试方法研究了非织造芳纶毡体厚度及不同复合结构对复合材料吸声性能的影响;利用混响室-消声室法研究了各试样的隔声性能。结果表明:三层复合材料的吸声隔声性能优于两层复合材料的;对于厚度相同的三层复合材料,表层材料应选择吸声性能较好的材料。     

Performance analysis of piezoelectric bimorph generator

In this paper, the theoretical model and simulation of the performance of a piezoelectric (PZT) bimorph generator is introduced. The generator consists of two piezoelectric plates bonded on a substrate metal plate. For an effective electromechanical coupling coefficient (EECC) and the generated energy, the analytical formulae are established with the thickness ratio and the Young’s modulus ratio as variables. After giving correlative material parameters, the EECC and generated energy can be computed. The results show that there is a optimal thickness ratio for a piezoelectric bimorph generator to achieve the maximum EECC and electrical energy. The EECC and generated energy decrease with an increase of the Young’s modulus ratio. In addition, the influence of mechanical source on electrical energy generation and power output is also considered.     

新型声表面波谐振式压力传感器的研制

本文介绍了一种新型的声表面波谐振式压力传感器,压力敏感元件为声表面波谐振器,并组成差电路形成式进行温度补偿。敏感膜片采用全石英一体化封装技术,消除了传统粘贴式封装结构所带来的迟滞、重复性等误差,极大的提高了压力测量的精度。由于声表面波器件采用半导体工艺制作,易于批是生产,降低了成本,具有极大的实际应用价值和意义。文中介绍了该传感器的工作原理,并给出了具体的性能指标。     

电场活化聚合物驱动器动态机电耦合特性研究

通过分析电场活化聚合物材料的力学行为理论,建立了基于常见应变能函数（Mooney-Rivlin模型、Ogden模型和Yeoh模型）的电场活化聚合物驱动器的机电耦合本构模型。通过驱动实验,将3种机电耦合模型结果与实验数据进行了对比分析,得出影响电场活化聚合物机电稳定性的重要因素,确定了最适用于电场活化聚合物的机电耦合性能行为的模型。     

压电双晶片的能量传输特性分析

基于压电双晶片的准静态本构方程,详细地分析了准静态情况下悬臂梁式双晶片执行器在常见的三种不同载荷(力、力矩、压力)情况下的机电转换特性,即有效机电耦合系数、最大能量传输系统、最大输出机械能量时效率.分析结果表明:这些特性主要由压电双晶片材料的横向机电耦合系数k31决定;三种载荷中,以力矩形式输出机械能时压电双晶片执行器的效率最高,以力的形式输出时稍低,以压力形式(如用于推动气体或液体)输出时效率最低.这些结论对于设计压电双晶片执行器的结构具有指导意义.     

相控阵天线碗状变形对其辐射性能的影响分析

如何快速而准确地评估天线阵面结构变形对电性能的影响是工程上亟需解决的关键问题。文中根据某大型相控阵天线设计了3种规格的阵列天线,按照典型的天线阵面碗状变形,分别采用HFSS数值计算方法和有源阵元方向图（Active Element Pattern, AEP）计算方法计算阵元Z向误差和指向误差对电性能的影响。结果表明：当Z向偏差小于λ/20（λ为波长）时,碗状变形对副瓣电平和波束宽度的影响显著,对增益影响较小;当Z向偏差增大到λ/20时,天线增益明显恶化;随着阵元规模的增大,得益于阵元互耦效应,碗状变形对电性能的影响减弱。AEP计算方法忽略了阵元方向图的差异性及互耦效应,导致其计算精度不如HFSS数值计算方法的计算精度高,特别是副瓣计算结果差异明显。该研究可为相控阵天线结构设计参数的确定提供指导。     

电子机械：交叉学科服务大国重器

《电子机械工程》编辑部就机电耦合技术对西安电子科技大学的段宝岩院士进行了采访。     

基于DCCA-NSEn的系统耦合网络建模与评估

针对流程工业生产系统监测点多,各监测点间具有相关性的特点,提出了一种基于去趋势交叉分析-网络结构熵(detrended cross-correlation analysis-net structure entropy,简称DCCA-NSEn)的复杂机电系统多变量耦合网络建模与状态评估的方法。该方法利用DCCA算法计算多变量两两之间的相关性,构建反映多变量耦合关系的加权网络模型,对监测序列进行滑移求解,得到系统耦合关系网络动态演化模型。利用NSEn方法分析耦合关系网络的结构熵,根据熵随时间的变化趋势对复杂机电系统的服役演化状态进行评估。笔者选取某压缩机组的真实生产数据进行DCCA-NSEn方法验证,然后用耦合去趋势波动分析(coupling detrended fluctuation analysis,简称CDFA)方法对同一组生产数据进行多变量分析,对两方法的分析结果进行对比。结果表明:与DCCA方法相比,本方法具有多变量同时监测评估的优势;与同样是多变量分析的CDFA方法相比,本方法具有评估效果稳定,对系统的异常状态检测效果更明显的优势。     

并联机构机电耦合动力学计算

并联机构动力学模型是一个多输入、多输出、非线性、强耦合的复杂机电系统,目前还没有一个成熟的并联机构动力学建模和仿真计算方法.针对三自由度并联机构,建立了包括机械机构、伺服电机一体化的动力学模型.最后在设计好的运动平台轨迹下,计算了移动腿的位移、驱动电机的负载转距;分析了移动腿的误差.计算机仿真结果展示了控制器对机构位移和伺服电机转距良好的控制.