冲击环境下MEMS器件的弹性限位块设计（英文）北大核心CSCD

采用限位块可以提高MEMS器件的抗冲击性能,但由于冲击环境中MEMS结构与限位块的碰撞过程可能产生较大的瞬间冲击以致器件失效,用弹性限位块可以有效解决上述问题,但是其防护效果会受到限位参数的影响。为了得到限位块最佳设计参数,首先建立了MEMS器件的冲击动力学模型,提取了影响MEMS器件冲击响应的因素,进而分析了限位块弹性系数、限位距对冲击响应的影响;最后提出了限位块的设计方法并给出了最终设计结果。结果表明:设计弹性限位块需要兼顾限位效果和缓冲性能,同时减小限位距也可显著提高微器件抗冲击性能。     

冲击环境下MEMS器件的弹性限位块设计（英文）

采用限位块可以提高MEMS器件的抗冲击性能,但由于冲击环境中MEMS结构与限位块的碰撞过程可能产生较大的瞬间冲击以致器件失效,用弹性限位块可以有效解决上述问题,但是其防护效果会受到限位参数的影响。为了得到限位块最佳设计参数,首先建立了MEMS器件的冲击动力学模型,提取了影响MEMS器件冲击响应的因素,进而分析了限位块弹性系数、限位距对冲击响应的影响;最后提出了限位块的设计方法并给出了最终设计结果。结果表明:设计弹性限位块需要兼顾限位效果和缓冲性能,同时减小限位距也可显著提高微器件抗冲击性能。     

金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

基于相位相关与块匹配的纳米精度微器件平面动态测量

为测量MEMS谐振器周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数,结合微器件的特征,利用光学的方法对MEMS器件进行了运动分析。提出了基于相位相关与块匹配相结合的运动检测技术,并对MEMS器件的运动图像序列做了分析与处理,得到了其动态特性参量,为MEMS器件的设计提供了重要参考。实验结果表明,该方法具有较好的测量精度和测量速度,测量重复性可达到44nm。     

电流变阻尼器的抗冲击性能研究

从理论和试验两个方面研究了所设计的电流变阻尼器在大冲击下的抗冲击性能,分析了电流变液性能与阻尼器结构参数对抗冲击性能的影响。认为采用高性能的电流变液体及改变结构参数,都可以使电流变阻尼器的高速缓冲性能提高。电流变液流速对电流变液的屈服应力影响显著,其值随流速的增加按指数规律减小。从定性、定量两个方面分析了电流变阻尼器作为阻尼器效果不明显的原因为：由电流变效应引起的阻尼力在整个液压阻力所占比例太小,不能通过改变电压来使液压阻力具有很大的调节可控范围。     

一种准分布式光纤光栅漏油传感器

分别对两种结构的传感头组成的分布式光纤Bragg光栅漏油传感器进行实验后得出,具有限位装置的传感头组成的传感系统综合性能好于由另一种结构传感头组成的传感系统。具有限位装置的传感头不仅有较好的漏油检测响应性能,而且能防止相邻信号间的串扰,同时能很好保护光纤光栅不被拉断,更重要的是它受温度干扰较小。     

气体加速度传感器的研制

设计了以气体做敏感质量的气体摆加速度传感器,与传统的固体和液体加速度传感器相比,气体加速度传感器避免了用固体或液体作敏感质量块难以承受强振动、高冲击的缺点。用气体摆原理制作的加速度传感器除了具有抗冲击外还具有响应快、结构简单、价格低廉等优点。     

钢筋混凝土墙抗冲击性能的数值模拟分析

为了研究钢筋混凝土墙在冲击荷载作用下的动态响应,借助ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土墙的有限元模型。冲击体质量为2 t,冲击速度为3 m/s,分析了轴压比、墙宽和边缘构件对钢筋混凝土墙抗冲击性能的影响。在此基础上,分析了墙体在极限荷载作用下经历的3个阶段,提出了一种在极限荷载作用下墙体破坏失效的判别准则;利用所提出的判别准则分析了在极限荷载作用下轴压比、墙宽和边缘构件的影响。结果表明:在一定范围内,随着轴压比的增加,墙体抗冲击性能提高,有轴压的墙体损伤区域较为集中;增加墙宽和加入边缘构件均能有效增强墙体的抗冲击性能;在极限荷载作用下,冲击质量一定时,随着轴压比的增加,结构破坏失效所需的冲击能变小。     

具有环形限位夹持力的单轴式超声悬浮系统

基于超声悬浮原理,通过改变单轴式超声悬浮系统的反射和发射端的几何形状,利用凸状发射、反射面在悬浮区域周围产生环形声辐射力势阱作为限位夹持力,提高悬浮样品在驻波声场中的悬浮稳定性。基于时域有限差分法,研究不同谐振腔内的声辐射力分布,以及影响声辐射力大小的因素,优化环形限位夹持力和悬浮力。理论及实验研究结果表明,具有环形限位夹持力的超声悬浮系统可以提高普通单轴式超声悬浮装置对悬浮样品的稳定性。      

面内冲击荷载下半凹角蜂窝的抗冲击特性

半凹角蜂窝结构因其零泊松比特征,具有独特的变形方式。将其与传统正泊松比(正六边形)蜂窝以及负泊松比(凹角)蜂窝在面内冲击荷载作用下的抗冲击性能进行对比分析,揭示出零泊松比效应对动力学性能的影响。在给定胞元几何参数(长细比)的情况下,分析了3种蜂窝构型在不同冲击速度下的变形特征,得出半凹角蜂窝的零泊松比特性使结构的局部变形带以"Ⅰ"型为主。根据一维冲击波理论,推导出半凹角蜂窝的平均抗压强度理论公式,与有限元结果进行对比,验证了该方法的有效性。数值结果表明,半凹角蜂窝的抗冲击性能介于正六边形蜂窝和凹角蜂窝之间。通过在半凹角蜂窝内部增加直杆,设计出一种新型零泊松比蜂窝,进一步提高了蜂窝结构的抗冲击性能,可为其他结构优化设计提供一定的理论参考。     

CCD器件相对光谱响应测试仪

设计并实现了一种涵盖400~950 nm的全自动CCD器件相对光谱响应测试仪。分析了成像器件的相对光谱响应测试原理,采用宽光谱、高灵敏度响应的科学级光纤光谱仪QE65000作为参考探测器,基于单光路直接比较法,构建了CCD器件相对光谱响应测试仪器。该装置可全自动完成CCD器件的相对光谱响应测量,不确定度分析结果表明,该装置对CCD器件开展相对光谱响应测试的最大不确定度为6.21%,满足应用需求,可为CCD等图像传感器甄选、参数性能评价及后续整机测试提供关键数据支撑。     

用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的MEMS微变形镜设计

以MEMS微变形镜驱动方式的选取为出发点,从光学特性和力学特性两方面对MEMS微变形镜进行分析.从中得出相关结构参数对微变形镜性能的影响关系.并在此基础上结合补偿激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变的使用要求设计了一种新型MEMS连续面型微变形镜,并采用设计的MEMS变形镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统,补偿了激光光束的热畸变.实验结果显示该MEMS连续面型微变形镜可对腔内畸变进行有效补偿,同时提高了激光器的输出功率及光束质量.     

冲击载荷下仿贝壳砖泥结构的动态响应

贝壳作为典型的抗冲击生物材料,具有轻质、高强、高韧等优异性能。通过构建仿贝壳砖泥结构有限元模型,并对其在落锤冲击载荷下的动态响应进行数值模拟,分析了堆叠层数、冲击速度及锤头类型对仿贝壳砖泥结构能量吸收性能的影响。结果表明:5类堆叠层数下的仿贝壳砖泥结构的比吸能呈先增加后减小的变化趋势,并且在所设计的5类堆叠层数结构中,3层仿贝壳砖泥结构具有最大的比吸能,其值较比吸能最小的单层结构提高了10.8%;随着冲击速度的提升,结构载荷峰值及能量吸收均略有增大;相同锤径下,圆柱形锤头较半球形锤头更易穿透模型。     

基于逻辑器件响应特性的自治布尔网络调控

自治布尔网络已成功应用于随机数产生、基因调控、储备池计算等领域.为了在应用中合理选择器件使输出更好地满足各应用的需求,本文研究了自治布尔网络中的逻辑器件响应特性变化时,自治布尔网络输出状态随之变化的规律,结果显示逻辑器件响应特性变化可以调控自治布尔网络输出在周期和混沌之间转变,且能改变自治布尔网络输出序列的复杂程度.进一步观察了逻辑器件响应特性和链路延时二维参数空间中输出序列复杂程度的分布,结果显示快的逻辑门响应特性可以增强高复杂序列在链路延时参数空间的分布范围.同时研究了自治布尔网络中任意逻辑器件的响应特性单独变化对网络输出状态的影响,结果显示不同节点的器件响应特性对序列复杂程度的调控能力有差异.研究表明,逻辑器件响应特性可以调控网络输出序列复杂程度,快的响应特性有利于高复杂混沌的稳定产生.     

一体化D-dot探头在传输线电压测量中的设计和应用

设计一种一体化D-dot探头开展脉冲功率装置中传输线高电压测量工作。D-dot探头安装在传输线外筒上,主要由基座、密封电缆头、探头外壳、绝缘层、信号电极和连接杆构成。采用同轴螺纹连接及限位结构将探头各部件形成一个整体,实现结构的紧凑性和拆装过程的完整性。利用密封BNC探头和无氧铜密封圈实现良好的密封性能,同时减小探头的弹性余量保证测量的准确性。设计了较小的探头对地电容,从而获得良好的高频响应。采用OrCAD/Pspice开展电路模拟,结果显示设计的探头满足信噪比和前沿响应要求。采用CST开展静电场模拟,结果显示设计的D-dot探头可以满足1 MV传输线电压下的绝缘要求。标定和实验结果表明该探头可以响应前沿为几十ns的信号,能够满足测量需要。     

一种热对流式MEMS二维质点振速传感器

由空气质点振速传感器和声压传感器组成的矢量传声器是测量声场空间信息的重要方式。本文设计了一种新型热对流式二维质点振速传感器,不同于传统平行线式传感机制,该器件由多线进行交叉连结形成一个中央十字加热器和四个直角测温线,构成新的局域加热和温度传感方式,基于此设计能够获得更高的灵敏度并具有理想的正交性。通过数值分析对其传感机制进行了详细分析,并使用MEMS工艺进行器件制备和性能验证。实验结果表明,该器件具有良好的响应灵敏度和接近完美的正交指向性。所提出器件在体积受限的声场测量中具有潜在应用价值。     

一种高冲击MEMS加速度传感器的仿真与优化

基于高冲击MEMS加速度传感器的冲击灵敏度、频率响应与敏感芯片的结构尺寸存在相互制约关系,提出在满足传感器结构强度和固有频率条件下,提高传感器冲击灵敏度的理论分析、仿真模拟与实验验证的方法。运用ANSYS软件对敏感芯片的弹性膜片厚度与中心岛厚度进行多次设计与仿真,通过多组仿真数据对传感器的结构尺寸进行优化。高冲击实验验证表明,优化的传感器结构尺寸、性能指标能够满足设计要求,冲击灵敏度较高。     

基于谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计及性能分析

提出了一种具有超薄有源层的谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计方法,利用谐振腔结构可以将光场限制在腔内,有效增强探测器的吸收.通过研究谐振腔内光场谐振条件及谐振模式下探测器响应度增强的机理,建立了驻波效应下谐振腔增强型石墨烯光电探测器光吸收模型,仿真分析谐振腔反射镜反射率、谐振腔腔长对于腔内光场增强器件性能的影响.理论分析表明,谐振腔增强型石墨烯光电探测器在850 nm处响应度可达0.5 A/W,相比无腔状态下提高了32倍;半高全宽为10 nm.采用谐振腔结构能够提高石墨烯光电探测器件的光电响应,为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了途径.     

纳米流体射流冲击冷却技术的实验研究

将高传热性能的Cu-水纳米流体作为换热工质引入射流冲击冷却技术,设计并搭建了射流冲击冷却系统,测试了该系统的换热性能和系统压降,研究了纳米粒子体积份额、入口射流速度以及射流冲击高度对系统换热性能的影响。实验结果表明,在液体中添加纳米粒子、增加射流速度、选取合适的射流冲击高度可以有效提高射流冲击冷却效果,且少量纳米粒子的加入并未引起系统压降的明显变化。     

新型液晶光学相控阵的特性研究

将液晶作为平板光波导的上包层,构建了液晶光学相控阵器件.根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论与光栅衍射理论,研究分析了基于这种新型结构下液晶光学相控阵的传输特性,输出衍射特性和其它性能特性.研究结果表明,器件的传输电控相位延迟可以实现更大的光程差;阵列电极周期数目、电极宽度、电极间隔宽度等结构参量对器件的输出衍射光束的光强分布和半峰值全宽度影响很大,同时光束扫描的可行性得到论证;器件的响应时间提高了一个数量级,且其色散性能获得改善.为以后研制新型液晶光学相控阵提供了理论基础与技术设计依据.