硅微振梁式加速度计抗温漂的微结构及工艺设计

针对硅微振梁式加速度计输出频率随环境温度漂移的问题,提出了抗温漂的硅微结构设计方法及相关工艺,降低了环境温度对输出的影响,在室温条件即可达到一定精度。通过建立"硅-玻璃"和"玻璃-陶瓷"耦合模型,分析了造成硅微振梁式加速度计温度漂移的原因。然后提出了"抗温漂耦合设计"的微结构和"半粘结封装"的封装工艺,降低了耦合模型中的理论温漂。利用加工出的原理样机进行实验,结果显示,采用抗温漂结构设计及封装工艺的原理样机,输出频率的温漂系数为-3.5×10-6/℃,室温下零偏稳定性为72.0μg。实验验证了抗温漂理论的可行性,可以满足室温下高精度硅微振梁式加速度计的设计要求。     

地下气化过程中煤系沉积岩热物理性能试验研究

利用GHC-Ⅱ型比热容测试仪、DRX-Ⅱ型导热系数测定仪等仪器,对乌兰察布地下气化煤层顶板泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粗砂岩及粉砂岩等5种沉积岩体进行了50~1000℃范围内的高温物理试验研究,分析了不同温度梯度下的比热容及导热系数随温度的变化规律,并用多项式函数对5种岩样的导热系数测定结果进行了拟合,得到了导热系数与温度的拟合关系式。试验结果表明,5种岩样的比热容值随着温度的升高呈现下降趋势,在100~400℃范围内,5种岩样的比热容值下降趋势较为明显;顶板泥岩等5种岩性岩样的导热系数值随着温度的升高呈现下降趋势,随着温度的升高,粗砂岩导热系数值变化最大,由50℃时的1.412W/(m·K)下降至1000℃时的0.900W/(m·K),减小了36.3%;随着温度升高,粉砂岩导热系数值变化最小,其值由50℃时的1.200W/(m·K)下降至1000℃时的0.901W/(m·K),减小了24.9%。上述结果可为研究煤炭地下气化空间温度场分布提供必要的数据。     

微电子封装组件热应变的云纹干涉法研究

本文提出云纹高频试件栅高温复制组件工艺,并应用于电子封装组件125℃～200℃,热应变的云纹干涉法测量,得到了封装组件表面在高温下的热膨胀系数,本云纹特点是灵敏度高,可全场测量,适用于电子封装组件热变形失效分析.     

空蚀坑周围彩虹区的形成机理

经过1 min的超声振动空蚀试验后,在不锈钢试样表面形成的空蚀坑周围出现环形彩虹区.表面检测结果表明,该区域经历了高于300℃的高温加热过程.数值计算结果表明在空泡溃灭形成的微射流的高速冲击下,试样表面材料在短时间内发生的塑性变形所释放出的能量是造成材料局部升温的主要原因.在塑性变形相同的情况下,材料的导热系数是影响彩虹环区域大小的关键因素.     

一种采用圆片级真空封装的全硅MEMS三明治电容式加速度计

全硅MEMS加速度计具有温度特性好、封装体积小、成本低的优点,从而成为小型化GNC(制导、导航与控制)系统的关键器件。给出了一种具有三层硅结构的MEMS三明治加速度计的设计、加工以及圆片级真空封装方法,其中,中间硅摆片的3D结构通过双面KOH湿法腐蚀制造,腐蚀过程中使用台阶化的SiO_2作为硬掩模。硅盖板的加工主要通过KOH各向异性腐蚀和电感耦合等离子体垂直刻蚀完成。最后,上、下硅盖板通过基于Au-Si共晶反应的全硅键合技术从两侧与硅中间摆片进行键合,并实现圆片级真空封装。三明治加速度计的腔体内封装了压力为200 Pa的高纯氮气。测试结果表明,所述加速度计的闭环输出灵敏度为0.575 V/g,零位误差为0.43 g。加速度计的-3dB带宽为278.14Hz。加速度计1 h的输出稳定性为2.23×10-4 g(1σ)。加速度计在全温范围(-40℃~60℃)内的输出漂移为45.78 mg,最大温度滞环为3.725 mg。     

液氮激冷对含氢非晶碳膜性能的影响

采用等离子增强化学气相沉积系统制备了含氢非晶碳膜. 加热到相应温度(200、250、300、350和400 ℃)后，对薄膜进行液氮激冷处理，并研究其结构、机械及摩擦性能的变化. 结果表明:薄膜硬度在200~300 ℃温度下液氮激冷后，其硬度随热处理温度增加，C-C sp2键逐渐增加；在350~400 ℃温度下液氮激冷处理后，薄膜的硬度逐渐减小，薄膜呈石墨化趋势；而其弹性恢复在整个处理过程(200~400 ℃)中随温度升高持续增大，和C-C sp2键变化趋势一致. 液氮激冷处理后，含氢非晶碳膜的摩擦系数及磨损量均得到改善，在300 ℃激冷处理的含氢非晶碳膜具备最低的摩擦系数及磨损量.      

硅微谐振加速度计的温度特性

硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一.温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素.在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施.研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40~+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h 零偏稳定性达到42.5μg.     

高温条件下热固性聚酰亚胺摩擦学性能研究

以3,3,4’,4’-联苯四甲酸二酐(s-BPDA)、4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)、3,4’-二氨基二苯醚(3,4’-ODA)、4-苯乙炔苯酐(4-PEPA)为前驱体,设计并制备了热固性聚酰亚胺.采用球盘式高温摩擦磨损试验机进行室温(25℃)、100、200、250、300和350℃条件下的滑动摩擦磨损试验.通过表征不同温度磨损后的材料和对偶表面形貌,研究了其高温条件下的摩擦行为和磨损机制.结果表明:随着环境温度的升高,热固性聚酰亚胺的磨损率呈现先升高,后降低再升高的趋势;而摩擦系数却一直降低.这种趋势归结于聚合物接触表面机械性能的改变.不同温度条件下的磨损机理也是不同的,25和100℃条件下的磨损主要为疲劳磨损和磨粒磨损;随着环境温度升高到200℃时,磨损表面部分链段易于剪切,形成一层均匀的转移膜而降低了磨粒磨损;当温度升高至250、300以及350℃时,磨损表面的分子链段运动更加剧烈,在试验载荷持续挤压下,分子链间作用力破坏而剥落,磨损率急剧升高,表现为黏着磨损,并且环境温度越高,磨损率越大.     

电子封装组件热变形的实时观测

本文利用云纹干涉法,首次实时的对新型电子封装组件BGA在22℃至110℃温度载荷下的热变形进行了研究.研究表明对焊点截面的实时观测结果和试件的实际变形情况是完全吻合的.该结论为以后通过云纹干涉法高温实时观测技术进一步对焊点的热变形进行实时测量和研究铺平了道路.     

半寿命低周疲劳Glidcop(R)材料导热系数的测量

针对上海同步辐射装置(SSRF)光束线前端挡光元件需要承受高热负载的要求,对挡光元件所使用的纳米Al2O3颗粒增强Cu基复合材料Glidcop(R),采用一维稳态纵向热流法测量其在不同应变状态下的热传导系数.用有限元模拟了试件的温度场分布,并对试验结果进行了误差分析,揭示了试验误差的主要来源.试验测量结果表明,经历半寿命低周疲劳循环所产生的应变损伤累积对Glidcop(R)导热系数的影响可以忽略.     

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟技术及相应的极端高温环境力学测试技术,是高超声速飞行器防热材料和结构安全设计中事关研制成败的关键技术。本文介绍了自行研制的可实现高至210℃/s的极快非线性升温速率、能够生成高达2MW/m2的瞬态非线性热流密度、实现高达1500℃超高温氧化热环境的石英灯红外辐射式气动热环境试验模拟系统。基于这一性能优越的超高温气动热环境试验模拟系统,发展了如下超高温热环境力学测试技术:1)提出对环境光变化不敏感的主动成像数字图像相关方法,实现了C/SiC复合材料1550℃高温变形的非接触、全场光学测量;2)发展了1400℃超高温热/力联合试验环境下SiC/SiC复合材料结构的断裂特性试验测试技术。本文还简要介绍了高速巡航导弹翼面结构900℃高温热振联合试验,950℃高温非线性热环境下的蜂窝结构隔热性试验等研究内容。本文所发展的超高温气动热环境试验模拟技术和高温热环境力学测试技术,对航天航空领域高超声速飞行器的研制具有重要的军事工程应用价值。     

微量Ag元素对TiAlN涂层摩擦学性能的影响

采用电弧离子镀技术利用Ti₅₀Al₅₀、Ti₅₀Al₄₉Ag₁、Ti₅₀Al₄₅Ag₅合金靶沉积制备出了TiAlN及不同Ag含量的TiAlAgN涂层. 利用球-盘式摩擦磨损试验机研究了室温、200、400和600 ℃等温度下的摩擦学性能；通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、表面轮廓仪和划痕仪对磨损前后涂层的表面形貌、微观结构、硬度及涂层结合力进行了分析. 结果表明:TiAlN、TiAlAgN(Ag原子百分数0.12%)、TiAlAgN(Ag原子百分数0.30%)涂层的厚度分别为为4.18、5.31和4.69 μm，硬度分别为HV_0.2 2 049.4、HV_0.2 1 672.9、HV_0.2 1 398.5；TiAlN、TiAlAgN涂层的衍射峰位与面心立方的TiN相同，掺入Ag后TiAlN涂层的择优取向变为N(220)面. 三种涂层在不同温度下的磨损机理主要为黏着磨损与磨粒磨损. 室温时TiAlN涂层的摩擦系数比其他两种涂层要小约0.3，200 ℃时三种涂层的磨损率较大，400 ℃时掺Ag涂层的耐磨效果达到最佳. 此外，当Ag原子百分数在0.12%~0.30%范围时，随着Ag含量增加，涂层的结合力降低.      

Ni3Al基涂层与不同材料配副时宽温域的摩擦学行为

采用等离子喷涂法制备Ni₃Al基涂层，分别以316L和Al₂O₃为摩擦偶件，考察25~800 ℃内摩擦偶件材料对涂层摩擦学行为的影响. 结果表明:在软金属Ag析出、BaF₂/CaF₂脆-塑性转变和摩擦氧化协同作用下，随温度升高Ni₃Al/316L和Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副的摩擦系数和磨损率具有一致的变化规律，且Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副性能更佳. 25 ℃时，涂层与316L对摩时发生黏着磨损和磨粒磨损，而与高硬度的Al₂O₃对摩时发生脆性剥层和磨粒磨损，使涂层表面更粗糙导致较高的摩擦系数；Al₂O₃热导率较低，高接触应力作用下产生的大量摩擦热不能及时耗散，剥落材料贮存于剥落坑或黏附于磨损表面，使Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有较低的磨损率. 200~600 ℃时，高硬度的Al₂O₃对涂层的犁削作用较强导致Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有高的摩擦系数；而涂层在Al₂O₃碾压下发生塑性变形，使其具有较低的磨损率. 800 ℃时，高硬度的Al₂O₃促使磨损表面形成高氧化物含量的润滑膜，使Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有低的摩擦系数和高的磨损率.      

Dynamic Equibiaxial Flexural Strength of Borosilicate Glass at High Temperatures

A novel high temperature ring-on-ring Kolsky bar technique was employed to investigate the dynamic equibiaxial flexural strength of borosilicate glass at temperatures ranging from room temperature up to 750°C. This technique provided non-contact heating of the glass specimen and prevented thermal shocks in the specimen. Experimental results at the loading rate of 22.5 MN/s showed significant temperature dependence on the flexural strength. To explore the mechanisms of this temperature effect, controlled surface cracks were introduced on the tensile surface of the glass specimens using a Vickers indentation technique. These surface cracks were then heat treated under the same thermal histories as those tested in the high temperature dynamic experiments. The evolution of crack morphologies at 200°C, 550°C and 650°C were examined. The results indicate that residual stress relaxation may play an important role in the strengthening below 200°C, while crack healing and blunting may account for the strengthening above 500°C.     

一种改进的金属材料的高温动态拉伸实验技术

在旋转盘冲击拉伸实验装置上,利用金属材料自身的导电特性,对试样施加电流.使其在电流作用下发热,实现自加热,形成了试件快速加热而波导杆温升很小的金属材料的动态高温高应变率拉伸实验技术.应用该实验技术获取了45 #钢从室温到1000℃温度范围和应变率650s-1时的材料动态拉伸应力—应变曲线.实验结果表明,45 #钢具有明显的热软化效应,其流动应力和屈服应力随温度的升高而降低.     

Sensitivity analysis of thermal design parameters for focal plane assembly in a space spectral imaging instrument

There are deviations between real parameters and thermal design parameters on thermophysical attribute of focal plane assembly (FPA). The parameters are difficult to be determined accurately and the thermal design scheme will be affected with the values of the parameters. The thermal design problem of FPA is described by means of system sensitivity theory. The in-orbit heat balance equations are established, and the thermal design parameters, which might affect the temperature distribution of the FPA, are given. As an example, the sensitivity of thermal design parameters is analyzed for a FPA in a space spectral imaging instrument. A basis to determine the structural and thermophysical parameters for FPA is gotten, furthermore, an analytical method is provided for reliability validation of thermal design and operating reliability on orbit. It is shown that contact heat-transfer coefficient between mounted surfaces and surface emissivity are the main parameters affecting mean temperature of Charge converse device (CCD). The power of the inner heat source, thermal conductivity and inner contact heat-transfer coefficient are the primary parameters affecting temperature difference between CCD and the heat-transfer block. The thermal test is set up, and it is illuminated that the sensitivity analysis strategy based on the thermal design scheme is effective and feasible.     

应用微波技术实现纳米精度微光学对准和实时粘合

本文讨论纳米精确度光学对准技术，以用于采用热固化树脂的微光学包装。为了达到一个快速固化过程，直接将微波能量作用于需要进行光学粘合的地方。然而常规微波加热技术，依赖于树脂和元件之间的高质量比。为了改进微光学包装中微量粘合剂的热吸收率，我们先将接合面抛光，再镀上金属薄层。这样一来，微波能量将被镀层快速吸收。为防止接合面过热，采用一个红外（IR）温度传感器，以监测粘合剂的温度。根据温度的高低，一个自动化的系统则可以调整微波的功率输出，以便达到相对恒定的固化温度。在快速固化过程中，预先调准好的微光系统，如光纤耦合器，将由于加热的不均匀性而不可避免地遭受干扰。为补偿这个副效应，开发了一个实时光学对准监控和反馈系统。以包装光纤耦合器为例，该系统可实时监测当粘舍剂由微波固化时器件的插入损失（IL）。我们采用的一种三维压电变换装置（PZT）可达到x-、y-和z-方向的的对准。该PZT的10nm调节精度可监测出0．004dB的IL敏感性。与常规的固化烤箱比较，该系统的微光学包装效率可提高150倍。由于采用实时监控和反馈系统，批量生产中产品的合格率也将大大改善。     

MEMS惯性器件敏感电容结构相关温度漂移特性仿真

基于MEMS器件的微型惯导系统的精度和MEMS惯性器件的全温稳定性具有很高的相关性.MEMS结构相关的温度漂移主要来自材料之间的热失配应力,工艺引入的应力,以及封装应力等.而相关应力在MEMS结构中的分布以及所造成的应变又和MEMS结构具有一定相关性.通过ANSYS有限元分析软件建立了多种MEMS惯性器件常用梁-质量块结构的FEM模型,具体包括悬臂梁结构、双端固支梁结构、L形梁结构、对角支撑梁结构.通过热-力耦合仿真,研究了热失配应力在上述结构中的分布以及所产生的结构变形.对比分析了不同芯片粘胶形式,包括中心粘胶、三点粘胶、整片粘胶对上述MEMS结构引入的封装应力以及其全温(-40℃～60℃)温度漂移特性.此外,还分析研究了不同衬底厚度对MEMS结构封装应力的隔离效果.     

激光熔覆CoCrFeNiNbx高熵合金涂层的高温摩擦磨损性能

采用激光熔覆技术成功制备了CoCrFeNiNb_x (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金涂层,研究了Nb元素对高熵合金涂层微观组织和显微硬度的影响,分析了CoCrFeNiNb_0.75涂层在25~800 ℃的摩擦磨损性能和机制. 结果表明:CoCrFeNiNb_x高熵合金涂层主要由FCC (面心立方)相与具有HCP晶格结构的Laves相组成. 随着Nb摩尔含量的增加,CoCrFeNiNb_x的微观组织由单一的胞状晶FCC固溶体相(x=0)向亚共晶组织(x=0.25)、共晶组织(x=0.5)和过共晶组织(x=0.75,1.0)逐步发生演变. CoCrFeNiNb_0.75涂层具有最高的平均硬度(574 HV),表明适量的Nb元素的掺杂能有效提高涂层的显微硬度,这是固溶强化、第二相强化以及层片共晶组织中产生的大量新界面阻碍位错运动的边界强化相互作用的结果. CoCrFeNiNb_0.75涂层在室温下的磨损机制主要为氧化磨损和轻微的磨粒磨损,而在400和800 ℃下均为氧化磨损. 在800 ℃时,磨损表面形成了致密的氧化物釉质层,起到了良好的减摩抗磨作用,使高熵合金在高温环境下表现出了优异的摩擦磨损性能.      

MoO3-ZnO/镍基复合涂层制备及其摩擦学性能研究

利用等离子喷涂工艺制备了含氧化物(MoO₃-ZnO)的镍基复合涂层,通过UMT-3球盘式高温摩擦试验机评价了复合涂层在室温、400和800 ℃下的摩擦学性能,并采用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)以及拉曼光谱仪(Raman)等分析手段研究了涂层微观组织、物相组成以及磨损机理. 结果表明:在室温和400 ℃,复合涂层的摩擦系数和磨损率均高于Ni-5%Al金属基底,且随着氧化物含量的增加,润滑和耐磨性能均被削弱,主要表现为磨粒磨损和黏着磨损. 在800 ℃,MoO₃和ZnO的添加可以有效改善复合涂层的摩擦性能,随着其含量的增加,摩擦系数变化不明显,而磨损率逐渐增加. 特别是添加5%MoO₃和5%ZnO的复合涂层在800 ℃摩擦系数低至0.28,磨损率低至4.22×10?5 mm3/(N·m),其良好的高温润滑耐磨性能得益于摩擦表面二元氧化物(NiO、MoO₃和ZnO)和三元氧化物(ZnMoO₄和NiMoO₄)的协同作用.