一种基于压电扫描的新型微梁阵列免疫传感器

微梁免疫传感技术是在原子力显微镜和微机电系统基础上发展起来的一项新兴传感技术,具有检测灵敏度高、无需标记、能实时原位再现生化反应过程等优点。本文针对单梁传感系统中存在的环境扰动和不能多通道检测等问题进行改进,设计制作了一种基于压电扫描的新型微梁阵列免疫传感器。利用商品化微梁阵列对传感器进行了温度测试实验,所得信号曲线稳定一致,且检测灵敏度达到2nm,实验结果验证了该微梁阵列传感系统在多通道信号检测中的可行性,为微梁阵列生化传感技术的实现提供了一种新的方案。     

一种新型微梁阵列传感器设计及实现

微悬臂梁传感技术是微纳传感技术研究的热点,仪器装置的研究也从单悬臂梁向微梁阵列的方向发展.本文针对间距为250μm的商品化微梁阵列,提出了一种实现对其弯曲变形的读出系统光路.利用高精度位移平台调节激光器空间位置,使光束实现微距离上平行,并分别照射在阵列梁的相邻微梁上.用位置敏感探测器对两个微悬臂梁尖端反射的激光信号进行...     

微悬臂梁传感器对中药成分的非标记检测

利用微悬臂梁传感技术对两种中药成分(青蒿素与马兜铃酸)抗原抗体的特异性结合进行检测。首先用巯基化二抗将青蒿素或马兜铃酸抗体通过自组装法修饰到微悬臂梁的金面上,再加入不同浓度的青蒿素或马兜铃酸抗原,采用光杠杆原理监测微悬臂梁的实时变形。该系统能够检测出至少100ng/ml浓度的青蒿素与500ng/ml的马兜铃酸标准样品,并与ELISA实验所得的活性标准曲线趋势相对应。由于青蒿素抗体活性比马兜铃酸抗体活性强,因此检测出的青蒿素极限浓度较低。结果表明,利用微悬臂梁传感技术对中药成分的检测是可行的。     

微悬臂梁生化传感系统的性能分析

在基于光杠杆原理检测微悬臂梁变形的生化传感实验系统中,液体折射率的变化会导致PSD上光斑的位移,从而影响系统的检测信号。本文从理论上分析了在不同检测光束的入射角度、微梁的放置角度等参数条件下,液体折射率的变化对系统检测信号的影响。结果表明：在传统的光路下,液体折射率改变10-3引起的光斑位移与一般的生化反应引起的位移相当,即液体折射率的改变严重影响系统的检测信号。通过理论分析还发现在适合的参数配置下,可以忽略折射率变化对系统检测信号的影响。同时,参数的改变不影响系统的检测灵敏度。理论分析的结果得到了实验验证。     

基于MEMS的光力学红外成像

非制冷红外成像仪以其优良的性价比和高可靠性而倍受关注。近期 ,非制冷的热机械型红外成像仪有望发展成为新的低价格高性能的红外成像设备。本文提出了一种新型光学读出的红外探测仪。此红外探测仪的核心器件焦平面阵列 (FPA)由无硅基底结构的微悬臂梁阵列构成。每个微悬臂梁独立地把入射的红外热辐射转化为被光学系统探测的热变形。它不需要读出电路、真空腔和制冷装置 ,其理论上的噪声等效温度差接近致冷型红外成像系统 ,而制作成本和难度将大幅降低。制作的无硅基底单层膜结构的FPA ,其单元尺寸为 2 0 0 μm× 1 0 0 μm ,阵列大小为 1 5 0× 1 0 0像素数。实验制作的系统探测到温度为 5 0 0K左右的热物体像 ,热像采样频率为 1 2幅 /秒。     

光学读出室温物体红外成像

光学读出式红外成像系统是近年来提出的一种新型红外成像技术,它是基于探测双材料微悬臂梁吸收红外辐射后的变形。本文采用了谱平面刀口滤波方法,将双材料(SiNx/Au)微梁阵列接收热像后的转角变形转化为像平面上微梁阵列的像所对应的光强变化,并设计制作了无基底单层膜结构微梁阵列(100×100pixels,微梁尺寸200×200μm2,厚2μm)。用该阵列在光学读出系统中,获得了室温下人体的热图像。该系统在室温时(300K)噪声等效温度差(NETD)达到0.2K。     

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术--微梁阵列的设计与制作

本文给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件--微悬臂梁阵列的设计和制作,它是SiNx/Au双材料单层膜结构,简化制作工艺、可以直接在空气中成像.实验使用了设计制作的140 × 98微梁阵列和高信噪比的12-bit CCD,得到120℃以上的物体热像,噪声等效温度差(NETD)为5K左右,实验结果与热机械模型预测结果一致.     

基于神经网络与光纤传感阵列的结构状态监测方法

以探测机敏复合材料与结构内应变、应力及损伤等物理状态的位置信息为目的．提出了一种新颖的可内埋于材料与结构内作为结构状态监测用的强度调制型光纤传感阵列网络，并采用人工神经网络来处理传感阵列输出的并行分布式传感信号，阐述了适用的Ｋｏｈｏｎｅｎ网模型及其变化形式，给出了仿真实验结果     

光机械式红外探测器中镜面弯曲对探测灵敏度的影响(英文)

光学读出式红外成像技术是近年来研究的热点,本文讨论了镜面弯曲对光学检测灵敏度的影响。由双材料微悬臂梁组成的非致冷焦平面阵列通过体刻蚀工艺加工而成,由于残余应力的影响,制成的焦平面阵列将会发生弯曲,应力导致的镜面弯曲将会降低光学探测灵敏度。本文通过傅立叶光学模拟了镜面弯曲对光学探测灵敏度的影响,并通过实验验证了该模型。实验和模拟结果表明,在镜面曲率为0 .1mm-1时,光学探测灵敏度将会降低到理想情况的40 %。最后我们用这个模型评价了通过表面修饰来提高光学性能的效果。     

考虑中性层位置变化的微悬臂梁气体传感器静态模型的分析

微悬臂梁是一种高灵敏度的生化传感器。本文考虑吸附表面应力引起的中性层位置的变化,采用能量法建立了微悬臂梁在单层分子吸附稳定后的静态弯曲模型,并以表面吸附有水蒸汽分子的微悬臂梁为例,研究了微悬臂梁曲率半径随其厚度、杨氏模量及吸附分子间距的变化规律以及中性层位置变化对微悬臂梁传感器性能预测的影响,结果发现：1)微悬臂梁的曲率半径与其杨氏模量、厚度及吸附分子间距之间可以近似用一次、二次和八次函数关系表示;2）中性层变化导致的曲率半径计算误差,随着微悬臂梁厚度、杨氏模量的增加而减小,但影响较小,而吸附分子间距会对该相对误差产生明显影响;3）中性层位置变化会对微悬臂梁传感器灵敏度和表面应变预测产生明显的影响。     

基于MEMS和光学读出的非制冷红外成像技术

由于军事和商业应用的巨大潜力,红外成像技术至今仍是研究热点之一。针对本课题组提出的基于MEMS和光学读出的新型非制冷红外成像技术,本文一方面通过有限元仿真分析,详细讨论了新型无基底双材料微梁阵列FPA的热转换效率和热变形效率,另一方面通过光学理论分析,详细讨论了光学读出系统在极限操作下的光学测量灵敏度。理论和仿真分析显示,课题组提出的非制冷红外成像技术的NETD的理论极限与当前制冷型红外成像技术的典型指标相当,约为4mK。同时,本文对设计制作的FPA,在构建的系统上进行了红外实时成像实验和理论仿真分析,显示其系统级NETD已达到110mK。     

非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究

相控阵超声无损检测技术近年来在无损检测领域得到了越来越广泛的应用。但当前相控阵超声检测基于传统线性超声,对于材料或结构的微缺陷、微裂纹等缺陷不敏感。研究基于超声的非线性效应的非线性超声无损检测技术对于克服线性超声相控阵技术的不足具有积极的意义。本文设计和开发了基于非线性超声相控阵的无损检测系统,并利用超声检测的标准试件对该系统的性能进行了检验。对比测试了常规线性超声方法、基于滤波的非线性超声方法以及基于反相脉冲的非线性超声方法对于钨丝线靶、超声仿体以及碳钢试块的检测效果。测试结果表明,非线性超声相控阵无损检测技术与传统线性超声相控阵无损检测相比具有空间分辨力高、缺陷分辨力强等优点,而基于反相脉冲的非线性相控阵超声无损检测在空间分辨力上比基于滤波的非线性超声检测方法又有比较显著的提高。     

Wave generation and scattering by periodic baffle system in application to beam-forming analysis

Directional excitation and detection of sound in the periodic baffle system are analyzed using the method developed earlier in electrostatics. The phenomenon is exploited in phased array transducers applied in ultrasonography, nondestructive evaluation and testing. The nice feature of the applied method is that the matrices of the resulting system of the equations are relatively easy for computations and that the results satisfy exactly the energy conservation law. Illustrative numerical examples present the far-field wave-beam steering generated in a baffle system that may be considered as a model of a linear ultrasonic transducer array.     

三维Cosserat连续体模型与微结构尺寸相关效应的有限元分析

分析了三维Cosserat连续体理论中的应力应变特征,推导了三维Cosserat连续体的有限元方程,基于ABAQUS计算软件提供的用户单元子程序(UEL)接口编写了弹性Cosserat连续体三维20节点有限元程序,并分析了微悬臂梁自由端的挠度问题和微杆扭转问题。通过与基于经典连续体理论的解析解及有限元数值计算结果进行比较,表明所发展的三维Cosserat连续体有限元能有效地模拟微结构尺寸相关效应问题,即随着微结构尺寸与材料内部长度参数的接近,基于Cosserat连续体有限元分析得到的微梁的挠度以及微杆的转角与经典连续体的解析解及有限元解相比越来越小;反之,Cosserat连续体有限元的计算结果与经典连续体的解析解及有限元数值解较为一致。     

一种改进的水下三阵元辅助惯导系统的定位算法

针对水下惯导系统定位误差随时间发散的缺陷,设计了一种基于DVL、声学定位辅助惯导的组合导航系统。声学定位系统由安装在水下潜器上的换能器阵和布放在海底的三阵元定位基阵组成,传统长基线定位水下至少要布放四个阵元,三个阵元无法直接定位求解。根据三阵元测得的距离信息和惯导系统输出的位置信息建立距离耦合模型,给出了惯导、DVL和声学定位系统的状态方程和量测方程;同时针对水下声速垂直分布特性,提出了一种等效声速的修正方法。仿真结果表明:在三阵元定位基阵作用范围内,组合导航系统能有效修正惯导位置误差,定位误差小于4 m,具有良好的适用性。     

ABNORMAL BENDING OF MICRO-CANTILEVER PLATE INDUCECD BY A DROPLET

The abnormal bending of a micro-cantilever plate induced by a droplet is of great interest and of significance in micro/nano-manipulations. In this study, the physical mechanism of this abnormal phenomenon induced by an actual droplet is elucidated. Firstly, the morphologies of 2D and 3D droplets axe solved analytically or numerically. Then the Laplace pressure difference acting on the cantilever plate caused by the droplet is presented. Finally, the deflections of the micro-cantilever plates driven by the capillary forces are quantitatively analyzed. These analytical results may be beneficial to some engineering applications, such as micro-sensors, MEMS and the micro/nano-measurement.     

Piecewise-linear restoring force surfaces for semi-nonparametric identification of nonlinear systems

A method for identifying a piecewise-linear approximation to the nonlinear forces acting on a system is presented and demonstrated using response data from a micro-cantilever beam. It is based on the Restoring Force Surface (RFS) method by Masri and Caughey, which is very attractive when initially testing a nonlinear system because it does not require the user to postulate a form for the nonlinearity a priori. The piecewise-linear fitting method presented here assures that a continuous piecewise-linear surface is identified, is effective even when the data does not cover the phase plane uniformly, and is more computationally efficient than classical polynomial based methods. A strategy for applying the method in polar form to sinusoidally excited response data is also presented. The method is demonstrated on simulated response data from a cantilever beam with a nonlinear electrostatic force, which highlights some of the differences between the local, piecewise-linear model presented here and polynomial-based models. The proposed methods are then applied to identify the force-state relationship for a micro-cantilever beam, whose response to single frequency excitation, measured with a Laser Doppler Vibrometer, contains a multitude of harmonics. The measurements suggest that an oscillatory nonlinear force acts on the cantilever when its tip velocity is near maximum during each cycle.     

Sound fields radiated from a linear phased array based on analytical solutions of transient elastic waves

Beam characteristics of a linear phased array transducer are critical to its engineering applications as well as to its design. This paper proposes a method for the theoretical calculation of ultrasound field radiated by a linear phased array coupled to an elastic solid by a longitudinal wave couplant. In this case, the ultrasound field can be determined by superposition of the exact and analytical solutions of transient elastic waves induced by a number of discrete line sources normally acting on an elastic half-space. Based on the theoretical calculation, this work investigated the influences of several important parameters in a linear array transducer, such as wave length, array size, ratio of element width to inter-element spacing, to the ultrasound field characteristics. Interesting phenomena and useful results are obtained, which provide fast and accurate guidance for linear phased array transducer design. It also satisfies diverse and specific demands for actual engineering testing using arrayed transducers.