MEMS仿生矢量水听器微结构的有限元分析（英文）

结合压电原理和仿生学理论,利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器,具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率,利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先,对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次,运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果,得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400,80,50,1000和80μm时,MEMS矢量水听器的性能得到最优化,同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。     

混合微球谐振腔热非线性效应的增强方法（英文）

提出并实现了一种可增强微球谐振腔热非线性效应的方法。通过在微球谐振腔表面涂覆低折射率紫外胶形成并制备了混合谐振腔。通过分析混合谐振腔结构的热光系数,从理论和实验论证了混合谐振腔结构可获得更大的热非线性效应,同时验证了混合谐振腔的品质因素对热非线性的影响。应用此混合谐振腔结构于温度传感实验,结果表明通过增强方法制备的谐振腔其检测灵敏度提高了2.8倍。因此,此方法在传感应用、生物化学检测、通讯等领域也有广泛的应用前景。     

SOI环形光波导谐振腔双层石墨烯调制器（英文）

在片上光互连系统中,电光调制器起到将电信号调制为光信号的作用,是光互联系统中的核心部件之一。调制器的3dB带宽决定着载波所能携带的最大信息量,是衡量调制器性能的核心参数。利用石墨烯和高Q环形谐振腔设计成具有CMOS结构的新型调制器,其集成了石墨烯的宽带吸收、载流子迁移率高等材料优势和高Q值环形光学谐振腔的光程放大的结构优势,通过理论计算,其3dB调制带宽可以达到100GHz。同时,基于微环谐振腔的石墨烯电光调制器结构可以方便的与光互联系统中的波分复用器相集成,从而提升片上光互联系统的集成度和降低技术复杂性。     

基于支持度变换和top-hat分解的双色中波红外图像融合

为了解决用多尺度top-hat分解法融合双色中波红外图像时经常存在对比度提升有限、边缘区域失真较重的问题,提出了基于支持度变换和top-hat分解相结合的融合方法。先用支持度变换法将双色中波图像分解为低频图像和支持度图像序列;再从最后一层低频图像中用多尺度top-hat分解法提取各自的亮信息和暗信息;用灰度值取大法分别融合亮信息和暗信息;通过灰度值归一化和高斯滤波分别增强亮、暗信息融合图像;然后融合两低频图像和亮、暗信息增强图像;将融合图像作为新的低频图像和用灰度值取大法融合得到的支持度融合图像序列进行支持度逆变换,得到最终融合图像。该方法的实验结果同采用单一的支持度变换法融合和多尺度top-hat分解法融合相比,融合图像的对比度提升了11.69%,失真度降低了63.42%,局部粗糙度提高了38.12%。说明提出的从低频图像提取亮暗信息,并经过分别融合、增强,再与低频图像进行融合,能有效破解红外融合图像对比度提升和边缘区域失真度降低之间的矛盾,为提高图像融合质量提供了新方法。     

激光告警中近红外焦平面阵列探测器成像技术研究

为了提高激光探测的方位分辨率,实现对来袭激光的准确定位,选用了FPA-320x256-C型InGaAs焦平面阵列探测器作为光栅衍射型激光告警装置的核心元件。介绍了基于光栅衍射的激光波长和方向探测原理,在分析了探测器性能及参数的基础上设计了驱动电路。探测器在FPGA时序的控制下,输出模拟量通过高速AD进行采集,数据经缓存后存储在FPGA外扩的SRAM中,然后通过USB传送至PC机。上位机Labview采集原始数据,处理并显示。利用上述方法,完成了成像实验,采用波长为1 550和980 nm的激光器从不同角度进行入射,对探测得到的衍射图像进行分析,判断出零级和一级的位置,根据光栅衍射理论,计算出相应波长和二维方向入射角,结果显示波长误差小于10 nm,入射角误差小于1°。     

基于金刚石色心自旋磁共振效应的微位移测量方法

基于压电陶瓷精密微位移系统的扫描探测技术是目前精密测量仪器进行微纳区域/结构性能测试的核心系统,但压电陶瓷材料存在迟滞、非线性问题,限制了对微位移分辨能力的提升.本文以金刚石氮空位色心为敏感单元,利用电子自旋效应对磁场强度的高分辨敏感机理,结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系,提出了一种基于金刚石氮空位色心电子自旋敏感机理的微位移检测方法.通过建立电子自旋效应与微位移的关联模型,搭建了相应的微位移测量系统.经实验验证,该系统对微位移测试的灵敏度为16.67 V/mm,检测分辨率达到60 nm,实现了对微位移的高分辨率测量.并通过理论分析,该系统的微位移测量分辨率可进一步提升至亚纳米级水平,为新型微位移测量技术提供了发展方向和研究思路.     

应用于微电容超声换能器的信号处理电路设计*

针对微电容超声换能器的输出信号特征及检测要求,文中设计了换能器的微弱信号处理电路,包括基于跨阻的微弱电流信号检测和多重反馈带通滤波电路。通过搭建水下测试平台,对电路性能及功能进行实际测试,并进行水下测距实验。实验结果表明,该电路可对微电容超声换能器输出的400 k Hz信号进行检测放大与滤波;电路的线性度为0.18%,滤波电路中心频率为396 k Hz,带宽为55 k Hz。该电路可用于CMUT的接收信号处理并应用于超声测距及成像的前端信号处理。     

Si基双环级联光学谐振腔应变检测研究

绝缘衬底上的硅材料制备的光学微环谐振腔结构具有高灵敏度、结构尺寸小和极低模式体积等特性,被广泛应用到光信息传递、惯性导航领域,但极少被应用到力学信号的测试,为此,研究了一种基于硅基光学微环谐振腔结构的悬臂梁式应力/应变敏感计,利用微环谐振腔环形波导径向形变量作为感应应力的中间物理量,在外界应力作用下,环形波导的半径将发生改变,使结构的光学谐振参数产生变化,从而使光学微环谐振腔谐振谱线发生明显红移,体现出良好的应力/应变敏感特性;通过设计双环级联光学微腔,并采用MEMS光刻、ICP腐蚀工艺制备了嵌入式光学微腔应变计结构,结合理论计算了悬臂梁结构的应力应变敏感特性,经仿真及实验得到,应变计结构的应力/应变灵敏度分别为0.185 pm·kPa-1,18.04 pm·microstrain-1,与单环微腔结构相比,线性量程增加了近50.3%,应力灵敏度提高了近10.6%,初步验证了嵌入式光学微腔结构进行高灵敏度应力/应变检测的可行性,有望实现新型光学力敏传感器件的微型化、集成化。     

基于MEMS压阻传感器的低功耗高过载测试系统设计

为了检验弹体在高冲击环境下的工作情况,提出了一种基于压阻传感器的高过载、低功耗的测试系统设计方案。该系统可承受2×105g的过载冲击测试,且具有采样率高、体积小、功耗低的特点。通过打靶实验验证:在过载测试过程中该系统具有承受高冲击的能力,并能精确地采集到信号微弱变化,保证了弹体在飞行中记录数据的准确性。     

PDMS梯度光栅结构制备技术研究

由于传统方法制作的梯度光栅,工艺条件苛刻,制作过程复杂,难以控制,制作成本高,周期较长,提出了一种成本低、工艺简单、可大量制备梯度光栅的工艺方法,采用基于刚性薄膜/柔性衬底的自组装工艺和氧等离子体(Plasma)的方法制备了微米尺度的梯度光栅,利用Plasma时间的可控性和聚二甲基硅氧烷(PDMS)优异的弹性制得所需要尺寸的光栅。首先在聚乙烯对苯二酸脂(PET)薄膜上旋涂一层PDMS薄膜,待PDMS薄膜固化后将双层薄膜弯曲并用Plasma处理,在其表面生成一层刚性氧化层,借助柔性的PET对刚性层施加均匀应力,当应力超过临界值时,在PDMS基底上自组装形成光栅褶皱结构。由于弯曲时预应力的变化,所以在PDMS薄膜上会形成周期和高度呈阶梯状的的光栅褶皱,也就是梯度光栅。采用可见光作为梯度光栅的性能测试光源,选用一级衍射光作为检测对象,从图谱中可以看出以PDMS为基底制备的光栅具有很好的衍射效应,并可实现很好的分光效果。实验表明：梯度光栅具有明显的衍射现象,并且衍射角变化显著,可广泛用于应力测量。这种方法制备的柔性梯度光栅也可以作为微型应变装置来检测应力的变化,未来有望用于微型光谱仪、扫描仪、光通讯等领域中。