一种新型微机电系统扫描镜的谐振频率研究

在微光机电系统(MOEMS)技术的基础上,采用绝缘体上硅(SOI)的体硅加工工艺,设计并加工制作了一种新型的静电驱动的谐振式微机电系统(MEMS)扫描镜。介绍了其基本工作原理及结构设计特点;理论计算了圆形和方形两种结构的尺寸扫描镜的谐振频率,并利用ANSYS有限元软件进行仿真;设计并搭建了一个简单易操作的光学测试系统,对研制出的MEMS扫描镜(7.1mm×5.2mm)进行扫描角度测试。利用该器件参数激励的迟滞频率特性,对其谐振频率进行实际测量。同时,为验证其所测谐振频率的准确性,利用激光多普勒测振(LDV)系统对其进行测试。在工作电压10V,方形和圆形扫描镜的驱动频率分别为556Hz和596Hz时,机械扫描角度分别可达到约6°和5°,谐振频率分别约为300Hz和277Hz。并分析误差产生的原因及其结果。     

一种新型SOG周期可调光栅的制作及其衍射性能测试

研制了一种基于微光机电系统(MOEMS)技术的新型微型可编程光栅——周期可调光栅。该光栅采用玻璃体上硅(SOG)加工工艺,静电梳齿驱动,具有操作简单、连续可调和宽调制等特点。该光栅在静电驱动力的作用下,周期的变化引起特定级次下单色光衍射角的变化及复色光光谱的偏移。针对该光栅的衍射特性,设计及搭建两套光学系统,根据光栅结构设计参数的理论计算与测量结果基本一致,充分表明该光栅能对光具有良好的调制作用。为该器件在微型光谱仪和光开关的应用提供了技术参考。     

基于SOI工艺的扭转式微机械扫描光栅设计及制作

为实现微型光谱仪在工程领域的广泛应用,研究了其核心器件扭转式微机械扫描光栅的结构与制作方法。利用SOI工艺,设计一种无需启动电极的静电梳齿驱动结构,可以使扭转式微机械扫描光栅具有低频驱动、制作工艺简单、扫描范围广等优点。通过设计的制作工艺方法,研制出了能够初步满足性能要求的扭转式微机械扫描光栅样件。测试结果表明:该微扫描光栅在驱动电压为25 V时最大转角可达到4.8,对应的光学扫描角为19.2。     

反射式微光机电系统(MOEMS)的研究现状与展望

反射式微光机电系统是微光机电系统中的重要组成部分,近年来得到了较快的发展。介绍了反射式微光机电系统(MOEMS)的研究现状和最新进展。根据反射式微光机电系统的分类,列举了一些具有代表性的反射式MOEMS器件。简要介绍了反射式MOEMS的加工工艺;阐述了反射式MOEMS的应用领域;展望了发展前景。     

6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义. 关键词： 飞秒激光直写 超衍射加工 6H-SiC 微机电系统     

自组装静电驱动微机电系统倾斜镜

研制了一种基于自组装技术的静电驱动微机电系统(MEMS)倾斜镜,并利用表面硅工艺PolyMUMPs制备了样品。倾斜镜主要由一个中心镜面,两个偏转梁和两个可实现自组装的复合悬臂梁组成。中心镜面离衬底的高度可通过增大金和多晶硅复合悬臂梁的残余应力梯度得到提升。热退火技术被用于提高金层的残余应力。器件结构利用有限元仿真软件进行了优化并通过实验进行了验证。经过200 ℃热退火后,倾斜镜的偏转角度可以达到3.6。该倾斜镜可运用于微光机电系统。     

自组装静电驱动微机电系统倾斜镜（英文）

研制了一种基于自组装技术的静电驱动微机电系统(MEMS)倾斜镜,并利用表面硅工艺PolyMUMPs制备了样品。倾斜镜主要由一个中心镜面,两个偏转梁和两个可实现自组装的复合悬臂梁组成。中心镜面离衬底的高度可通过增大金和多晶硅复合悬臂梁的残余应力梯度得到提升。热退火技术被用于提高金层的残余应力。器件结构利用有限元仿真软件进行了优化并通过实验进行了验证。经过200℃热退火后,倾斜镜的偏转角度可以达到3.6°。该倾斜镜可运用于微光机电系统。     

一种离轴凸双曲面单修加工及检测方法的研究

离轴凸双曲面的加工和检测是非球面加工检测中的一个比较困难的问题.结合一块口径φ230mm、离轴量226mm的凸双曲面镜,提出了离轴凸双曲面镜单修加工以及采用离轴Hindle球检测偏转角度的离轴凸双曲面镜这一方案.给出了单修加工工艺,并解决了检测光路的搭建难点.加工完成的离轴凸双曲面的面形精度RMS优于λ/50(λ=63...     

基于李萨如扫描的微型激光投影显示技术

结合李萨如图像扫描和微机电系统(MEMS)二维谐振式扫描镜,提出一种新颖的投影显示方法。相比于传统的投影显示技术,该技术具有控制简单、能耗低、体积小及重量轻等优点。首先阐述了该投影显示技术中像素的定义与划分,然后从理论上分析了刷新率、分辨率和谐振频率之间的关系,以及选择谐振频率的约束条件,最后通过Matlab软件进行仿真验证,并使用研制出的扫描镜样件搭建了投影显示样机,成功投影出分辨率为260×180的图像,从而验证谐振频率选择约束的有效性以及该投影显示方法的可行性,为实际工程应用奠定基础。     

激光直写非对称多模高聚物光功率分配器

设计并制作了一种基于激光直写工艺的多模高聚物1×8光功率分配器。该器件采用了独特的次级非对称结构实现了光功率在各个输出端口的均匀分配。借助紫外激光直写的方式,配合高精度平移台实现了器件的加工,并将整个分配器的制作过程控制在5 min以内,从而在加工周期上颇具优势。对所得的分配器进行了性能测试,实验结果表明,端口输出光功率最大均匀度差异小于4%,证明了器件具有较为理想的分光性能。提出的激光直写法结构加工无需掩模或离子蚀刻等复杂加工手段,有助于大幅度提高制造效率并能够有效地控制器件性能。     

Analysis of machining characteristics in electrochemical etching using laser masking

Electrochemical etching using laser masking (EELM), which is a combination of laser beam irradiation for masking and electrochemical etching, allows the micro fabrication of stainless steel without photolithography technology. The EELM process can produce various micro patterns and multilayered structures. In this study, the machining characteristics of EELM were investigated. Changes in characteristics of recast layer formation and the protective effect of the recast layer according to the laser masking conditions and electrochemical etching conditions were investigated by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), focused ion beam (FIB) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The oxidized recast layer with a thickness of 500 nm was verified to yield a superior protective effect during electrochemical etching and good form accuracy. Finally, micro patterns and structures were fabricated by EELM.     

汉阳陵东阙门出土蓝紫色颜料的科学分析

鉴于微区X射线衍射(micro-XRD)技术的微区、微量、原位、无损等优势,尝试将其与超景深显微法,扫描电镜能谱(SEM-EDX)和显微激光拉曼(MLRM)技术相结合,对汉阳陵东阙门出土的蓝紫色颜料样块进行显微观察和无损分析鉴定,结果证实该蓝紫色颜料的成分为中国紫(BaCuSi₂O₆),并伴有黄铅矿(Pb₂[SO₄]O)和重晶石(BaSO₄)。中国紫这类人工合成硅酸铜钡系化合物颜料在西汉帝陵遗址中的发现,反映了紫色在当时具有崇高的社会等级地位,而其在东阙门的出土也进一步表示了西汉帝陵在设计、装饰方面深受五行思想的影响。另外黄铅矿和重晶石的发现可推测当时合成中国紫颜料时所使用的钡源是重晶石,黄铅矿以铅盐添加物在合成中国紫时作为助熔剂和催化剂,从化学史的角度反映了当时合成技术的成熟。     

基于微扫描镜的激光投影

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜,结合半导体激光器,可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射,扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15 V电压,频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下,镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转,扫描所得投影为李萨如图形.通...     

基于微扫描镜的激光投影

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜,结合半导体激光器,可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射,扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15 V电压,频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下,镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转,扫描所得投影为李萨如图形.通过分析图形的形成原理并用Matlab仿真,选出了适用用于任意图案显示的扫描镜谐振频率组合(X轴2 400 Hz, Y轴2 425 Hz).该组合可以形成194×192个像素点,刷新频率为25 Hz.在此基础上提出了一种通过调制激光开关来进行投影显示的方法.     

原子力显微镜探针耦合变形下的微观扫描力研究

原子力显微镜(AFM)的微探针系统是典型的微机械构件，它在接触扫描过程处于耦合变形状态.采用数值模拟方法探究恒力模式下探针耦合变形对微观扫描力信号、微观形貌信号的影响.研究表明，AFM的恒力模式扫描中，法向扫描力并不是恒定大小，与轴向扫描力存在耦合作用，在粗糙峰峰值增加阶段，二力均增加；在粗糙峰峰值减小阶段，二力均减小；该耦合作用随形貌坡度、针尖长度等增加而加强.微观形貌的测试信号和横向扫描侧向力信号受探针耦合变形影响较小，但侧向力与形貌斜率密切相关，且其极值点与形貌极值点存在位置偏差，这些结果均与原子力 关键词： 原子力显微镜 探针悬臂梁 耦合变形 扫描力     

显微热成像系统自适应位置标定方法

利用光学微扫描技术,可在不改变探测器结构的情况下,提高显微热成像系统空间分辨率。但为了获得高质量过采样重构图像,微扫描位置需要标定。基于零点定标,提出一种各点自适应定标的微扫描位置标定方法。模拟实际系统在定标前后的欠采样图像,采用不同重构方法进行仿真对比验证;完成了实际采集的欠采样显微热图像序列的重构对比实验。实验结果表明该方法明显改善了显微热成像系统的过采样重构图像质量,提高了系统空间分辨率。此方法还可以应用在其他光电成像系统中。     

利用毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术对单根头发中元素空间分布进行无损扫描分析

头发中的元素与人的饮食和健康状况有关,对头发中元素的分析,不仅可用于刑事物证鉴别,还可为疾病的预防和治疗提供依据,因此,如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析,分析了单根头发中元素的空间分布。在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中,毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态,从而形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,降低了背底信号对X射线荧光谱的影响,从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜,降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求,从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源,降低了实验成本。实验表明,毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。     

Effects of ultrasonic agitation on adhesion strength of micro electroforming Ni layer on Cu substrate

Micro electroforming is an important technology, which is widely used for fabricating micro metal devices in MEMS. The micro metal devices have the problem of poor adhesion strength, which has dramatically influenced the dimensional accuracy of the devices and seriously limited the development of the micro electroforming technology. In order to improve the adhesion strength, ultrasonic agitation method is applied during the micro electroforming process in this paper. To explore the effect of the ultrasonic agitation, micro electroforming experiments were carried out under ultrasonic and ultrasonic-free conditions. The effects of the ultrasonic agitation on the micro electroforming process were investigated by polarization and alternating current (a.c.) impedance methods. The real surface area of the electroforming layer was measured by cyclic voltammetry method. The compressive stress and the crystallite size of the electroforming layer were measured by X-ray Diffraction (XRD) method. The adhesion strength of the electroforming layer was measured by scratch test. The experimental results show that the imposition of the ultrasonic agitation decreases the polarization overpotential and increases the charge transfer process at the electrode–electrolyte interface during the electroforming process. The ultrasonic agitation increases the crystallite size and the real surface area, and reduces the compressive stress. Then the adhesion strength is improved about 47% by the ultrasonic agitation in average. In addition, mechanisms of the ultrasonic agitation improving the adhesion strength are originally explored in this paper. The mechanisms are that the ultrasonic agitation increases the crystallite size, which reduces the compressive stress. The lower the compressive stress is, the larger the adhesion strength is. Furthermore, the ultrasonic agitation increases the real surface area, enhances the mechanical interlocking strength and consequently increases the adhesion strength. This work contributes to fabricating the electroforming layer with large adhesion strength.     

A two-step nanosecond laser surface texturing process with smooth surface finish

Surface texturing (for example, producing micro dimples on the surface) of mechanical parts has a great potential to improve the surface tribological properties. Surface texturing through nanosecond laser ablation has many associated advantages and hence has drawn lots of attentions. However, the produced micro dimple bottom (if through laser spot scanning) is often very rough, which may harm the surface tribological properties. In this paper, a two-step laser surface texturing process is proposed and studied, where a relatively high-fluence laser ablation step (which is to create dimples) is followed by a low-fluence laser-induced melting, melted material flow and re-solidification step (which is to smooth the ablated dimple bottom surface). The study shows that the two-step laser surface texturing process can produce dimples with very smooth bottom surfaces. The effects of laser pulse duration and scan speed in Step 2 on the dimple bottom surface morphology and roughness have also been investigated, and some very interesting physical phenomena have been found, which have been rarely reported before in literature. Some hypothesized explanations are given for the observed effects, which require future work to completely understand their underlying mechanisms.