基于微光机电系统的微光学自适应微镜的研究

提出了一种利用热应力改变镜面曲率的可调焦微光学自适应微镜。与传统自适应微镜相比,采用该原理制作的微镜具有驱动电压低和驱动力较大的优点,而且制作简单。以硅为基底进行了表面热氧化、光刻显影、HF酸刻蚀、KOH湿法刻蚀,溅射铝膜等微加工工艺的研究,获得硅铝双金属可调焦微反射镜4×4阵列,单元尺寸3 mm×3 mm,单晶硅基底厚60μm,硅表面溅射的铝膜厚150 nm。该微镜的镜面填充率为100%,可变形镜面占总镜面面积的79%。利用激光波面干涉仪对可调焦微反射镜的动态性能进行了测试。实验表明,该微镜可产生单向连续变形,最大变形量15.8μm,非线性滞后27%,工作电压0~2.5V,可调焦范围∞~0.036 m。     

基于激光差动多普勒效应的微机电系统动态测试技术

提出了一种用于测量微机电系统(MEMS)器件瞬时速度、位移的测量系统。采用激光差动多普勒技术,检测谐振器在平面内的振动,测量垂直于系统测量光轴方向的振动速度。并在差动多普勒测量光路的基础上加入了CCD监测光路,实时观察被测器件调整过程和振动情况。通过处理电路从光学系统输出的高频信号中提取多普勒信号,利用Labview和Matlab软件对采集的多普勒信号进行时频分析,得到被测器件的运动参量。通过对测点的微定位,对MEMS器件进行整平面的扫描,得到器件振动的瞬时速度场,为进一步对MEMS器件的高阶谱振动分析及扭转分析提供了一定的基础和必要的支持。     

微机电系统微尺度间隙的脉冲击穿特性

利用微机电系统(MEMS)工艺制备了5~40 m间隙的金属铝薄膜电极,测取了不同间隙下施加纳秒方波脉冲时的击穿电压,得到击穿电压和平均场强随电极间隙的变化规律,研究了脉宽、极性对击穿电压的影响,结合击穿后微电极扫描电镜观察结果讨论了其击穿机理,并与相同试样在直流下的结果进行了对比。研究表明:击穿电压随微间隙距离的增大而增大,击穿场强则随着间隙的增大迅速减小;与直流同间隙的击穿电压相比,脉冲作用下的击穿电压并不像宏观尺度下那样高出很多;试样击穿机理应为流注理论。在脉冲作用下,阳极出现了分层熔化现象,由于作用时间很短,阳极表面并未出现类似于直流击穿时留下的坑洞;阴极则出现了溅射沉积现象,只是沉积物质相对较少。     

微机电系统微尺度间隙的脉冲击穿特性

利用微机电系统(MEMS)工艺制备了5~40 m间隙的金属铝薄膜电极,测取了不同间隙下施加纳秒方波脉冲时的击穿电压,得到击穿电压和平均场强随电极间隙的变化规律,研究了脉宽、极性对击穿电压的影响,结合击穿后微电极扫描电镜观察结果讨论了其击穿机理,并与相同试样在直流下的结果进行了对比。研究表明:击穿电压随微间隙距离的增大而增大,击穿场强则随着间隙的增大迅速减小;与直流同间隙的击穿电压相比,脉冲作用下的击穿电压并不像宏观尺度下那样高出很多;试样击穿机理应为流注理论。在脉冲作用下,阳极出现了分层熔化现象,由于作用时间很短,阳极表面并未出现类似于直流击穿时留下的坑洞;阴极则出现了溅射沉积现象,只是沉积物质相对较少。     

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。     

一种新型微机电系统可调光衰减器

一种新型的低成本、小体积的电磁驱动微机电系统可调光衰减器,可用于密集波分复用系统中各信道的动态增益平衡。该器件采用电磁线圈驱动绕100微轴转动的微反射镜,运动部件行程极小。驱动电压为0～8V,工作范围0～35dB,动态响应时间小于2ms,插入损耗小于0．8dB,回波损耗小于-50．5dB。器件采用微细电火花加工技术制作,加工精度为微米量级。技术成熟,工艺简单,易于批量生产。采用有限元分析软件ANSYS对器件的结构建模,对电磁场及衰减曲线进行了理论分析,并与实测数据进行了比较,得出了相当满意的结果。     

垂直扫描白光干涉术用于微机电系统的尺寸表征

随着微机电系统的发展,器件设计和加工过程中的表征成为一个主要问题。提出了将扫描白光干涉表面轮廓测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上。测量系统采用了米劳显微干涉仪,利用压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向100μm范围内的精确扫描,并通过傅里叶变换算法获取条纹包络峰的位置,进而得到器件的整体集合尺寸信息,与相移干涉方法相比大大提高了测量范围。通过测量纳米台阶对该系统进行了精度标定,测量重复性在亚纳米量级。最后通过测量微谐振器和微压力传感器的几何尺寸说明了该方法的功能。     

一种新型微机电系统法布里-珀罗滤波器的设计与分析

基于微机电系统(MEMS)技术,提出了一种光栅与法布里-珀罗(F-P)腔相结合的新型MEMS F-P滤波器结构,这种滤波器既能保证较宽的自由光谱范围又能够获得较窄的半峰全宽。从实现机理、参数设计和选择对F-P滤波器的结构进行了深入分析,并着重对微桥桥面的机电性能进行了仿真计算。通过选择不同的微桥桥面厚度(0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1μm),比较微桥在静电力作用下的平整度,发现当微桥表面厚度为1μm时,得到了一个较优结果,在5V电压下,上反射镜的倾斜位移ΔL为9.11nm,最大腔长变化量为242nm,这样能保持前后腔面反射光的平行要求,从而保证滤波器的滤波效率和对选择光的利用率。该滤波器能够解决传统微型滤波器自由光谱范围与半峰全宽相互限制的矛盾,提高微型滤波器的性能。     

基于人眼视觉的直视型微光成像系统MRC模型

首次将最小可分辨对比度(MRC)的概念引入到了直视型微光成像系统。在人眼视觉的基础上,从信号检测的角度出发,推导出了直视型微光成像系统的MRC模型。该模型综合考虑了空间因素和时间因素对成像系统的影响,给出了系统在不同目标照度、不同对比度情况下探测图像时的极限灵敏阈。模拟结果表明,由此得到的直视型微光成像系统的极限分辨率与实际系统给出的分辨率基本一致,是一种能更全面地评价微光成像系统性能的模型。     

基于光栅投影和点云体积计算的过度包装检测系统

为了实现商品过度包装的无接触检测,设计了一种基于光栅投影的商品过度包装检测系统。首先利用投影仪和两个高分辨率摄像头,实现物体三维点云的获取,再提出物体点云的包围盒获取算法,计算物体的包围盒体积及三维点云体积,最后根据容积率和空隙率,检测商品包装是否过度。实验结果表明,系统能有效基于点云形状生成包围盒,点云体积计算准确度能达到95％,耗时比广泛使用的Poisson方法明显减少。     

非硅基底1×4微机电系统光开关

设计研制了一种小体积、低成本、可扩展的低电压非硅基底 1× 4微机电系统光开关。开关单元由电磁驱动 ,微反射镜绕直径 10 0 μm转轴转动 ,驱动电压为 5V ,开关时间小于 2ms,插入损耗小于 0 .84dB ,具有断电自锁功能。器件构造工艺采用微细电火花加工技术。用有限元法分析受力和磁场 ,进行结构优化设计 ,并着重介绍开关的实现及性能     

Effect of staggered array structure on the flow field of micro gas chromatographic column

A new design of staggered array semi-packed micro gas chromatographic column was presented based on the micro electromechanical system(MEMS)technology.It was a sensor for gas sample analysis.The internal velocity fields of ten types of semi-packed micro gas chromatographic column were studied.The effects of array spacing and dislocation spacing on the flow field distribution were investigated.The results show that on the basis of ensuring the formation of virtual wall,with the increase of array spacing,the maximum velocity difference between the flow channels in the vertical direction decreases gradually,but the velocity difference in the flow channels a and b increases.When the inlet velocity was set to be 0.18 m/s,the maximum velocity difference in the channel of the staggered semi-packed micro gas chromatography column 3(CSAC3)was 0.05610 m/s.The maximum velocity difference in the channel a was 0.09160 m/s.The maximum velocity difference in the channel b was 0.02401 m/s.CSAC3 had a more uniform velocity field distribution,which can effectively suppress the laminar flow effect during chromatographic separation,and had a smaller pressure distribution,which puts forward lower requirements for carrier gas system.The staggered array semi-packed micro gas chromatography column proposed in this paper can effectively improve the velocity field distribution and pressure distribution in the channel,and provide a theoretical basis for the design of the new micro gas chromatography column structure.     

基于二维MEMS器件的微型投影技术

利用微机电器件的二维偏转特性,以激光二极管为光源,通过二者结合来实现激光扫描微机电器件的投影系统。和传统微型投影技术相比,基于微机电器件的微型投影显示系统具有尺寸小、能耗低、图像对比度高等优点。根据元器件特性,对激光光束进行准直、汇聚、匀化处理,并借助二维微机电器件的反射偏转特性设计了物镜后扫描系统,再对扫描方法、像素排列等进行优化分析。设计结果显示:系统像面尺寸为104 mm×59 mm,包含80%能量时单像素点几何半径在186 μm以内,系统分辨率可以达到558×314 pixel,刷新率为30 Hz。设计的投影系统可用在车载平视显示系统等小型投影系统中,也可为类似设计提供参考。     

光纤微机电系统压力传感器的理论分析和数值模拟

设计了一种基于微机电系统(MEMS)的光纤压力传感器,证明了光纤MEMS压力传感器在工作状态下可以由法布里_珀罗腔的理论模型解释。推导出了在光纤MEMS压力传感器中硅横膈膜的压力与干涉光强的关系表达式,并对光纤MEMS压力传感器的模型进行了数值模拟,初步确定了在传感器的制作过程中各个物理量的取值。其中腔体半径为300μm、腔体深度为1.42μm、硅横膈膜厚度为23μm,为光纤MEMS压力传感器的加工和制作提供了理论基础。     

基于三片曲面反射镜的离轴投影成像系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80,相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M₁表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度,而第二片反射镜M₂和第三片反射镜M₃表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析,三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好,调制传递函数实现60 lp/mm 时60%以上,畸变小于2.0%.与其它文献相比,基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差,缩短系统厚度,增大系统的可视角与相对孔径.     

基于GEM探测器的时间投影室TPC的讨论

自20世纪90年代以来, GEM探测器以其高电子倍增、高空间分辨和高计数率等优势在粒子物理和辐射成像等领域得到了广泛和深入的研究, 具有广阔的应用前景. 如果将GEM作为读出探测器应用在时间投影室TPC系统上, 和传统的读出方式比较起来, 既有许多优点也有许多挑战. 目前世界上有许多机构正在研究将此方案用于将来的大型正负电子对撞机ILC. 本文论述了这些研究课题的概况, 讨论了TPC的各项关键性能指标与GEM探测器的关系及存在的问题.     

基于三片曲面反射镜的离轴投影成像系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80,相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M1表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度,而第二片反射镜M2和第三片反射镜M3表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析,三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好,调制传递函数实现60lp/mm时60%以上,畸变小于2.0%.与其它文献相比,基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差,缩短系统厚度,增大系统的可视角与相对孔径.     

基于光纤光栅的一体式靶式流量传感技术

针对以往液压系统检测中存在的特点,如结构杂、体积大、精度低,设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的一体式靶式流量传感器。分析了FBG及靶式流量传感原理,设计出一种组成紧凑、便于密封以及拆装的一体式靶片,将放在流体里的靶片受到的与流速成相关变化的冲击力变为FBG波长的漂移,双FBG对称分布,分别放在悬臂梁两表面中轴线处,这种差动形式可以很好地增加灵敏度,并且可以解决应变和温度的交叉敏感现象。通过FLUENT分析了流体形式,结果显示这种结构给流体造成的影响比一般结构小。实验测试过程中,双FBG中心波长总变化数值和放置于靶片的质量呈现出明显的线性变化,并且灵敏度为一个FBG灵敏度的双倍,可靠性以及稳定性较好。