基于激光阵列的多通道微梁生化传感系统

针对单微悬臂梁生化检测系统中存在的温度漂移、溶液折射率变化等环境噪声影响和不能多目标检测等问题,设计制作了一种基于垂直腔面射型激光器阵列(VCSELs)的新型微悬臂梁阵列生化传感系统。利用双透镜组光路汇聚激光器阵列发出的激光束,依次照射到微悬臂梁阵列尖端进行精确定位扫描,实现了5根微悬臂梁变形信号的同步检测。该系统具有灵敏度高、一致性好、检测快速等优点。通过升降温动态实验测试,验证了该系统的稳定可靠性。上述结果为微悬臂梁阵列式生化传感技术的开展提供了一种新的方法和平台。     

基于光学读出的微悬臂梁温度传感器研制

为实现对环境温度的高分辨率、快速、准确测量,设计制作了一种基于光学读出的微悬臂梁温度传感器.由于组成微悬臂梁的两种材料——金和氮化硅热膨胀系数的差异,在温度变化时,梁内部会产生热应力导致其弯曲变形.不同温度下梁的弯曲变形量不同,利用光杠杆方法检测出此变形,经标定后就能实现环境温度的准确测量.实验中设定系统光臂长度为25mm,采用商业化三角形微悬臂梁(长200μm、宽40μm、氮化硅层厚0,6μm,金层厚60nm)对传感器进行了测试,实验结果显示其测量重复性好,温度分辨率达到0.02℃.对于特定尺寸的微悬臂梁,通过优化其双材料厚度比,温度分辨率可达10-4℃,可用于环境温度的精密测量.     

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,论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、厚度及吸附分子问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,随着微悬臂粱厚度、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.     

基于全场位移测量技术的微悬臂梁面内弯曲性能测试

基于自制的微力试验机和全场位移光学测量仪,建立了微尺度力学性能原位测试系统。其中微力试验机基于电磁驱动兼载荷计量原理设计,载荷量程和噪音分别为±1N和50μN。全场位移光学测量仪基于白光数字散斑相关方法研制。采用该系统对MEMS单晶硅(001)微悬臂梁进行了面内弯曲力学性能原位测试,获得了微悬臂梁末梢施力点的力-位移关系曲线,以及全场变形情况。结果显示,微悬臂梁表现出很好的弹性弯曲行为,最后在根部发生脆性断裂。根据弹性弯曲理论计算出单晶硅弹性模量为123.8GPa(±3.2%)。该技术为研究MEMS微构件的力学性能提供了一种有效的手段。     

微梁传感研究大分子构象转变

通过表面修饰技术将大分子连接到微悬臂梁的单侧表面上，调节周围的物理、化学环境使大分子的构象发生转变，并用光杠杆法检测微梁变形。实验结果显示，大分子在微梁表面的构象转变过程会引起微梁的表面应力发生变化，并使之产生纳米量级的端部位移变形。此外，对于不同的大分子，促使微梁表面应力发生变化的机制是各不相同的。分析显示，氢键作用、静电作用和疏水作用分别在PNIPAM分子、PAA分子和胰蛋白酶分子的构象转变和微梁表面应力变化过程中起主要作用。微梁传感用于大分子的构象转变检测，提取的是分子间相互作用力的信息，它为从微观上理解大分子构象转变问题提供了一种新的实验手段。     

基于微悬臂梁技术对固液界面间横向摩擦力的检测

研究固液界面上的力学行为对于界面科学和工程应用具有重要意义,如何检测液滴在材料表面的横向摩擦力一直是界面领域研究的难题之一.本文基于微悬臂梁传感技术和视觉图像分析技术,设计并搭建了一套固液横向摩擦力检测系统,将毛细管端部的弯曲程度与固液界面的相互作用力建立关系,实现对固液界面间横向摩擦力的精确测量;通过对水滴在疏水界面...     

微梁传感研究大分子构象转变

通过表面修饰技术将大分子连接到微悬臂梁的单侧表面上,调节周围的物理、化学环境使大分子的构象发生转变,并用光杠杆法检测微梁变形.实验结果显示,大分子在微梁表面的构象转变过程会引起微梁的表面应力发生变化,并使之产生纳米量级的端部位移变形.此外,对于不同的大分子,促使微梁表面应力发生变化的机制是各不相同的.分析显示,氢键作用、静电作用和疏水作用分别在PNIPAM分子、PAA分子和胰蛋白酶分子的构象转变和微梁表面应力变化过程中起主要作用.微梁传感用于大分子的构象转变检测,提取的是分子间相互作用力的信息,它为从微观上理解大分子构象转变问题提供了一种新的实验手段.     

光热激励下微悬臂梁在流体中的振动研究

微悬臂梁结构广泛应用于微纳电子机械系统. 在实际应用中,涂层和工作环境的变化对微悬臂梁结构动态工作模式有着不容忽视的影响. 运用流体中双层微悬臂梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下,金涂层微悬臂梁在不同流体中的振动特性. 理论上得到了微悬臂梁的温度场,光热驱动力和振动变形场的解析表达式. 研究结果表明,流体环境对微悬臂梁的光热振动谱有显著的影响,主要表现在共振频率的偏移和品质因子的变化两个方面. 相比较于悬臂梁在真空中的响应,当悬臂梁在空气中振动时,共振频率向低频产生微小的漂移（0.7%）,共振峰未发生明显变化;然而,当悬臂梁在液体中振动的时候,共振频率向低频产生巨大的漂移（58%~80%）,而且品质因子发生量级上的减小,共振峰发生了畸变. 本研究对微纳探测以及原子力显微镜等仪器的设计优化,有着一定的理论指导意义.      

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。     

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...     

小型自准直式光电传感器性能测试系统

为标定小型实心转子静电陀螺仪用自准直式光电传感器的性能，设计了一个专用的性能测试系统。传感器性能测试表明，被测小型自准直式光电传感器的分辨率优于1^#，传感器性能测试系统满足使用要求。     

基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计

针对声矢量传感器姿态变化难以准确测量导致目标测向精度低的现状,设计一种微型MEMS姿态传感器,并将其封装在声矢量传感器内部,实现基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计。首先根据声矢量传感器姿态测量与校正原理,采用四元数姿态解算方法及扩展卡尔曼滤波器设计MEMS姿态传感器,并对其进行姿态精度测试;然后基于MEMS姿态传感器进行声矢量传感器样机设计、制作、参数测试;最后对样机进行了海上实验,结果表明,通过姿态校正后声矢量传感器目标方位估计精度与GPS推算方位精度一致,验证了利用MEMS姿态传感器设计声矢量传感器的可行性。     

基于半球谐振陀螺与星敏感器的星载姿态测量系统实现

为满足长寿命卫星对高精度、高可靠、低功耗、轻重量的姿态测量系统的需求,构建了一种基于半球谐振陀螺与星敏感器的星载姿态测量系统。针对国产半球谐振陀螺和加速度计结构特点,建立了惯性器件配置结构,完成了系统的相关标定,开发了以四元数为基础的姿态算法,利用卡尔曼滤波技术,将惯性姿态测量系统与星敏感器进行组合,实现了工程样机设计。测试表明,在实验室环境下,静态姿态精度达到13.9″(峰值),动态姿态精度达到15.4″(峰值),所研制的工程样机的精度指标能够满足高精度卫星的使用要求。     

基于MEMS加速度传感器的步态识别

针对最小采集约束条件和经历长时间跨度下识别率低的问题,提出一种基于MEMS加速度传感器的步态识别算法。该算法以右髋部位置采集加速度信号构造多个高斯差分尺度空间,利用局部关键点生成稀疏表示的步态特征位置模板,并采用模板融合来有效转换稀疏性步态周期特征,最后利用最近邻算法和投票机制对步态特征进行识别。在公开的含175名测试者的步态加速度数据集上进行测试,实验结果显示识别率为98.67%和认证率为99.89%,并进一步研究了测试集和训练集样本数目对识别效果的影响,验证了特征提取的有效性和稳定性。     

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。     

短路匝式传感器干扰力矩分析

短路匝式传感器带来的干扰力矩是引起陀螺仪随机漂移的重要因素之一,减小该项干扰力矩对提高陀螺精度能够起到重要的作用。本文利用电磁感应定律和磁路分析法对干扰力矩进行了推导,并通过Ansoft maxwell软件对短路匝传感器不同参数情况下的干扰力矩进行仿真分析,得出了转子转角、激磁电压和激磁频率对干扰力矩的影响关系曲线,最后合理选择参数以保证干扰力矩在精度允许范围内。该分析结果对减小短路匝传感器的干扰力矩和减小陀螺仪的随机漂移都具有一定参考价值。     

光纤模斑谱传感器复合材料固化监测研究

提出利用一种新型光纤传感器，通过测量光纤末端近场模斑谱反映光纤埋置周围树脂折射率的变化．计算了随着树脂固化过程中折射率变化的功率谱密度分布，给出截止频率与折射率的近似关系．给出了利用这种传感器进行复合材料树脂固化监测的实验结果．发现这种光纤传感器的信号可以用来反映固化凝胶点和固化结束点．由于固化后光纤仍保持光波导特性，该光纤还可以用来监测结构受环境的扰动如温度变化、振动等．     

基于改进猴群算法的传感器优化布置方法研究

提出了一种基于新型智能算法一改进猴群算法的传感器优化布置方法.考虑传感器优化布置的特点,采用整数编码的方式给出了猴群的位置,克服了猴群算法只能解决连续性变量优化的问题;在初始化猴群位置时通过引入欧氏距离来增强猴群的多样性,以提高其全局搜索能力;并在爬过程中加入和声算法中的随机扰动机制,来提高其局部搜索能力;文末以大连世贸大厦为例,进行了参数敏感性分析以及传感器优化布置方案的选择.结果表明,改进的猴群算法能较好地解决传感器优化布置问题,较经典的序列法有其明显的优越性.     

微惯性传感器建模及冲击响应分析

研究了微惯性传感器在冲击环境下的可靠性问题，重点分析了微惯性传感器在冲击载荷作用下的冲击响应问题。根据微惯性传感器结构部件主要由质量块、支承梁、衬底组成的特点，建立了微惯性传感器结构部件的集总参数模型，得出了微加速度计和微陀螺在半周正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应解析解，并采用有限元分析软件ANSYS验证了该解析解的正确性。此冲击响应解析解对预测微惯性传感器在冲击环境下的可靠性具有重要作用。