A Novel Analytical Approach for Multi-Layer Diaphragm-Based Optical Microelectromechanical-System Pressure Sensors

An optical microelectromechanical-system （MEMS） pressure sensor based on multi-layer circular diaphragm is described and analysed by using the proposed novel analytical approach and the traditional transfer matrix method. The analytical expressions of the deflection of multi-layer diaphragm and absolute optical reflectance are derived respectively. The influence of residual stress on the deflection of diaphragm is also analysed. Simulation results given by the finite element method are consistent with the ones which are analysed by using the analytical approach. The analytical approach will be helpful to design and fabricate the optical MEMS pressure sensors with multi-layer diaphragm based on Fabry-Perot interferometry.     

光纤加速度传感器研究进展

光纤加速度传感器与传统加速度传感器相比，不但能抗电磁干扰，而且体小、质轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作，因此受到各先进国家军事与商业领域的极大重视，各种实用的光纤加速度传感器不断涌现。主要有光强调制型和相位调制型两大类。光强调制式有反射式、透射式和偏振式等等。相位调制式有Ｍａｃｈ－Ｚｅｎｄｅｒ干涉仪、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉仪和Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪。有一维的，也有二维的；有与水听器组合在一起的，也有与光纤陀螺仪组合的光纤加速度传感器。最小的已经做到２．５ｃｍ长，直径仅０．２５ｍｍ；测量精度已能达到１μｇ；共振频率可达到１０ｋＨｚ。为了克服温度不稳定性对测量精度的影响，人们采用了３×３耦合器解调法，双光路法，由单臂式改成推挽式等。一旦关键技术得以克服，光纤加速度传感器将会在惯性导航和其它领域发挥更重要的作用。本文将分别介绍目前各种类型光纤加速度传感器的结构、特点、走向实用化存在的问题。     

稀土纳米薄膜摩擦学性能研究

用自组装方法可以在单晶硅表面获得稀土纳米薄膜，得到的薄膜通过XPS，偏振光椭圆率测量仪、角接触仪、AFM等手段表征。通过滑动摩擦实验，可以测试稀土薄膜的界面粘附力。通过DF-PM型复复摩擦磨损试验机，考察稀土纳米薄膜的摩擦磨损特性。实验结果表明，稀土纳米薄膜具有低摩擦系数和高抗磨损特性。稀土纳米薄膜具有纳米级尺度、强界面结合力和低表面能，使其成为MEMS装置固体润滑的理想选择。     

STABILITY ANALYSIS OF A CAPACITIVE FGM MICRO-BEAM USING MODIFIED COUPLE STRESS THEORY

Based on the Modified Couple Stress Theory,a functionally graded micro-beam under electrostatic forces is studied.The FGM micro-beam is made of two materials and material properties vary continuously along the beam thickness according to a power-law.Dynamic and static pull-in voltages are obtained and it is shown that the static and dynamic pull-in voltages for some materials cannot be obtained using classic theories and components of couple stress must be taken into account.In addition,it is shown that the values of pull-in voltages depend on the variation through the thickness of the volume fractions of the two constituents.     

基于数字式MEMS传感器的声阵列成像系统设计*

常规驻极体传声器阵列成像系统存在数据采集系统复杂、体积大的问题,因而阵列传感器数量一般不超过60个,成像质量较差。为此,本文以数字式MEMS声传感器基础设计了260个传感器的声阵列,数据采集系统由FPGA控制,并嵌入到前端阵列中,后端是在另一个FPGA控制下的1个DSP芯片和2个PC104模块组成的集成系统,其中高速DSP芯片完成阵列信号处理以实现声成像功能。该系统能够实现对普通车间环境下机械设备噪声、气体泄漏噪声的现场成像测试,形成动态声像图。测试表明,该系统抗干扰能力强、声像分辨率高、成像速度快,实用效果良好。     

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。     

宽带高增益双层硅基MEMS微带天线阵列（英文）

针对传统微带天线带宽窄和增益低等问题,设计了一种易与射频(RF)前端集成的硅基微带天线。该天线设计结合MEMS工艺,将高阻硅和低阻硅通过键合工艺形成双层硅基底,来改善微带天线介质基板的等效介电常数,有效增大了天线的带宽。同时通过在地面引入缺陷地结构(DGS),有效的抑制谐波的产生。在此基础上设计了中心频率为10 Hz,2×2天线辐射阵列。仿真结果表明,天线相对阻抗带宽达到15.9%,增益超过10.9dB,比传统微带天线有明显提升,同时满足引信中天线抗干扰的要求。     

静电负刚度调谐加速度计的力平衡闭环检测控制方法

静电负刚度调谐加速度计(EFMA)在设计原理上具有兼顾电容式加速度计和谐振式加速度计相关优点的潜力.然而由于静电刚度对应的极板位移具有明显的非线性效应,使得EFMA在大量程应用中标度因数非线性较差,成为了当前制约EFMA量程提升的重要因素.基于EFMA频率输出的特点,推导了力平衡控制量并开展了力平衡控制环路的设计与研究...     

基于阵列MEMS磁传感器的测量与标定方法

针对MEMS磁传感器存在测量噪声大的问题,利用MEMS磁传感器体积小的特点,设计了阵列形式的MEMS磁传感器测量模块,减小了测量噪声对标定结果的影响。通过合理的硬件设计,实现同一时刻采集32个MEMS磁传感器信号。在硬件设计基础上,通过对阵列MEMS磁传感器建模与分析,设计了基于阵列MEMS磁传感器的标定方法。通过仿真及实物系统实验,验证了所提出方法的有效性。系统实验结果表明,采用阵列MEMS磁传感器标定结果的归一化模值标准差较单个磁传感器减小了70%。     

硅微谐振加速度计的模态分析与实验

针对硅微谐振加速度计在进行结构设计时,如何根据模态特性选取工作模态这一问题,比较分析了加速度计工作在两种不同振动模态下的性能参数。首先采用刚度法分析了谐振器的振动特性,得出能够反映谐振器振动状态的两种模态即同相振动模态和反相振动模态,结合理论推导和仿真结果得出两种振动模态下谐振频率差值与标度因数差值呈线性关系;其次通过分析两种振动模态下的能量分布情况,得出两种振动模态下谐振器的品质因数与振梁振动幅值之间的关系,同相模态振动一个周期所消耗能量约为反相模态所消耗能量的2倍;最后通过评估硅微谐振加速度计的噪声,阐明了两种振动模态下部分噪声分量不同的原因并进行了实验验证。实验结果表明,在相同驱动电压下,同相模态相比反相模态总体噪声增大25.7%。该研究为设计硅微谐振式加速度计时,确定谐振器的振动模态及驱动方案提供了参考依据。