基于FPGA的静电测向系统

任何使用发动机或移动的物体都必定会因为各种不同的带电过程而带上静电,因此可以通过测量物体周围静电场感知物体及其运动方向.设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的静电测向系统,实现对运动带电体的实时测向.该系统由静电探测电极阵列、电流检测式静电检测电路和以FPGA为主核心器件的数字信号处理电路组成.为实现静电信号检测电路高输入阻抗及高灵敏度的要求;根据静电测向原理,设计了静电传感器标定系统对静电测向阵列各路静电探测器进行标定,保证了静电探测阵列各路一致性,从而有效提高了测向精度;并根据静电测向系统性能参数设计了基于FPGA的信号处理器,完成对静电传感器信号的获取、处理和运动带电体方位实时解算.实验表明采用该系统对运动带电体的测向误差小于15°,且可以满足一定的实时性解算要求.     

基于MEMS技术的微型磁性开关阵列

为了在二维微驱动系统中实时检出移动块的存在位置，试制了一种基于MEMS工艺的微型磁性开关阵列，它作为一种位置传感器通过扫描查询方式工作。本文对该传感器的工作原理、制作工艺做了详细的描述，并给出了一些实验结果。     

用于液相生物量检测的单片阵列QCM传感器

设计并制作了一种单片集成的阵列式QCM(石英晶体微天平)传感器,介绍了设计思想和方法,用网络分析仪对实验器件进行了分析.阵列传感器设计成分时扫描激励的工作模式,通过选通电路对阵列各单元进行扫描激励,实现各单元的依次工作,避免了各谐振器单元之间可能的振动耦合,从而可以在单个石英晶片上集成尽可能多的器件.该阵列式QCM传感器加工工艺简单,频率一致性好,平均频率稳定度达到±0.2ppm/h.     

MEMS低频水声电容传感器的设计

针对低频水声信号的探测需求,设计了一种MEMS低频水声电容传感器。为适应水下工作环境,改善振膜的承压性,将电容敏感结构整体置于硅油中,同时在振膜上开设6个对称均匀分布的小孔,以降低硅油压膜阻尼。文中介绍了MEMS低频水声电容传感器的工作原理,通过机械建模结合ANSYS Workbench有限元仿真分析,确定了电容敏感结构的结构参数及性能指标。电容敏感单元采用了C-SOI加工工艺方法,传感器振膜和空腔分别定义在SOI片和硅片上。MEMS低频水声电容传感器的谐振频率为5 498.6 Hz,灵敏度为-148.4 d B。     

静电驱动MEMS柔性结构的变形分析与试验验证

针对静电驱动MEMS柔性梁的变形特性进行分析,依据静电场理论及伪刚体理论,考虑静电力非均匀分布载荷的基本特征、静电力与柔性梁变形之间的耦合作用及可能存在的边缘电场对静电力的影响,建立不同电压下求解柔性梁变形的数学模型,同时给出静电吸合电压的计算式。设计并加工了MEMS柔性梁,采用文中所建模型计算了柔性梁的变形,同时搭建试验测试系统测试柔性梁的变形及静电吸合电压,与理论计算结果具有较好的一致性,验证了文中建立的数学模型的正确性。     

阵列式静电-电容传感器灵敏度特性研究

结合静电和电容传感技术各自的特点,提出了阵列式静电-电容传感器用于气固两相流中固相颗粒的局部速度、局部浓度以及局部流量测量。利用静电极片阵列与电容极片阵列获取管道内颗粒的速度分布与浓度分布,进而计算出颗粒的局部流量。该阵列式传感器参数测量的准确性直接取决于它的空间灵敏度分布特性。对静电极片阵列和电容极片阵列的灵敏度特性进行了研究。首先,建立了静电极片阵列的三维静电场模型,通过有限元法分析静电极片阵列的结构参数(电极长度、电极覆盖角等)对传感器灵敏度特性的影响;然后根据电磁场理论建立电容极片阵列的数学模型,并对其进行数值计算,研究管道厚度、管道介电常数、电极覆盖角等参数对传感器灵敏度特性的影响;最后搭建了传动带装置进行了实验研究,实验结果证实了模拟结果的准确性,为阵列式静电-电容传感器的优化设计提供理论依据。     

一种基于模态局域化的MEMS电场传感器设计与分析

为提高传感器的灵敏度和分辨力,设计了一种灵敏度可调节的基于模态局域化效应的谐振式MEMS电场传感器敏感结构。传感器敏感结构采用静电耦合的三自由度谐振器微结构方案,并可实现灵敏度调节,从而获得最佳灵敏度。通过理论计算和有限元仿真计算,分析了传感器的模态局域化敏感机理,确定了传感器幅频特性、灵敏度、分辨力等关键特性。计算结果表明满足设计目标。     

主动电场管道堵塞内检测方法研究

主动电场定位的思想源自仿生学研究。生物学研究者发现,在没有光线的情况下,弱电鱼通过感应自身发射与接收电场的变化信息来捕获食物并导航,这种利用自身发射和接收电场来探测、识别、定位物体的能力被称之为主动电场定位识别。本文模拟弱电鱼水下电场定位原理研发出一种液体输送管道堵塞内检测实验系统。为检验该系统的有效性,模拟了不同材料管道(PVC管、有机玻璃管、铜管、镀锌钢管)的堵塞情况,运用自行设计的主动电场内检测探头对上述管道的堵塞情况进行了探测。研究表明该系统能够根据管道内部电场变化有效地探测不同材料管道的堵塞情况并对堵塞点出现的位置进行判定。从而发展出基于主动电场原理的液体输送管道内检测方法的新型原型机,为该技术的应用和深入的实验研究打下了基础。     

基于旋叶式被动静电探测方法的研究

对于贴地飞行的空中目标,一般都处于雷达的盲区,且由于地面的其它干扰不利于对目标特性信号的提取。空中运动目标带电量高且难以去除,为静电探测系统提供了可靠性和实用性。介绍了旋叶式静电探测系统的基本工作原理,分析了探测装置屏蔽参数的影响并对探测装置的屏蔽单元做出仿真,利用目标在探测器位置的场强变化提出了旋叶式静电探测感应电流的近似公式,通过仿真模拟实验验证了近似公式的正确性和实用性,对探测装置进行实验,进而验证了探测装置的可行性。     

我国在传感器节点等传感技术取得进展

从上海举办的“中国科学院传感技术学术研讨会”上了解到，“十五”期间，中科院组织全院近20家研究所开展联合攻关。在重要传感器件方面，自主开发了MEMS（微机电系统）振动传感器、MEMS声响传感器、MEMS红外传感器、先纤传感器、声阵列传感器．形成了以MEMS传感器为主、复合多信息探测的小型化传感器系列。     

主动式静电引信电场分析

以静电平衡状态下导体具有的性质为理论依据,建立了两极板主动式静电引信的模型,并对其电场进行了分析,计算得到检测极板上电荷随弹目距离变化的目标特性曲线.设计了相应电路来测量检测极板上电荷的变化率,并介绍了后续信号处理电路的工作原理.得出结论:弹目接近过程中,检测极板上电荷的变化率逐渐增大,即电荷检测电路的输出电压逐渐增大;电路输出电压的分辨率与电极电荷量、极板及目标尺寸、极板间距以及弹目夹角有关,同时与弹目相对速度成正比.该工作对主动式静电引信的设计工作有重要的指导意义.     

静电驱动MOEMS保险机构的设计与试验

为了提高引信状态控制的安全性,增强其抵抗引信内、外强电磁干扰的能力,提出了一种应用于微小型引信安全系统的硅基微光机电保险机构。该机构采用光纤作为过程能量传输的载体,通过静电驱动方式实现对光纤光路错位与对准的控制,达到引信安全与解除保险的目的。设计了MOEMS保险机构的总体结构和耦合光路,并对它进行SOI+DRIE工艺设计和加工。通过开展静电微驱动器性能测试试验和光路性能测试试验得出,静电微驱动器能够实现130μm的大位移输出,MOEMS保险机构的解除保险时间和恢复保险时间分别为13 ms和5 ms,光能传输效率为46.1%。所设计的MOEMS保险机构能够满足功能要求,具备天然的抗电磁干扰能力,有效提高了引信的本征安全性。     

阵列式静电传感器结构设计与优化研究

气固两相流广泛存在于自然界和工业生产过程中,利用阵列式静电传感器感应成像系统可以对两相流的流型、截面分布等信息进行可视化监测,进而得到其流动特性、运输效率、安全状况等情况,对于两相流体的理论研究以及相关生产过程的安全化、高效化和实时控制等具有重要意义。本文提出了一种新型的阵列式静电传感器结构,通过有限元方法分析静电传感器敏感场特性,进而验证传感器的结构参数对测量结果的影响;建立了两相流流动的仿真模型,通过对比传感器不同结构参数下的敏感特性,对相关参数进行优化,对提高静电成像系统的成像精度与准确度具有重要意义。     

基于MEMS粘附问题中关键表面力的分析

粘附是MEMS器件在加工、操作过程中特有的现象,根据微机械中作用力的尺度效应与表面效应,分析表面张力、范得瓦耳斯力、静电力对粘附的影响机理,同时给出了抗粘附的常用的技术方法.     

基于多图像融合的MEMS显微三维形貌重构

针对微型机电系统(MEMS)的三维测量,显微镜或光学轮廓干涉仪等传统方法存在显微测量精度低、设备成本高等问题,且当结构含有较多断裂面时,解包裹算法效果欠佳。本文提出一种基于多图像融合的MEMS显微三维测量方法。不同于多角度显微三维测量方法,本研究首先利用单目显微镜,通过单一轴向移动获取一系列测量目标深度信息的单一角度图像,并利用去雾算法对图像进行预处理,实现了去噪和有效信息提取的目的;然后通过聚焦测度算法获取待测对象的深度信息;最后利用数据处理软件进行三维拟合。基于上述原理,本文以焦平面阵列(FPA)作为待测目标进行了测量实验。本文提出的三维测量方法和图像处理算法可获得更准确的FPA形貌,可清晰显示反射面与支腿部分及反射面上的释放孔,测得FPA的支腿长度为110.6μm,每个反射面的像元尺寸为120.8μm×70.8μm,与设计值基本吻合,解决了断裂面难以测量的问题,同时降低了微结构测量的难度和成本。单目显微镜单向移动的多图像融合测量技术对MEMS的三维形貌测量具有重要意义,去雾算法在图像融合与三维测量的图像处理也有很好的应用价值。     

光开关中静电驱动的微悬臂梁耦合分析

采用顺序耦合法 ,对光开关中的、静电驱动的悬臂梁进行分析 ,得出了悬臂梁的动态响应特性 ,并指出了空气阻尼对器件性能的影响 ,为微机械传感器的设计提供了有力的分析方法     

无交叠垂直梳齿平动微镜的驱动特性

为了设计用于光相位调制器平动微镜的无交叠梳齿驱动器,建立了保角变换数学模型,研究了驱动器的驱动特性。从复变函数理论出发,建立了驱动器的保角变换静电场解析模型;以动齿受力为研究对象,根据不同情形下的动齿受力特点,求解了一定区间内动齿的静电力并与有限元模拟计算结果进行了对比分析。采用微机电系统(MEMS)工艺制作出了无交叠梳齿驱动器,搭建了Michelson干涉仪光学测试系统,测试了无交叠梳齿驱动器的静态驱动特性。实验结果表明,所制作的无交叠梳齿驱动器在28V偏压下机械位移可达325nm,相位差为2π;在90V的偏压下能够获得2.07μm静态位移。测试结果与保角变换及有限元模型分析结果一致,验证了所建数学模型的正确性,为无交叠梳齿驱动器的设计提供了理论与实验基础。     

Fabrication of Fuze Micro-electro-mechanical System Safety Device

Fuze micro-electro-mechanical system(MEMS) has become a popular subject in recent years.Studies have been done for the application of MEMS-based fuze safety and arm devices.The existing researches mainly focused on reducing the cost and volume of the fuze safety device.The reduction in volume allows more payload and,thus,makes small-caliber rounds more effective and the weapon system more affordable.At present,MEMS-based fuze safety devices are fabricated mainly by using deep reactive ion ething or LIGA technology,and the fabrication process research on the fuze MEMS safety device is in the exploring stage.In this paper,a new micro fabrication method of metal-based fuze MEMS safety device is presented based on ultra violet(UV)-LIGA technology.The method consists of SU-8 thick photoresist lithography process,micro electroforming process,no back plate growing process,and SU-8 photoresist sacrificial layer process.Three kinds of double-layer moveable metal devices have been fabricated on metal substrates directly with the method.Because UV-LIGA technology and no back plate growing technology are introduced,the production cycle is shortened and the cost is reduced.The smallest dimension of the devices is 40 μm,which meets the requirement of size.To evaluate the adhesion property between electroforming deposit layer and substrate qualitatively,the impact experiments have been done on the device samples.The experimental result shows that the samples are still in good condition and workable after undergoing impact pulses with 20 kg peak and 150 μs duration and completely met the requirement of strength.The presented fabrication method provides a new option for the development of MEMS fuze and is helpful for the fabrication of similar kinds of micro devices.