H型梁谐振式MEMS压力传感器设计

谐振式微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)压力传感器因其灵敏度高、体积小等特点近年来被广泛研究.根据谐振梁在不同压力作用下发生振动时,轴向应力的改变引起谐振梁等效刚度变化,从而进一步改变谐振梁谐振频率的原理,文章提出一种采用电磁激励/电磁拾振方式测量外界压力的谐振式压力传感器,并对传感器建立模型,利用ANSYS有限元仿真软件对传感器进行模拟分析与仿真验证.结果表明,量程为0～300 kPa、最大过载1.2倍满量程(full-scale,FS)时,初始频率为57.984 kHz,传感器灵敏度达66.98 Hz/kPa,非线性误差小于0.15％FS.     

谐振式微加速度计驱动和检测结构设计及制作

基于谐振式加速度计的工作原理和结构特点,设计了一种新型微加速度计谐振器,用解析法和有限元法计算了谐振器的横向驱动力以及其处于谐振状态时的检测电容值。综合粘性阻尼、运动阻尼和气膜阻尼,分析了谐振器在大气环境下的阻尼和品质因子。应用MEMS(microelectromechanical system)工艺,完成了微加速度计谐振器的制作。测试结果表明:谐振器性能良好,谐振频率为54523.5 Hz,与设计的理论值误差约为13.6%。     

有限元法在谐振式硅微机械加速度计设计中的应用

谐振式硅微机械加速度计是新型高精度的微机电系统传感器，作者选用双端固定音叉作为谐振器，设计了一种硅微谐振式加速度计，设计中，使用了有限元分析软件进行了大量辅助分析，对传感器的工作情况进行了仿真。通过模拟和计算，预先估算出谐振器固有频率、应力分布情况以及传感器基本性能参数，这对传感器工艺流程设计及结构改进具有重要意义，有限元分析结果显示，传感器的灵敏度大约为2Hz/g。     

热弹性结构阻尼对微谐振器品质因子的影响

为研究环境温度对微谐振器固有频率和品质因子的影响,采用有限元分析的方法研究了温度对单根微梁和微谐振器固有频率的影响,发现温度对弹性模量的软化作用对固有频率有很大的影响,应综合考虑温度应力和弹性模量软化对固有频率的影响;提出了推导微谐振器等效热弹性结构阻尼的力学模型,通过对支撑梁侧板的巧妙处理导出了微谐振器热弹性阻尼系数与单根微梁的热弹性阻尼系数关系式,为利用Zener标准模型来计算微谐振器的热弹性阻尼及品质因子提供了可能;将有限元分析结果与解析分析方法结合研究了环境温度对微谐振器品质因子的影响规律.     

一种新型的惯性式特殊低频传感器

磁电式速度检波器是工程中常用的传感器,但受其固有频率的限制,不适于测量低频振动。本文详细研究了在检波器的输出端并联电容对检波器特性的影响,发现并联电容的效果相当于增加悬挂系统的当量质量和当量阻尼系数。这种做法的特点在于以损失高频段的灵敏度为代价,换来系统固有频率的降低和机械量程的扩大及耐冲击性能的提高,与此同时,低频段的信号强度并没有明显减弱。在此基础上,用电路网络对磁电式检波器的低频特性作进一步的校正,得到了惯性式特殊低频传感器。     

一种半导体压力传感器

根据有限元工具ANSYS的分析结果,设计了一种半导体压阻式压力传感器——绝缘体上硅(SOI)压力传感器,并完成了制作.测试表明,除具有良好的静态特性之外,与同类压力传感器相比,SOI压力传感器的工作温区宽,最高工作温度可达220℃;稳定性高,30d内的零点漂移小于0.2%;温度特性好,灵敏度温度系数约为-5.1×10-4/℃.此外传感器的结构简单,采用半导体集成电路平面工艺结合微机械加工技术制作,易于实现批量生产,有广阔的应用前景.     

一种变面积型差动电容加速度传感器的设计

介绍一种基于滑膜阻尼的差动电容加速度传感器.该加速度传感器利用圆柱形差分电容极板间重合面积的改变来检测加速度的大小,保证输出电压与加速度之间的线性度.对加速度传感器进行结构设计和分析,介绍加速度传感器的工艺流程.测试结果表明,该加速度传感器的灵敏度较好,谐振频率与理论计算相吻合.     

基于结合面的机床摄动分析及优化设计

从简单结构的动力学本构出发,采用撮动理论对基于结合面的机床整机动力学特性进行了分析,指出了结合面的参数变化对整体质量、刚度和阻尼矩阵的影响.通过对比摄动前后刚度和阻尼矩阵的变化,阐述了在整体刚度矩阵摄动下机床动态性能的变化规律,并对动梁式龙门机床进行了特征值的灵敏度分析和定量化动态优化设计,指出了4个结合面刚度对机床固有频率的影响程度,获得了将机床第1阶固有频率从29 Hz提高到35 Hz所需的导轨结合面的确定刚度值.有限元仿真结果表明,特征值一阶摄动法的误差在5%以内,从而为机床结合面的定量化设计提供了理论依据.     

谐振式SAW压力传感器敏感元件研究与设计

量程和温度特性是传感器的两个主要指标,SAW压力传感器的量程由基片材料的结构尺寸决定,温度效应一般采用双端对谐振器来消除,目前关于两个谐振器的位置确定还没有一个确定的方法。通过力学分析得出了圆形石英膜片的半径、厚度、和最大载荷的关系;对石英圆形膜片的应力应变关系进行了有限元数值计算,得出了正负应力在圆形石英膜片的分界点,为设计SAW谐振式压力传感器的物理结构和合理的安排谐振器的位置提供了依据。     

约束阻尼结构的振动分析及结构参数优化研究

为了准确获取约束阻尼复合结构(CLD)的振动特性,依据模态应变能(MSE)理论,针对黏弹性材料的温变和频变特性,基于大型通用有限元软件ANSYS及MATLAB进行了联合仿真,研究了CLD矩形薄板的振动特性。通过分析环境温度和阻尼层厚度等设计参数对结构固有频率和模态损耗因子的影响,建立了CLD设计参数的多目标优化模型,利用遗传优化算法对CLD结构参数进行了优化。分析结果表明:随着温度的升高,CLD结构的固有频率下降并趋于稳定;存在最佳温度点,使得CLD结构的模态损耗因子最大;在固有频率改变较小的情况下,通过结构参数的优化能够保证CLD结构具有低成本、高模态损耗因子等特性;联合仿真方法适用于阻尼复合结构振动特性研究,在阻尼减振技术中具有一定的理论和实用意义。     

谐振式传感器的脉冲式双参数检测方法

采用方波脉冲作为激励信号,对谐振式传感器的谐振器进行激励。通过对含有谐振频率和阻尼信息的自由衰减振动信号的采集及处理,同时得到了谐振器的谐振频率及谐振阻尼参数。以电涡流位移传感器为例,实际搭建了这种基于脉冲激励的双参数检测实验装置。实验结果表明,该方法可同时获取位移检测过程中的谐振频率及谐振阻尼参数。这种脉冲检测方式不仅可用于新型电涡流传感器的研制,而且可进一步推广到其他类型的谐振式传感器中。     

Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid

Nanomechanical resonators enable the measurement of mass with extraordinary sensitivity. Previously, samples as light as 7 zeptograms (1 zg = 10(-21) g) have been weighed in vacuum, and proton-level resolution seems to be within reach. Resolving small mass changes requires the resonator to be light and to ring at a very pure tone-that is, with a high quality factor. In solution, viscosity severely degrades both of these characteristics, thus preventing many applications in nanotechnology and the life sciences where fluid is required. Although the resonant structure can be designed to minimize viscous loss, resolution is still substantially degraded when compared to measurements made in air or vacuum. An entirely different approach eliminates viscous damping by placing the solution inside a hollow resonator that is surrounded by vacuum. Here we demonstrate that suspended microchannel resonators can weigh single nanoparticles, single bacterial cells and sub-monolayers of adsorbed proteins in water with sub-femtogram resolution (1 Hz bandwidth). Central to these results is our observation that viscous loss due to the fluid is negligible compared to the intrinsic damping of our silicon crystal resonator. The combination of the low resonator mass (100 ng) and high quality factor (15,000) enables an improvement in mass resolution of six orders of magnitude over a high-end commercial quartz crystal microbalance. This gives access to intriguing applications, such as mass-based flow cytometry, the direct detection of pathogens, or the non-optical sizing and mass density measurement of colloidal particles.     

微梁谐振器中的空气阻尼

为了研究空气阻尼对谐振器工作性能的影响,基于Euler-Bernoulli假设、梁弯曲振动理论和气体阻尼理论,建立了考虑气体阻尼的梁振动方程,结合边界条件对方程进行了求解,得到了两种不同情况下气体阻尼对微梁谐振器的谐振频率和品质因子的影响.通过两种阻尼对谐振器影响的比较分析,指出在梁形状保持不变(长宽比和高宽比不变)情况下,微梁谐振器存在一个临界压膜厚度,此临界厚度可为器件的设计提供参考.     

超声波传感器谐振规律的实验研究

由于晶体超声波谐振子泛音的存在，谐振频率点并不唯一。而超声波测量系统频率的选择至关重要。为确定用于流量测量的超声波传感器的谐振频率，设计了实验测试方案，即用函数信号发生器给发射传感器输入幅度相同、频率不同的方波激励信号，用示波器观测接收传感器输出信号，记录接收探头随频率递增时，幅度较大极值点所对应的频率。然后，以数据拟合的方法寻求晶体超声波谐振子各谐振频率点分布的规律。实验结果表明：根据这些幅度较大极值点寻求的谐振频率点分布的拟合线，基本符合一般极值点对应频率的分布规律，反过来证明了研究所得的该种传感器谐振频率点分布规律的正确性，这为流量测量中超声波频率设定提供依据。     

用圆锥台形电容传感器测量物料含水量的研究

提出了一种新型实用的圆锥台形电容传感器，并推导出了其电容以及待测物料含水量与谐振频率之间的关系式。这种新型传感器可望在自动测湿与在线控制工作中获得广泛应用。     

RFID标签天线的丝网印刷

RFID标签天线的直接印刷是一种很有前景的生产方式,利用PF-050银浆进行的相关实验,可以分析印刷压力、印刷速度、固化温度与固化时间对标签天线的电感、电容、电阻及标签谐振频率与品质因子的影响.试验结果表明,印刷标签天线的电感主要取决于天线的结构,电阻则受印刷工艺与固化条件影响较大,而生产工艺导致的耦合电容变化并不影响整体性能.印刷工艺与固化条件对天线电阻的影响主要表现在:较高的印刷速度与印刷压力会使银浆转移不充分,并导致天线电阻增加;而较低的固化温度、较短的固化时间也会使银浆中的有机载体不能充分燃烧,从而增加天线电阻.当天线电阻增加后,会引起标签谐振频率与品质因子下降.     

含油污泥真空热裂解的研究

采用真空热裂解的方法处理含油污泥,研究热解终温、体系压力、保温时间和冷凝温度对热解产物产率的影响。实验结果表明:在热解终温为500℃,体系压力为10 kPa,保温时间为30 min,冷凝温度为-20℃的条件下,可得到热解固体渣、热解液和热解气的产率分别为9.4%,85.8%和4.8%;分离热解液的水分后得到油产率为原含油污泥的31.25%;采用真空热裂解的方法,能实现含油污泥全组分清洁循环利用。     

利用亥姆霍兹共鸣器衰减压缩机阀腔内压力脉动的研究

针对压缩机管路气流脉动问题,提出了一种适用于活塞压缩机阀腔气流脉动衰减的亥姆霍兹共鸣器结构,并对其衰减特性进行了研究,同时建立了某活塞压缩机排气管路气流脉动的三维波动模型,模拟了气柱固有频率及压力脉动波形.实验结果表明:安装亥姆霍兹共鸣器后,压缩机阀腔内的压力脉动幅值降低40.4％,缓冲罐之后的远离压缩机侧的管路内压力脉动幅值变化很小;管路气缸喉管处的52.9 Hz特征频率消失,该处附近出现了2个新频率,分别为40.4 Hz和66.9Hz;当共鸣器共振频率偏离脉动主频且为46.3 Hz时,阀腔内压力脉动幅值将衰减24.4％.     

无线无源LC谐振式位移传感技术研究

对无线无源LC谐振式位移传感技术进行了研究,运动的介质进入电容极板使电容量发生改变,进而使LC谐振频率发生改变,通过谐振频率值来推测介质进入电容极板的位移,通过制作PCB位移传感模型并对该模型进行天线无源扫频信号测试,测试结果表明LC谐振频率随着介质位移的增加而单调减小,而且在介质10 mm的位移量内,传感器谐振频率发生了17.5 MHz的变化。实验中由于电容边缘效应和电感寄生电容的影响,测试值与理论推导值有一定的偏差。     

基于内嵌光纤栅技术的钢筋混凝土梁自振频率监测试验研究

推进单一传感器多功能化发展是结构工程监测技术领域中新的研究热点之一。本文通过对以内嵌光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)应变传感器的钢筋为受力筋的钢筋混凝土小梁进行ABAQUS模态分析、人工激励试验和抗弯试验,探究内嵌于钢筋的FBG应变传感器监测钢筋混凝土梁未加载和损伤状态下的自振频率方案的可行性。结果表明：通过人工激励试验获得的未加载试验梁的自振频率约为37.43Hz,与ABAQUS有限元模态分析结果38.366Hz和理论计算得出的试验梁横向振动一阶自振频率理论计算结果36.167Hz基本一致,误差不超过2.5%;在抗弯试验中,试验梁出现破损后FBG应变传感器仍能够稳定监测到结构的自振频率,在试验全过程中,FBG应变传感器能实时监测钢筋的应变变化情况,实现了用内嵌于钢筋的FBG应变传感器同时进行结构自振频率监测和应变监测的目的。