微悬臂梁器件制作工艺的可靠性研究

由于传统机械加工方法不能实现微型悬臂梁阵列加工的需要,故微悬臂梁阵列的制作需要采用MEMS技术,针对MEMS中微悬臂梁制作废品率高的问题,从悬臂梁的加工工艺出发,分析了断裂、粘连、黏附等失效形式,从可靠性的角度分析失效原因,通过控制溅射铝时的温度变化有效降低层间的残余应力;通过淀积表面能厌水的覆盖层来防止黏附等相应改进措施来提高微悬臂梁器件制作的可靠性。     

微加速度计多失效模式可靠性分析

以梳齿式电容微加速度计为研究对象,开展考虑刚度失效、黏附失效等多个失效模式共同作用下的可靠性分析。首先,建立表征各失效模式的数学模型;并利用结构可靠度方法进行各失效模式的可靠性分析。然后,进行各失效模式的相关性分析,获得相关系数矩阵。最后,以各失效模式可靠性结果和相关系数矩阵为输入,建立微加速度计多失效模式可靠性分析模型;并进行相应的可靠性分析。一方面给出了微加速度计的可靠度,用于判别微加速计是否满足可靠度要求;另一方面给出了微加速度计各失效模式和各随机变量的量化的重要度排序,用于确定具有针对性的可靠性提高措施。     

MEMS微悬臂梁在冲击环境下的可靠性

由于MEMS器件的可靠性成为MEMS产品商业化过程中一个重要问题,而冲击断裂是导致器件失效的一个重要原因。本文主要研究多晶硅微悬臂梁在冲击条件下的可靠性,文中阐述了断裂失效机理,并使用应力-强度模型对可靠度进行建模。通过实验统计在各种加速度冲击下的可靠度,并将实验实测值与理论值进行对比。     

DLC膜用于解决MEMS黏附问题研究

介绍了微机电系统（MEMS）中存在的黏附问题，对引起黏附的原因和如何解决黏附问题进行了分析．采用牺牲层腐蚀技术在多晶硅悬臂梁下表面制备类金刚石（DLC）膜，通过扫描电子显微镜（SEM）表征未发生黏附的悬臂梁最长长度．发现村底上有DLC膜时，未发生黏附的悬臂梁最长长度平均约为145μm；而无DLC膜时，平均不到80μm．利用原子力显微镜（AFM）测得DLC膜表面的黏附力在7nN左右，而硅衬底表面的黏附力大约为20nN．实验结果表明DLC膜降低了悬臂梁与衬底之间的毛细引力和固体间黏附力，减轻了多晶硅悬臂梁的黏附．     

基于蒙特卡洛法的埋地悬空管道结构可靠度分析

为了计算埋地悬空管道的可靠度,基于蒙特卡洛统计模拟法,结合受力特征,建立了埋地悬空管道结构可靠度计算模型并计算了某黄土湿陷区埋地悬空管道的可靠度。为了描述不同影响因素对管道可靠度的影响程度,从管道失效概率的角度定义了参数的敏感性指标,对管道设计中经常涉及的管道外径、壁厚、埋深、悬空长度、屈服强度、温度差、管道内压7个随机变量进行了敏感性分析,讨论了参数的变化对管道可靠度的影响。结果表明:建立的埋地悬空管道可靠度计算模型能够对埋地悬空管道的可靠度进行计算;管道的悬空长度对可靠性影响程度最大,最大程度减小管道的悬空长度,适当减小管道埋深,降低管道内压,增大管道壁厚和屈服强度,有助于提高管道的可靠度。     

一种双桥臂微悬臂梁谐振频率的影响因素研究

为了获得双桥臂硅微悬臂梁的谐振频率随其质量块尺寸的变化规律,首先推导出了双桥臂硅微悬臂梁谐振频率的解析式,并对9组不同尺寸的双桥臂单晶硅微悬梁的谐振频率随附加质量块长度的变化规律进行了分析.结果表明,随着附加质量块长度的增加,悬臂梁的固有频率会逐渐地减小,并且随着质量块长度所占微悬臂梁总长度比例的增大,附加质量所引起的微悬臂梁谐振频率的变化量在总谐振频率中所占的比重呈逐步减小的趋势.     

基于改进灰色模型的MEMS陀螺仪零偏温度补偿

微机电系统(micro-electro mechanical system,MEMS)陀螺仪的零点漂移是影响陀螺仪测量精度的主要因素.针对MEMS陀螺仪零点漂移随温度变化的非线性问题,以MEMS惯性传感器为试验对象,采用小波变换对MEMS陀螺静态实验零偏数据进行滤波,结合改进灰色预测模型估计零偏随温度变化趋势,获得基于小波变换和改进灰色预测的温度补偿模型.与常规补偿模型算法比较表明,基于小波变换和改进灰色预测的温度补偿模型均方根误差和平均绝对误差更小,MEMS陀螺仪零点漂移的均方根误差和平均绝对误差分别减少到0.025 0和0.018 0,验证了该补偿模型的可行性,对提高陀螺测量精度具有较好的理论意义和工程应用价值.     

基于数字锁相环控制的硅微陀螺仪驱动模态分析与实验

为了有效控制硅微陀螺仪的驱动模态,采用基于数字锁相环的相位控制方案对驱动信号振动频率进行跟踪控制.首先,分析了硅微陀螺仪驱动模态的特点,提出了一种数字锁相环控制驱动信号频率的方法;其次,阐述了基于锁相环的硅微陀螺仪驱动模态闭环控制原理,并分析了锁相环频率控制的稳定性;然后,对锁相环控制的驱动模态频率变化和跟踪情况进行了仿真,验证了驱动频率动态跟踪特性;最后,设计了一种基于锁相环的FPGA数字电路控制方案,并制作成实际电路,同时,对硅微陀螺仪驱动模态的开环谐振频率驱动和闭环频率驱动进行了对比实验.结果表明,当温度在-40～60℃内变化时,该控制方案能够保证驱动频率时刻跟踪驱动模态谐振频率的变化,且跟踪相对误差为2.5×10-5.     

随机变量非正态分布且相关的机械零件单模失效可靠度分析

研究含有非正态随机变量且随机变量具有相关性的机械零件单模可靠度统一模型,运用Rosenblatt变换(RT变换)、R-F变换、Edgeworth级数法将非正态分布随机变量变换为正态随机变量,利用线性代数理论将相关标准正态随机变量转换为线性无关的正态随机变量,然后利用一次二阶矩(FOSM)法、改进的一次二阶矩(AFOSM)法求得机械零件单模可靠度指数及可靠度.基于所建机械零件单模可靠度统一模型,提出了含有非正态随机变量且随机变量间具有相关性的零件单模可靠度计算机求解的实现算法.以某1.6 MW风电齿轮箱中一对标准直齿轮啮合传动为例,通过探讨齿面接触疲劳这一单模失效下的可靠度,分析了随机变量间相关系数的变化对零件可靠度的影响规律,同时验证了算法的适用性和高效性.     

微电铸及其在MEMS中的应用

研究了微电铸在MEMS结构层制造工艺中的可行性并搭建了微电铸实验系统,通过对不同Watts镍电解液的成分实验得到了一组性能较好的成分配比.通过晶种层材料的实验得出Ti-Cu作为晶种层材料的优点.利用微电铸的方法制作出微机械隧道陀螺仪中的悬臂梁、挡板、驱动电极等,得到了一组比较有价值的电铸参数,并对电铸中存在的问题进行了阐述.实验结果表明,采用方波脉冲电铸能够得到晶粒粗细均匀、硬度和应力符合设计要求的悬臂梁等MEMS结构.     

微电铸及其在MEMS中的应用

研究了微电铸在MEMS结构层制造工艺中的可行性并搭建了微电铸实验系统，通过对不同Watts镍电解液的成分实验得到了一组性能较好的成分配比．通过晶种层材料的实验得出Ti—Cu作为晶种层材料的优点．利用微电铸的方法制作出微机械隧道陀螺仪中的悬臂梁、挡板、驱动电极等，得到了一组比较有价值的电铸参数。并对电铸中存在的问题进行了阐述，实验结果表明，采用方波脉冲电铸能够得到晶粒粗细均匀、硬度和应力符合设计要求的悬臂梁等MEMS结构．     

共振失效下复杂转子系统的可靠性稳健优化设计

针对大型复杂转子系统,根据其失效的判定准则,提出了基于共振失效的可靠性模型并对转子系统进行了可靠性稳健优化设计.首先,基于转子动力学理论判定了系统的主要失效模式,识别出最薄弱环节,预测了系统实际隔离裕度与许用隔离裕度,根据实际隔离裕度大于许用隔离裕度的关系准则,建立基于共振失效模式的可靠性模型;然后,基于神经网络技术、可靠性设计理论以及改进后的可靠性灵敏度计算方法,得到系统可靠度和基本随机变量对可靠度的影响程度,并对其进行排序,找到对系统影响较大参数后,在保证一定可靠度前提的基础上,对系统进行了可靠性稳健优化设计,使参数对可靠度的敏感程度降低.     

超材料的新应用:调控Casimir力

 随着微机电系统（MEMS）的微型化,由Casimir吸引力导致的器件黏附失效极大影响了MEMS的应用,如何减小Casimir吸引力甚至将其转化为斥力成为该领域的研究热点。本文综述Casimir力的物理起源、理论计算方法、材料电磁参数的影响规律及电磁超材料在Casimir力调控方面的应用等研究进展。     

MEMS陀螺仪的一种新颖高精度标定算法研究

为了提高微机电系统(microelectro mechanical systems,MEMS)陀螺仪的测量精度,分析了MEMS陀螺仪的静态误差,建立了MEMS陀螺仪的输出模型和标定原理,提出了一种新颖的加权递推最小二乘标定算法,该算法可对MEMS陀螺仪进行高精度的标定,并对低精度MEMS陀螺仪给出了有效自适应滤波处理方法?通过大量实验数据分析表明,利用提出的标定算法,误差补偿后的MEMS陀螺仪性能得到了显著的提高?     

基于多传感器融合的TBM姿态角测量方法

为了解决倾角仪在硬岩掘进过程中强振动环境下的失效问题,基于倾角仪输出精度高、微型机电系统(MEMS)陀螺仪抗振动强的优点,提出了多传感融合的姿态测量方法.采用Allan方差方法建立MEMS陀螺仪的随机误差模型,并用扩展卡尔曼滤波算法对陀螺仪的零漂进行有效估计和补偿,在倾角仪失效情况下采用修正过的陀螺仪数据计算掘进机的姿态角.仿真和实验表明:该算法能有效实现振动环境下姿态测量的计算,保证多传感器融合系统误差不超过0.06°.     

随机变量的分布类型对可靠度指标及失效概率的影响研究

在工程结构可靠性设计中,同一个功能函数由于其随机变量的分布类型的不同,所求得的可靠度指标值往往也会不同.为了进一步研究随机变量的分布类型对可靠度指标和失效概率的具体影响,首先简要地介绍了验算点法(JC法)的基本原理,然后利用验算点法(JC法)对相关实例的可靠度指标值和失效概率进行了计算,并重点对随机变量在不同分布类型的条件下所得出的可靠度指标值和失效概率值进行比较,结论为,当可靠度指标或失效概率在一定范围内时,可以不考虑随机变量的实际分布,而采用任何合理且方便计算的分布类型,可使得计算过程大为简化,同时又能满足工程上的精度要求.     

基于位移的RC高层框架结构在小震作用下失效相关性分析

基于性能的抗震设计是以体系可靠度理论为基础的.在体系可靠度的计算中涉及到相关性问题,它对体系可靠度的分析结果产生重要影响,需要加以考虑.文中基于层间位移,把层间位移作为随机变量,以层间变形破坏为主要失效模式,采用蒙特卡罗方法,对高层框架结构在小震作用下进行了失效模式相关性研究,得出了高层框架结构在小震作用下部分失效模式相关性统计规律.     

基于遗传算法的层合板结构的可靠性优化设计

采用遗传算法分析了存在初始缺陷的复合材料层合板的可靠性优化问题．优化设计时，以层合板结构的厚度最小为目标函数，以可靠度要求为约束条件．在可靠度分析中，取初始缺陷、强度参数、单元层的厚度为随机变量，采用一阶矩法和Tsai-Wu准则分析每个单元层的失效概率，系统失效概率的计算基于串联系统假定．通过比较遗传算法与序列二次规划法的计算结果，证实了遗传算法用于可靠性优化设计的有效性．     

基于双判据失效准则的结构可靠度计算方法

根据结构可靠指标的几何意义,建立了基于R6双判据失效准则下正态随机变量和非正态随机变量的结构可靠度计算的优化模型,并利用基于最优化原理的Monte Carlo法对其求解,无需对非线性功能函数作线性化近似处理,也减少了迭代次数,在概率断裂失效判据上进行改进,从而提高了结构可靠度的计算精度,扩大了其适用范围,为结构可靠度分析提供了一种思路.     

基于小波去噪的MEMS陀螺仪随机误差校准算法

微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)陀螺仪具有体积小、成本低、功耗低等特点,在微姿态测量系统中应用极其广泛。由于在制作工艺、材料等方面会引入额外的随机噪声,且瞬态电压的不稳定也会造成MEMS陀螺仪在上电阶段产生随机波动误差,严重影响微姿态测量系统的启动时间和测量精度。因此,基于多分辨分析特性的小波变换分析技术,提出了一种改进的小波去噪算法,通过对MEMS陀螺仪的数据进行3层小波分解,剔除高频分量和电压不稳定产生的突变信号,并对低频分量进行重构,最终得到校准以后的陀螺仪数据,实现陀螺仪随机误差的快速校准。实验验证结果表明,通过3层小波分解后,随机误差均值小于0.05 °/s,系统启动时间小于0.1 s,具有较好的噪声抑制和迅速启动能力。