针对近年来常规弹药制导化改造对经历高动态环境的加速度传感器的迫切需求, 该文设计了一种抗高过载、低量程的微机电系统(MEMS)电容式加速度传感器。该加速度传感器使用4组折叠梁组对可动结构进行支撑, 并带动其在敏感方向移动, 同时敏感结构采用差分式电容检测结构和叉齿止档限位结构方案, 降低了结构受冲击时的区域应力, 提高了输出信号增益及传感器灵敏度。理论计算和有限元分析结果表明, 传感器轴向灵敏度为0.22 pF/g(g=9.8 m/s2), 可承受轴向幅值为3×104g、脉宽约8 ms的加速度冲击。

为提高微机电系统(MEMS)加速度计的可靠性, 减小因为引线键合断裂造成的传感器失效, 该文设计了一种基于低温共烧陶瓷的无引线键合封装。该封装采用阳极键合技术将低温共烧陶瓷基板与芯片连接, 同时将电路转接板同步集成。结果表明, 该封装结构可减小传感器的封装尺寸, 有效提高了MEMS加速度计的可靠性。

本文设计了一种基于纳米尺度分布式布拉格反射光栅(nano-DBR)结构的一维光子晶体宽禁带波长调制系统。根据155 μm通信光所在波段性质,DBR被精确的设计成光子带隙材料,由硅／空气多层结构周期性重复组成。其中,可动DBR受外力作用发生位移,利用间距的变化调制光子晶体透射谱的变化。采用严格耦合波分析(RCWA)来计算6个周期带隙结构的峰值透射谱变化。通过对模拟数据的统计分析,可得出所设计的nano-DBR一维光子晶体系统,在对应两个DBR间距位移变化从0到1 μm时,对应的一级透射峰可调制的范围在155 μm～27 μm,峰值最低透射率为0836 6。该系统灵敏度可达12~13左右。与同类型波长调制传感系统比较,在理论上具有更宽带隙调制范围,高辨识度和高灵敏度的优势。

针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点, 提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构, 并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的动力学特性, 研究了陀螺的机电接口形式与硅基电极的设置方法, 建立了硅基电极的电学参数模型与陀螺的角速度敏感模型。基于深离子刻蚀技术设计了简单可行的传感器制备流程, 并成功制备了陀螺的敏感结构。实验测试结果显示, 该环形微机电振动陀螺驱动与检测模态的谐振频率分别为9 028.86 Hz与9 036.15 Hz, 品质因数分别为25 051与25 026, 标度因数为0.589 7 mV/((°)·s-1)。实验结果验证了陀螺设计与研究方法的正确性, 为高性能硅基微机电陀螺的研制提供了一种可行的方案。

设计了双弹头霍普金森杆用于精确标定高g值加速度计的动态线性参数。基于一维应力波传播理论和弹性波叠加原理, 分析了双弹头霍普金森杆为不同尺寸时对获取所需激励加速度信号的影响。利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件对不同设计条件下双弹头霍普金森杆的冲击效果进行了仿真分析。通过对不同影响因素的对比, 确定了结构参数, 设计了直径为30 mm,长度为 1 200 mm的双弹头霍普金森杆, 即高量程加速度计动态线性校准系统。利用设计的双弹头霍普金森杆对高量程加速度计进行了动态线性校准和试验验证, 结果显示加速度计动态线性误差在5%以内, 证明了设计的装置可对高量程加速度计进行动态线性校准, 校准结果基本满足冲击校准的要求。

本文意在寻求双质量硅微机械陀螺仪正交校正最优方案。首先介绍了带有正交校正和检测力反馈梳齿的双质量硅微机械陀螺结构, 量化分析了正交误差对输出信号的影响并进行了仿真, 结果显示解调相角变化为±2°, 200(°)/s的正交误差等效输入角速率可引起15(°)/s的输出信号变化。然后, 对目前3种比较主流的硅微机械陀螺仪正交校正方法(电荷注入法(CIM)、正交力校正法(QFCM)和正交耦合刚度校正法(QCSCM))进行了实验研究, 从理论上证明了这3种方法的可行性。对未加入正交校正环节的陀螺进行了实验, 结果显示其左、右质量块输出的正交误差信号峰峰值分别为150 mV 和300 mV。针对两质量块正交误差不等的实际问题提出了质量块单独校正的方案。采用CIM、QFCM和QCSCM对校正前零偏及其稳定性分别为-4.589(°)/s和378(°)/h的陀螺进行了实验校正, 结果显示3种方法均可有效消除检测通道中正交信号, 3种方法的零偏及零偏稳定性结果分别为-8.361(°)/s和423(°)/h, 2.419(°)/s 和82(°)/h, 1.751(°)/s和25(°)/h, 证明了正交耦合刚度校正法为3种方法中的最优方案。

散斑抑制一直是激光显示技术的研究热点。 对激光光束经SiO2溶液所形成散斑的特性分析, 建立了多重散射与散斑颗粒大小的联系。 结合动态光散射理论, 提出利用斜入射引入动态多重散射机制的激光散斑抑制方法, 并构建由静态散射片和装有粒径为300 nm、 摩尔浓度为3.0×10-4 μm-3的SiO2悬浮液的光通管组成的散斑抑制装置, 将其置入激光显示系统的光源部分。 针对光束以不同入射角进入SiO2悬浮液对散斑图像对比度影响进行了系统实验分析。 结果表明, 光束以约8°进入SiO2悬浮液能将散斑图像的对比度从0.43降低至0.067。 通过该方法实现了散斑颗粒的空间平均和散斑图像的时间平均, 提高了散斑抑制的效果。 散斑抑制单元无需振动装置且便于集成到激光投影系统中, 不仅提高了系统的可靠性也减小了成本。

针对红外气体传感器对光源的要求, 选用了一种宽波长、 高调制频率、 低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system, MEMS)红外光源作为辐射源, 其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。 由于其面光源的朗伯辐射特性, 整形之后的红外光数值孔径仍然很大, 采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。 本文结合双波长单光路的差分检测方法, 设计了一种基于积分球特性的吸收气室, 有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题; 并运用光在传输过程中光通量守恒的原理, 推导了此积分球吸收气室的等效光程, 解决了积分球气室等效光程计算的难题; 同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号, 使得外围电路的设计更加简单、 灵活。 设计中, 使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程, 研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10-6, 极大地提高了红外检测系统的灵敏度。

散斑抑制是阻碍以激光为光源的显示技术发展的技术瓶颈。通过实验分析了散射片的发散角、级联散射片的数量和它们之间的间距对散射光束相关面积宽度的影响。在级联散射片和光通管构成的散射体的基础上，利用多重散射理论解释了级联散射片减弱激光相干性的现象。基于积分散斑的统计学理论，推导了CCD积分时间T内捕获的散斑图样的强度自协方差函数与散斑对比度之间的关系，并明确了级联散射片对运动散射片位移的影响，从而达到抑制散斑的目的。实验结果表明，将散射体与运动散射片相结合不仅提高了整体光能利用率，在检测器积分时间1/30 s内还能将散斑对比度从0.753降低到0.069。

显示屏是激光投影显示系统的一部分，其表面粗糙度直接影响着基于角度多样性的激光散斑抑制效果。在角度多样性散斑抑制原理的基础上，建立了被测显示屏表面粗糙度与散斑图样之间的相关性之间的联系。对显示屏表面粗糙度对照射角度和角度变化的敏感程度权衡，实验中将入射角和角度变化量分别固定在1°和0.0038°。为避免外界微扰和测试屏表面不平度对测试结果的影响，通过对被测显示屏5 cm×5 cm测试区域中选择9个子区域的测试结果进行平均，有效提高了测试精度。运用提出的方法确定4种材质显示屏的表面粗糙度分别为235.80，209.57，132.24和137.60 μm，为设计有效降低激光散斑的投影显示屏提供了参考。