1 深圳信息职业技术学院智能制造与装备学院，广东 深圳 518172
2 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室深圳市超快激光微纳制造重点实验室， 广东 深圳 518060
3 深圳职业技术大学电子与通信工程学院，广东 深圳 518055
为了快速检测氢气泄漏，迫切需要开发一种更安全、浓度检测下限更低的氢气传感器。将镀有钯膜的微悬臂梁探针与单模光纤端面进行组装，设计了一种易制备且低成本的光纤氢气传感器。实验结果表明，该传感器具有超高的氢气响应灵敏度，约为-9.887 μm/%，同时具有低至1.76×10-3%的超低检测下限和优异的重复性。在痕量氢气体积分数条件下，该传感器对氢气体积分数表现出优异的线性响应，这对痕量气体检测具有重要意义，使其在氢能源电池、核电站和太空探索中具有重要的应用价值。
光纤传感器 氢气检测 微悬臂梁 钯膜 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2306007
光子学报
2023, 52(10): 1052419
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
本文利用材料热膨胀系数不同的性质设计了一种可以对小面积热源进行高灵敏检测的温度传感器。该传感器的温度敏感元件是一个上表面镀有金属的氮化硅悬臂梁。由于金属与氮化硅的热膨胀系数不同, 因此当悬臂梁所在的环境温度发生变化时, 悬臂梁会向温度梯度变化快的方向发生弯曲, 并且弯曲量与温度成正相关关系。实验中通过光杠杆测量梁的弯曲量, 用标定的方式建立温度与探测器输出电压之间的关系。结果显示, 该传感器的灵敏度可以达到 4.86 mV/℃, 以及 0.04 ℃的温度分辨力。为验证传感器对小面积热源进行测量的适用性, 我们利用 NaYF4材料受激发热的性质, 对不同面积热源产生的热量进行测量。结果显示, 当发热面积约为 0.07 mm2时依然可以进行准确测量, 实现了对小面积热源温度进行精确测量的目的。
温度传感器 双材料微悬臂梁 热膨胀 temperature sensor bi-material cantilever thermal expansion NaYF4 NaYF4
1 上海应用技术大学理学院, 上海 201418
2 上海应用技术大学机械工程学院, 上海 201418
利用波长为248 nm的氟化氪(KrF)准分子激光器加工了掺镧锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)、硅(Si)和聚二甲基硅氧烷(PDMS), 研究了准分子激光对这3种材料的加工效果。为了解决传统切割工艺加工PZT膜片时易发生破裂的问题, 研究了准分子激光加工PZT微结构的性能。通过调整准分子激光器的激光脉冲能量、脉冲频率、扫描速度及扫描次数等参数, 获得了加工参数及其与PZT沟槽加工深度和宽度的关系。研究了辅助气体对准分子激光加工PZT表面粗糙度的影响。用准分子激光器制备了基于PZT-Si复合材料的微悬臂梁和微膜片, 并测试了其压电性能。结果表明, 利用准分子激光器加工的2种PZT微压电结构具有良好的压电性能, 可作为微压电驱动器的关键器件, 验证了用准分子激光器加工PZT微结构的可行性。
激光技术 微细加工 准分子激光 压电陶瓷 微悬臂梁 微膜片 激光与光电子学进展
2017, 54(9): 091403
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 中国环境管理干部学院现代化教学中心, 河北 秦皇岛 066000
设计并实现了一种基于微悬臂梁焦平面阵列的凝视型激光告警系统。该系统通过微悬臂梁焦平面阵列及成像CCD来实现对入射激光的精确定向。入射激光通过红外镜头辐射到微悬臂梁焦平面阵列时会使微悬臂梁发生变形，通过光读出系统将这种变化成像在CCD上就可以判断出激光的入射方向。实验结果表明：镜头焦距为60 mm、微悬臂梁面元为80 μm×100 μm时，告警系统的视场角为±15°，分辨率可达到0.5°。此告警系统视场角大、定向精度高，并且避免了激光对CCD的干扰及损坏。
测量 激光技术 激光告警 微悬臂梁焦平面阵列 光学读出
1 长春理工大学 机电工程学院, 吉林 长春 130022
2 沈阳理工大学 装备工程学院, 辽宁 沈阳 110159
针对目前没有成熟的设计计算S型折叠式悬臂梁刚度公式的问题, 本文利用能量法和胡克定律推导了S型折叠悬臂梁x向、y向和z向的刚度计算公式。推导过程中发现对于复杂的微悬臂梁结构, 其转角处的弯矩对最终结果影响较大, 不可忽略。在ANSYS中对S型折叠悬臂梁建模, 应用有限元法计算了S型悬臂梁的刚度, 并和理论公式进行了对比。与有限元法对比显示, 公式计算值的相对误差分别为0.67%、1.09%和2.95%, 均小于3%。应用图像测位移法对S型悬臂梁进行了x、y向的拉伸实验, 实验显示得到的实验值和理论值吻合, 表明本文推导的 S型悬臂梁的刚度计算公式合理, 能够为该类型悬臂梁的设计和计算提供理论依据。
微悬臂梁 刚度计算 微机电系统 有限元法 micro-cantilever spring constant Micro-electro-mechanic System(MEMS) finite element method
清华大学 精密仪器与机械学系 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法，并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片，在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽，凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上，梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明，虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2，但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测，通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用，避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置，实验测得微梁的位移变化为650 nm。
位移测量 集成双光栅干涉法 图像测量 微悬臂梁 扩量程 displacement measurement integrated dual grating interferometry image measurement microcantilever extended range
1 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
2 首都师范大学物理系, 北京 100048
3 北京理工大学光电学院, 北京 100081
采用氮化铌和铝作为制备微悬臂梁的双材料，其中氮化铌用来吸收太赫兹波辐射，铝作为形变材料。利用氮化铌和铝的热膨胀系数相差较大的特性以及在吸热后产生形变的特点，与双材料微悬臂梁阵列探测红外波技术相结合，实现对太赫兹波的探测。采用微细加工技术制作出无基底的双材料微悬臂梁阵列结构。为了防止微悬臂梁的热散失，将微悬臂梁阵列放置在一个具有防振功能的真空腔中，利用机械泵和分子泵保持其高真空以提高探测系统的信噪比。采用反射式可见光光学读出方式间接获取太赫兹波的信息，并利用双图像做差的方法进行图像处理，提高了系统的分辨率。
太赫兹波技术 微悬臂梁阵列 探测 真空腔 光学读出 中国激光
2011, 38(s1): s111002
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024
2 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁 大连 116024
研究了微机电系统(MEMS)微构件的谐振频率等动态特性在低温环境下的变化规律，从理论上分析了改变环境温度对微悬臂梁谐振频率的影响，并对低温环境下微构件的动态特性测试技术进行了研究。研制了低温环境下MEMS动态特性测试系统，采用半导体冷阱实现低温环境，利用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源，通过底座的冲击激励，使微悬臂梁处于自由衰减振动状态，使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测，从而获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的测试系统，在-50 ℃~室温的环境下对单晶硅微悬臂的谐振频率进行了测试，结果表明，随着温度的降低，微悬臂梁的谐振频率略有增大，其谐振频率的温度变化率约为-0.263 Hz/K，与理论分析的结果基本一致。该测试装置能够有效地完成在-50 ℃~室温环境下微构件的动态特性测试。
微机电系统 动态特性 低温 微悬臂梁 冲击激励 Micro-electro-mechanical System(MEMS) dynamic characteristics low temperature environment micro-cantilever impact excitation 光学 精密工程
2010, 18(10): 2178
