行波磁场的产生、泵体结构的设计、磁性流体的动力学特性是磁性流体行波泵研究的关键技术。本文根据行波磁场产生的形式设计了直线型磁性流体行波泵,采用解耦计算分析和求解了磁性流体内行波磁场和力场的耦合问题,通过仿真和实验研究验证了设计的合理性和可行性。结果表明,行波磁场作用下的磁性流体流量与磁场的强度有直接关系：在磁性流体行波泵结构和磁性流体饱和磁化强度相同的条件下,磁场强度越强,其流量越大;当磁场强度从25 900 A/m增加到40 000 A/m 时,单位时间内从行波泵内流出的磁性流体的体积由1.9ml增加到3.1ml；随着磁场强度的不断增加,磁性流体流量的变化率由于磁场对其粘度的影响而减小；而磁性流体的饱和磁化强度越大,其流量也越大。

分别以硅和不锈钢材料为极板研制了两种结构简单、体积小、比能量密度高的微型直接甲醇燃料电池,并介绍了该电池的工作原理和结构。利用光刻、溅射和腐蚀等MEMS技术完成了硅基微型直接甲醇燃料电池的制作,实验测试表明,在室温条件下,使用1.5mol/L甲醇溶液供液时其开路输出电压为520mV,最大输出功率密度达到5.9mW/cm²；利用非硅微加工技术完成的不锈钢微型直接甲醇燃料电池,在室温下用2mol/L甲醇溶液供液时开路输出电压为650mV,最大输出功率密度达到15.8mW/cm²

引信可以利用空中目标运动产生的静电场信息对目标进行探测，而MEMS的特殊性能非常适合于引信静电探测器的设计。在引信有限的体积内布设MEMS静电探测阵列,通过对目标静电场信息进行检测,可以获得目标的位置和速度信息。本文运用表面加工工艺设计了一种MEMS薄膜电极的垂直振动式电场传感器阵列。介绍了该电场传感器探测单元及阵列的结构、组成及工作原理,说明了该器件的加工工艺。通过MEMS静电探测单元的空间布阵,研究了引信MEMS静电探测阵列对目标定位的原理,推导了目标定位的公式,使用MEMS静电探测阵列探测了目标的静电场,实现了对目标位置的定位。

对Sigma Delta 调制与脉冲编码调制进行对比，研究了Sigma Delta 调制与脉冲编码调制的优缺点。建立了微加速度计中两位输出的Sigma Delta调制和两位输出的脉冲编码调制的仿真系统。然后,对比使用这两种调制方式的微加速度计的加速度信号,并分析在两种不同调制方式下的输出信号波形的差别。最后,利用周期图法得到了两种调制信号的功率谱密度图,发现在低频段脉冲编码调制信号的量化噪声比Sigma Delta调制信号大很多;而在高频段,两种调制方式信号的量化噪声一样严重。仿真结果表明,尽管Sigma Delta调制系统比脉冲编码调制系统更加复杂,但是Sigma Delta调制得到的信噪比要比脉冲编码调制得到的信噪比高出20 dB。

针对现有的微波功率测量都基于热电偶和二极管等终端器件,功率信号在被检测后无法利用的问题,设计了一个基于微机电(MEMS)射频（RF）并联开关在 Ku 波段(12.4～18 GHz)应用的微波功率耦合器,包括等效电路共面波导(CPW)匹配的设计和结构仿真。该耦合器是 MEMS 微波功率传感器的核心,它利用 MEMS 膜桥耦合 CPW上的微波功率信号,大部分功率信号被检测后都能传至下级电路做进一步处理。为了减小反射损耗和获得宽频带响应,提出了两种优化方法,即凹槽调谐结构设计和补偿电容设计,经过优化设计后的 Ku 波段 MEMS 微波功率耦合器的回波损耗(S₁₁)和插入损耗(S₂₁)在中心频率15.2 GHz 处分别达到了-42.90 dB 和-0.15 dB, 显示出耦合器的高隔离度和低损耗.同时在 Ku 波段,上述参数同中心频率点处的偏差分别为±6.41 dB 和±0.04 dB,显示出其宽带特性。

电渗流通过外加电场来驱动液体通过微小通道,同时由于焦耳热效应的存在,也会在流体及通道表面形成热传导现象。应用计算流体力学方法,对矩形发散形微通道内电渗流流动所产生的流场、温度场进行了数值模拟和研究。由于流体的介电常数、电导率、粘性、热导率等属性依赖于温度的变化,焦耳热效应产生的温度场会改变流体的多种属性,并进而影响到流动速度、压力分布等。计算结果表明，焦耳效应在微管道芯片上产生了一个非均匀的热梯度场,并同时影响液体流动。热梯度场的存在在均匀截面通道内可以提高液体的流动速度,但在发散形通道内却不能产生相似的效果,此时的出口速度和体积流速都明显下降,分别达到约16%和60μl/min.焦耳热效应同时通过降低流速和流动压力减弱了发散形管道的电渗流泵送性能。

：为了实现微机电系统微波信号滤波,开发了适用于微机电系统的小尺寸左右手复合传输线微波带阻滤波器,对该滤波器的原理、结构特点、加工工艺等进行了研究.根据左手材料理论,介绍了具有蛇形槽单元的滤波器结构.以蛇形槽结构的一个单元为例,对比传统插指电容左手单元结构,提取了蛇形槽的等效电路,并分析了蛇形槽结构单元的优点,即在相同的面积内,可以获得更大的等效电路参数.最后,结合溅射、光刻、电铸、刻蚀等MEMS技术，设计了器件的加工工艺。使用EMES工艺，加工了主体尺寸5mm×7mm 的器件.相移常数的仿真和实验结果表明，在高频带部分（2.1～5.2GHz）的相移常数为负（左手区）,相速度与群速度方向相反,左手区的相对带宽为82.7%.结果显示，与其他设计相比，本文设计的器件尺寸小，左手区的相对带宽大，可以提供更大的工作频带范围

计算了四层复合结构的薄膜体声波谐振器(FBAR)的输入阻抗谱,各层采用的材料分别是Al/AlN/Al/Si其尺寸为0.8μm/1.9μm/0.8μm/100μm,得出其有效机电耦合系数k²_eff随谐振模式的分布情况，从而得到最大k²_eff的独特谐振模式在1～2GHz为第40阶谐振模式。从理论上探讨了各层的尺寸及材料属性对该独特谐振模式及其频移的影响,以及串联谐振品质因数FOM等滤波器设计的主要性能参数在该模式下的分布情况。实验结果表明,工作在独特谐振模式下的FBAR的性能依赖于各层材料尺寸,当压电层厚度从0.2μm 变到4.3μm 时,特殊谐振模式频率从1.2GHz增加到4.8GHz;当基底厚度变厚时,有效机电耦合系数从3.2%变到0.8%，串联品质因数从2000变到700;而电极变厚后,有效机电耦合系数趋于一个稳定值.这些数据在实际设计过程中对滤波器的微调具有参考意义。

低g值惯性开关是一种对线加速度敏感并在施加的加速度作用下完成闭合的惯性装置.由于微小尺寸的限制,低g值(1-30g）惯性开关只能设计为微质量块和低刚度支撑梁的结构.为了获得低刚度,设计了基于阿基米德螺旋线的平面螺旋梁结构.微开关由一个带触点的基座、一个惯性敏感单元以及框架和封盖组成。惯性敏感单元则由一个居中的质量块和支撑它的螺旋梁组成.在加速度作用下可动的质量块发生位移,与其下的触点接触,实现开关的闭合.惯性敏感单元采用有限元软件ANSYS进行分析,采用UV-LIGA工艺制作。进行了离心试验以获得低g值惯性开关的闭合门限.经3次测试,闭合门限值分别21.22,21.3921.20g，平均值为21.28g。测试结果表明，低g值惯性开关具有0.5g的闭合精度，多次测试重复性较好。

介绍了一种结合了压电式能量采集与静电式能量采集原理的复合式振动能量采集器。其结构通过有限元分析软件的优化设计,得到了期望的低频共振频率。为了预测这个复合式振动能量采集器的性能,建立了解析模型,在此基础上使用MATLAB/SI MULINK进行了数值模拟。模拟结果显示,在某些特定的频率范围内,这种复合式振动能量采集器能够提供比其他两种能量采集器更高的输出功率。对于固有频率为282 Hz的器件结构,仿真发现复合式设计的输出功率可达4.85μW,两倍于电容式设计的输出功率2.11μW。

高开孔率、大厚度金属精细网板的制造是网板业界的技术难题。分析了现有的精细金属网板制造工艺的优缺点,并提出采用基于SU-8光刻胶的UV-LIGA技术来制备高开孔率大厚度精细金属网板的工艺思路。优选了关键工艺环节的操作参数,表征了试样的形貌特点,检测并分析了试样的相关性能。结果显示,采用优化的工艺条件(前烘65 ℃/20min,95 ℃/20 min;适量曝光剂量;后烘65 ℃/10 min,95 ℃/15min;匀胶后静置、随炉冷却;超声辅助显影等)所制备的六边形镍网(边200μm) ,不仅开孔率高(88%),厚度大((120±3)μm) ,且具有尺寸精度高(形位误差±2μm)、孔形一致性好(筋宽偏差<3μm)、孔壁平滑等特点。结果表明,UV-LIGA技术是一种制备高通孔率、大厚度精细金属网的有效工艺手段。

由MEMS技术制备的特气室温红外探测器的噪声主要包括温度噪声、机械热噪声和背景噪声。从理论上建立了器件的基本热模型,推导得到器件的等效热熔和等效热导分别为8.1μJ/K和1.0×10^-3W/K,温度噪声约为1.73×10^-10W/Hz^1/2;通过器件的工作机理和能量均分原理,推导得到热机械噪声的等效噪声功率约为9.96×10^-9W/ Hz^1/2,器件的背景噪声约为3.22×10^-11W/Hz^1/2,从而得出器件的归一化探测率约为9.03×10⁶cm.Hz^1/2/W。实验表明,器件的噪声中热机械噪声为主要噪声源,大小主要由浓硼硅薄膜的机械性能和器件结构决定,可以通过增大薄膜厚度,减小薄膜面积,从而增加薄膜的特征频率的方法来减小器件受外界振动的影响,但以降低器件的灵敏度为代价。另外环境振动噪声也对器件的影响很大。为了减小外界气压和温度变化的影响,提出了一种新型的双腔结构来减小和平衡外界环境变化引入的噪声。

设计制作了一种基于氧化锌纳米线的谐振式硅加速度计,该加速度计的敏感单元为由氧化锌纳米线横跨金属微电极组成的谐振器。采用介电电泳的方法组装了氧化锌纳米线,并利用FIB沉积Pt将氧化锌纳米线固定在微结构上以确保结构的可靠性。在加速度的作用下,质量块引起的惯性力通过支撑梁对纳米线施加应力,因此,在谐振条件下,纳米线谐振频率的变化反映了加速度的大小。谐振式加速度计的准数字输出能解决多数MEMS器件输出微弱信号检测难的问题。实验结果表明,加速度计的灵敏度随着纳米线的厚度的减小而急剧增加,选择500nm厚度的纳米线作为理论分析,加速度计的灵敏度可达2.5kHz/g以上。

提出了一种基于微加速度传感器与微角速度传感器的空间笔迹检测系统,并对轨迹检测系统的算法进行了描述。手写动态采集系统使用安装于手写笔上的加速度传感器和角速度传感器采集手写笔的动态信息,通过A/D转换将得到的数据由串行通信接口传送至计算机进行处理。该系统可用于检测手写笔在三维空间的运动轨迹,并通过三维空间的姿态角变换矩阵将手写笔动态信息投影到二维坐标平面,经过一系列积分运算最终重现笔迹信息。介绍了手写笔运动过程中重力加速度对笔迹重现的影响以及从检测到的加速度中剔除重力加速度得到纯净运动加速度的方法,对传感器的标定进行了相应的说明。实验结果表明,该系统达到了预期的效果。

考察了over-plating工艺中不同线距、线宽条件下的电沉积规律。利用数值模拟方法对图形结构轮廓和电沉积速度之间的相互影响进行了分析,同时采用变网格方法来适应电沉积过程中结构轮廓的不断变化。数值模拟结果表明:当线距/线宽较大(＞12)时,相邻图形的电沉积速度受到的影响很小,图形的横向和纵向的电沉积速度逐渐趋于一致;而当线距/线宽较小(＜6)时,相邻电沉积图形之间相互影响显著,线距/线宽越小,纵向电沉积速度和横向电沉积速度之比越大,因此相邻电沉积图形中间区域可能产生空洞,从而出现电镀缺陷的情形。对于上述工艺缺陷,可以通过增加辅助导电层进行消除,实验结果表明效果良好。

考虑声表面波驱动器直接驱动工作物体,能量损失小,传动误差小,且尺寸小,噪声低,抗电磁干扰等特点,基于MEMS技术并采用在LiNbO₃基底上加工微型电极的方式制作了一种声表面波微驱动器.为了更加有效地控制驱动方向,提出了一种新型叉指结构,即浮动电极型单向换能器,然后利用ANSYS软件,对声表面波换能器进行了优化设计和分析,制作出了孔径尺寸为5mm,电极厚度为0.8μm,指宽为6.7μm,周期为80μm的浮动电极型单向换能器.该声表面波驱动器比以往的驱动器具有更高的谐振频率(接近50MHz)和更有效的方向可控性,从而有助于微光学控制系统的进一步微型化和可控化.

提出了可分析、筛选乳胶微粒的介电泳陷阱与微马达,并以此为核心单元讨论了片上实验室的组建.设计了可集中样本预处理、分离筛选与微马达驱动等多个功能于一体的微分析芯片,并优化了各分立单元的作用效果.用新的螺旋-叉指和螺旋-城堡电极代替传统的螺旋状或者叉指、城堡状电极,可以不必借助电渗流的作用分开大小不同的乳胶微粒,分离效率达90%以上.当激励信号为驻波时,样本分离电压比普遍使用的行波信号降低50%.对于起介电泳筛选作用的城堡状电极进行了侧向和轴向的非均匀化处理,提高了对微粒尺寸的敏感性,可以将70%的小微粒从混合液中分离.有限元分析和实验结果表明,与参考文献中提到的芯片结构相比,电极的新排布方式增加了轴向场强梯度,分离电压比传统方法降低了80%.另外,微马达和探测电极的集成,为旋转性质的测电学量提供了便利.

采用高压18V CMOS集成电路工艺,设计了一种开关电容闭环加速度计接口电路芯片.芯片电路中包括开关电容型电荷敏感放大器,PID控制电路以及相关双采样电路.采用相关双采样技术并用大面积PMOS晶体管作前级放大器输入级来消除放大器的1/f噪声、失调电压及KT/C噪声;用高环路增益及静电力平衡技术消除后级电路的1/f噪声、电荷注入和时钟馈通.在相同电极的条件下,利用电荷检测与静电力反馈时域分离法,有效地消除了驱动馈通的影响.设计的芯片采用18V电源电压供电,闭环加速度计刻度因子为420mV/g,噪声密度为10μg/(Hz) ,芯片面积为15.2mm².

ICPF是能够被1.5V低电压驱动的等离子高分子导电薄膜,具有质量轻、响应速度快的特点.用长21.6mm、宽4.6mm、厚0.2mm的ICPF薄膜驱动的微型机器人能够以3mm/s的速度在水中运动.为了对其运动姿态进行检测和控制,设计了微型机器人的图像处理系统,此系统由CCD摄像机、图像接口卡、计算机和波形发生器组成.通过CCD摄像机获取机器人的运动图像序列;利用目标短时相似性,对每一帧图像进行色调自动阈值分割和边缘提取得到目标二值图像;采用改进的Hough圆变换计算出目标在图像中的位置和运动方向.最后,根据目标的位置和运动方向,通过波形发生器,改变ICPF两端的电压和频率来实现对机器鱼姿态的控制。本系统在Pentium 42.8G内存1G的电脑上,处理一张图片需52ms,可以实现对机器人的实时检测、跟踪和控制.

降低自旋阀薄膜矫顽力对于制作巨磁电阻(GMR)传感器非常重要.报告了利用退火方法降低自旋阀薄膜矫顽力的实验结果,介绍了数值模拟退火的条件和方法,借助计算机对退火实验的条件及其实验结果进行了模拟。结果表明,模拟后的结果可以用来进一步优化退火条件,并不再需要做大量退火实验。使用优化后的退火条件大大降低了自旋阀薄膜的矫顽力同时可保持自旋阀的磁电阻变化率(MR)在较高的水平。介绍了不同退火参数下的模拟实验,结果显示退火前样品的的矫顽力为358.2 A/m、MR为9.24%,退火后其分别降到3.18 A/m和8.54%,表明数值模拟方法可以较好地拟合自旋阀薄膜的退火条件及实验结果,并有助于优化退火条件。

为解决汽车轮胎压力无线监测系统(TPMS)电能自给问题,应用压电换能原理,提出将PZT5压电振子复合在轮胎内底面,把运行中的机械能转换为电能为无线发射模块供电的思想,设计了一种压电陶瓷轮胎发电机。建立了双层膜压电振子的有限元(FEA)模型,运用ANSYS 11.0对不同尺寸的振子进行静力和瞬态分析,得出设计振子尺寸的依据。针对单个振子发电量低的状况,提出采用阵列方式增大发电量的方案,设计了一种多振子电量耦合输出调节控制电路。选择振子尺寸为40mm×15mm,实验得到单片压电振子在15 Hz固定形变的激励下,有效输出电流为5μA,峰值电压为5 V以上。当振子数量为40个以上时,轮胎发电输出的功率能满足TPMS休眠模式耗电30μW,发射耗电35mW,间歇时间30 s的需要。实验表明,压电阵列式轮胎发电机平均输出功率为150～350μW,瞬时输出功率可达到50mW。

为了增加天线带宽,提高天线机械稳定性,改善天线性能,提出并设计制作了一种工作在35 GHz的硅基MEMS渐变式缝隙天线.针对渐变式缝隙天线在毫米波频段介电常数高、衬底极薄、易碎、不易制作等问题,利用ICP深刻蚀工艺在衬底上形成了周期性通孔阵列,从而减小了衬底有效介电常数,增加了衬底厚度,同时利用共面波导-槽线对该天线进行馈电.仿真结果表明,该天线带宽为28.2%,增益为8.7dB.采用微机械工艺对该天线进行加工,测得其带宽为13.2%.与传统天线相比,该天线进一步提高了天线衬底的机械稳定性,增加了天线带宽,且易于集成.

介绍了一种新型电子冷却系统—离子拖曳电液动力微泵,运用MEMS技术在硅片上加工了离子拖曳微泵并进行了测试,微泵由一组平面电极组成,电极的宽度为40μm,发射极和集电极之间的间距为50μm,共有90对电极对,每组电极对之间的距离为100μm.微泵静压力实验以HFE7100和无水乙醇作工作流体,通过施加直流电压来驱动工作流体,当输入电压为200 V时,微泵可以得到250 Pa的静压力.实验结果表明:微泵的静压力与施加的输入电压成二次方关系,同微流道的高度成反比.实验发现工作介质的物性参数也是决定泵性能的一个重要因素,选择合适的流体可以提高整个微泵冷却系统的性能.研究还表明,微泵的性能与工作寿命和实验环境的洁净度以及工作流体提纯密切相关.

为了减小振动环驱动模态和检测模态的频率差从而提高陀螺性能,提出了一种采用电磁驱动、电磁检测的全对称振动环陀螺结构。采用MEMS体硅工艺完成该微机械振动环陀螺的加工,其结构在保持镜像对称的同时,还保持了中心对称,因此整个结构高度对称,有利于减小模态频率差。为有效跟踪陀螺驱动模态的谐振频率并稳定驱动模态的幅值,设计了闭环驱动控制电路。该电路由低噪声前置放大器、相位调整环节以及自动增益放大器(VGA)组成。测试结果表明,该陀螺两个模态频率差为0.27 Hz ,实现了频率较好的匹配。在±200°/s ,测得陀螺灵敏度为8.9 mV/(°/s) ,分辨力为0.05°/s ,非线性度为0.23%。

压力、温度和湿度集成传感器具有体积小、成本低和可批量生产等优点,在环境监测和工业控制等领域应用广泛.基于微机电系统(MEMS)技术,本文设计和制作了一种尺寸为5.5mm×3.5mm×0.8mm的高精度压力、温度和湿度集成传感器.该集成传感器由SU-8真空粘合技术制作的铂压阻压力传感器,铂电阻温度传感器和电容式湿度传感器组成.介绍了该集成传感器的设计思想、结构和制备过程,给出了实验和测试方法.结果表明,压力传感器的精度优于0.05%;温度传感器的精度为0.3%;湿度集成传感器的量程为25%RH～95%RH,其性能曲线的线性相关系数为0.998.集成传感器中的这3种传感器的高精度表明该集成传感器的制作工艺具有良好的工艺兼容性.

考虑双线振动双质量硅微陀螺仪环境适应性强且两个质量块的差动输出能够有效消除共模干扰的影响,提出了一种新型双质量陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,对该陀螺的驱动模态进行了理论分析,并提出了简化的动力学方程。利用ANSYS有限元软件对陀螺的驱动模态进行了数值仿真,并对陀螺仪样品进行了电路测试.通过几种不同的加载方式,分别得到了相应的仿真和测试的幅频曲线,结果表明,仿真和实验结果与理论分析完全一致,且双边驱动方式要优于单边驱动方式,反向驱动方式可以使陀螺仪在工作模态运动。仿真和实验结果验证了双质量硅微陀螺的驱动模态特性。

力平衡式真空微电子加速度传感器的惯性敏感元件不仅受弹性力的作用,同时还受静电力的作用,其总刚度为机械刚度和由静电力引入的电学刚度之和.本文利用平行板电容器模型计算发射电极间的静电力,并引入一个修正系数描述发射锥尖阵列的影响,对传感器性能进行了理论分析.分析表明,提高偏置电压可以改善传感器的线性度和灵敏度,通过调节偏置电压来调整系统的刚度和阻尼比可使其具有更好的动态特性.由于静电吸合效应的影响,质量块的位移必须小于偏置电极间初始间距的1/3 ,系统才能稳定.为了获得较好的动态特性,需要确定一个由偏置电压决定的优化工作点.实验结果表明,当设置发射电压和反馈偏置电压分别为1.953 V和5.478V时,该真空加速度传感器的灵敏度达到557mV/g,非线性度为0.95%,传感器系统具有良好的性能.

设计、模拟了一款用于多频振动的MEMS复合式能量采集器,提出了一种新颖的能量采集结构,即将压电式悬臂梁和可变电容器结合起来用于多频振动能量的采集。在建立多频振动能量采集系统分析模型的基础上,使用MatLab/SIMULINK的数值模拟,预测了功率输出。模拟结果显示,该结构可在630～655Hz有效工作,在负载为50 kΩ时,输出功率可达13.46μW.基于这个结果,给出了一个优化设计方案,同时为了防止结构失效,对结构进行了有限元仿真分析。仿真分析结果显示了良好的预期性能,说明了该设计指导思想的合理性和先进性。

为了用超声波键合的方法实现微流控芯片的封装,采用选择性键合方式在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片的微沟道两侧设计、制作了能量引导微结构,用热压法在同一PMMA基片上一次成形了凸起的能量引导微结构和凹陷的微沟道.用套刻和湿法腐蚀的方法制作了复合一体化硅模具.通过正交实验,确定了优化后的热压工艺参数.实验结果表明,由于同时存在凹、凸微结构,因此优化后的热压成形温度比传统的热压凹陷结构的成形温度提高15～20 ℃,在温度为140 ℃、保压时间为300s、压力为1.65MPa的实验条件下,微结构的复制精度达到了99%.

为了改善微机电系统(MEMS)电容式加速度计的噪声特性,提出了一种基于开关电容的低噪声闭环接口电路.该电路采用电荷积分器作为前级预放大装置,对寄生电容不敏感,而且具有非常低的噪声.采用相关双采样(CDS)技术消除了1/f噪声和运算放大器失调电压的影响.同时,为了改善系统的动态响应特性,反馈部分采用积分电路,提高了系统阻尼比和响应速度.利用电荷泻放通道实现了自检测功能.采用0.5μm CMOS工艺完成了版图设计,仿真结果表明,系统灵敏度为0.115V/g,非线性度<0.12 %,可检测的最小加速度为20μg,自检测输出与自检测电压成正比.

改变传感器可动极板的结构是解决MEMS电容式压力传感器信号输出与压力输入呈非线性关系问题的方法之一。设计了一种新型结构电容式压力传感器,其可动极板是LPCVD氮化硅构成的一个方形薄膜,薄膜中心到边缘之间由PECVD氧化硅构筑一个环形岛棱,使可动极板在压力负载下的变形趋于平整,减小了边缘杂散电容带来的非线性,从而改善了该传感器的输出特性。利用有限元方法分析了不同尺寸的动极板在不同外加压力作用下压力与形变的关系,以及相应的应力分布情况,并采用最小二乘拟合直线法计算了压力传感器的线性度。分析结果表明,与常规的双极板微型电容式压力传感器相比,新型结构压力传感器的线性度改善了48.38%,达到了1.6%。

根据各种传热机理建立了微型直接甲醇燃料电池的热传导模型,借助有限元分析工具,设计模拟了集成在微型直接甲醇燃料电池中3种不同结构的加热器。仿真结果表明,不同的加热器结构在极板表面将引起不同的温度分布,这将对燃料电池产生不同的加热效果,从而对电池的性能造成影响。其中一种比较理想的加热结构仅引起1.4℃的温度偏差,显示了良好的温度均匀性,故在实验中被用来控制工作温度。而另外两种加热结构引起的温度偏差分别是2.1℃和3.0℃。实验结果表明,当电流53.9mA时,微型直接甲醇燃料电池工作温度为58.2℃,产生的最大功率密度为5.55mW/cm².集成后的微型加热器可以通过调整微型直接甲醇燃料电池的工作温度提高其性能,并能在极端环境下工作。

基于介质上电润湿效应提出了一种由覆盖有导电氧化铟锡(ITO)薄膜和疏水介质薄膜的玻璃片,悬浮在玻璃片上方的锥形金属圆环以及透镜中的液体组成的液体变焦透镜结构。通过改变施加在接地金属圆环和ITO控制电极之间的电压,实现了透镜液体的弯月面位置和曲率的可逆调整,从而改变透镜焦距。悬浮的金属圆环同时被用来使透镜中的水滴自居中,讨论了具有自居中效应的不同悬浮圆环形状对弯月面光学功率变化范围的影响。实验结果表明,施加40V电压可以使透镜样品在2.5cm和无限远之间聚焦,同时拥有高成像质量,光学功率变化范围达40m^-1。本文设计的液体变焦透镜兼具低功耗、小尺寸和高度可逆等特性,在微透镜应用领域具有很大优势。

提出了生物分子在深度周期性变化纳米流控通道中输运的理论模型.该系统利用不同大小的非各向同性粒子处在两个平面组成的狭小空间时转动自由度受限制程度(熵受限)的不同来实现带电粒子的分离.基于一维简化模型,建立了有效迁移率与通道尺寸、分子大小以及外电场强度的关系的解析解,用于表明这些因素如何决定分子分离的效果.算例表明对于50,150和300bp的DNA片段,在低电场强度下,迁移率误差值在5 %以下.该简化模型可用于分析和优化实际的纳滤分离系统,而无需做复杂的数值模拟,省去了大量的物理实验过程.

通过理论研究和有限元仿真分析了热效应对两种不同质量块布局的双端固支梁的等效弹簧系数的影响,两种质量块分别布局为质量块与梁对称布置和质量块位于梁平面一侧布置.推导了双端固支梁等效弹簧系数随温度的变化公式,仿真分析了双端固支梁-质量块系统的一阶固有频率以及质量块在静载荷作用下的位移。通过固有频率及载荷-位移两种方式,分别得到了两种布局下的质量系统在不同温度下的等效弹簧系数。对于质量块对称布置和单侧布置,根据一阶固有频率得到的等效弹簧系数随温度的变化与理论分析都吻合;而利用载荷-位移得到的等效弹簧系数随温度的变化,需要对位移进行修正。计算结果表明,对于质量块位于梁一侧的系统,温度变化对其等效弹簧系数有重要影响,质量块的不对称会在温度变化时产生对梁的弯矩作用,从而使质量块产生位移,造成微机电传感器和执行器输出信号的改变。

介绍了一种利用隧道效应所具有的高位移敏感特性来获得较高灵敏度的微机械隧道振动陀螺仪的设计和工艺制备,该陀螺仪分别采用扇形梳齿驱动和面外振动悬臂梁的方式实现质量块的振动和恒隧道电流的检测。介绍了扇形梳齿驱动的工作原理和隧道陀螺仪的设计。由于采用了硅玻键合和深反应离子蚀刻(DRIE)的DDSOG体硅制备工艺,因而可获得较大的敏感质量块,从而使陀螺仪具有较高的灵敏度和较大的动态响应范围.根据检测模态和驱动模态匹配的原则,利用有限元模型对隧道陀螺仪的结构尺寸进行了优化,仿真结果表明,该陀螺仪在常压下的灵敏度为0.007nm(°)/s。

使用压电陶瓷作驱动元部件的快速伺服刀架是一种新的加工手段。本文介绍了基于Preisach模型的快速伺服刀架迟滞特性建模方法。作为快速伺服刀架的驱动元部件,压电陶瓷微位移器自身的迟滞、蠕变等非线性特性严重影响了快速伺服刀架的动态性能。为了精确建立快速伺服刀架的迟滞模型,给出了Preisach模型的数字表达方式,通过一系列实验测得的数据证明快速伺服刀架系统具有一致特性与擦除特性,满足Preisach模型的两个必要条件,最后在实验数据的基础上建立了基于Preisach模型的迟滞特性模型。实验表明,该迟滞模型可以很好地预测快速伺服刀架的迟滞位移曲线,其预测误差不超过0.65μm。

提出了一种宏/微双驱动微进给机构的设计与控制方法。介绍了宏/微双驱动微位移机构的结构设计,将宏动(大行程)和微动(高分辨率)两者串联以获得理想的运动性能。该机构用步进电机作为宏动的驱动装置以获得大行程和高响应速度,用压电陶瓷微位移器作为精密运动以提高运动分辨率和运动精度。设计了该机构的控制系统,用一个基于模型的开关控制器对微位移装置进行控制,并设计专门的运动分配模块对宏/微运动进行协调控制。最后,分别控制宏动和微动装置对该系统进行了实验,并用激光干涉仪检测。检测结果表明,宏动装置的行程为90mm,运动分辨率为0.3μm;压电陶瓷微动装置的行程为40μm,定位精度为0.9μm。理论分析和实验结果均表明了控制策略的有效性。

根据一束光的偏振特性可以由斯托克斯矢量来表征的原理,设计搭建了一种天空偏振光测量系统。该系统由计算机、赤道仪、光纤光谱仪和配备了可旋转偏振片的改进式天文望远镜组成,在400～900nm的光谱分辨率为1.4nm。赤道仪经过标定后可以实现0～180°方位角以及0～90°高度角的调整,角度分辨率为2.5°。系统的光学全视场为4.5°,使用该系统可以测量全天空的光强辐射度、偏振度以及偏振方位角。由标定结果可知,系统光强测量的重复率在450～500nm为99%,在500～900nm为(95±3)%;在400～750nm偏振度测量误差<2%,在475nm处达到1.2%。偏振方位角的测量误差<2°。

振动式压电发电机是一种可为旋转机械故障诊断中的无线传感节点供电的微能源。本文设计了由压电悬臂梁、质量块和固定装置组成的振动式压电发电机,并建立了安装在恒速旋转机械上的悬臂梁式发电机的数学模型。分析了轴向分力对悬臂梁刚度和发电机频率的影响,在考虑悬臂梁受到轴向力影响的基础上,给出了发电机固有频率、输出电压和输出功率的公式。对一个安装于转动框架上的振动式压电发电机进行了测量,结果表明,当框架转动频率为14.25Hz时,发电机的输出功率约为35μW,随着旋转机械转动频率偏离发电机固有频率,发电机的输出功率很快降低。

利用加速度计的机械变形导致电阻的变化,设计了一种测量高g值的加速度计。在Coventor;Ware软件下建立了加速度计的加工工艺流程和实体模型。利用压阻分析模块MemPZR,采用FEM分析方法,通过改变压阻块在悬臂梁上的位置,得到压阻块位置与器件输出电流之间的关系,找到了压阻块在悬臂梁上的最优放置位置。改变压阻块的电导率,验证了器件的灵敏度变化与压阻率变化的趋势是一致的。在20kg加速度的输入下,得到了压阻块应力的分布,以及电流的大小及分布,和悬臂梁的应力大小及分布,验证了加速度计的抗过载能力。

介绍了一种用于MEMS设计的六面体网格划分方法。MEMS工艺决定了大部分MEMS模型都是层状结构,本文针对这种结构提出了一种简便的2.5维划分方法,适用于所有面平行于(x,y)平面或者z轴的层状结构。该方法在(x,y)平面内将模型划分为四边形网格,然后在z方向延伸形成六面体。相比于如今使用最多的Sweep划分算法,它在划分前的预处理更少,由于仅仅需要输入划分大小,使得整个划分过程更加方便,速度也比Sweep方法快了10～1000倍,10000个六面体以内的划分可在10s内完成。同时,该方法也可以通过输入工艺过程参数按照实际MEMS工艺步骤产生3维MEMS模型,完成从2维版图到3维网格的直接生成。

为了实现高精密温度测量,设计了高性能数字温度传感器,该传感器由石英音叉谐振器,数字接口电路和基于现场可编程门阵列的传感器重置控制算法构成。依据石英晶体压电效应原理,对石英音叉谐振器的热敏切型和电极设置进行了研究;基于力学振动原理,导出石英音叉谐振器弯曲振动模式的微分方程;讨论了谐振式温度传感器的工作原理,提取出石英音叉温度传感器的特征参数并进行了非线性误差分析;采用光刻和侵蚀技术加工制作了石英音叉谐振器。该传感器的频率输出信号通过数字接口进入现场可编程门阵列,通过重置控制算法实现传感器的重置和现场自动校验。实验结果表明,在-20 ～140 ℃,该传感器的灵敏度可达65×10^-6/℃,测温分辨率为0.001 ℃,响应时间为1 s ,测温精度为0.01 ℃。

为了解决如高温200℃等恶劣环境下的压力测量问题,基于微机电系统(MEMS)和高能氧离子注入(SIMOX)技术,研制了一种量程为0～120kPa的压阻式压力传感器。该传感器芯片由硅基底、薄层二氧化硅、惠斯登电桥结构的硼离子注入层、氮化硅应力匹配层、钛-铂-金梁式引线层和由湿法刻蚀形成的空腔组成。在氧剂量1.4×10¹⁸/cm²和注入能量200keV条件下,由高能氧离子注入技术形成厚度为367nm的埋层二氧化硅层,从而将上部测量电路层和硅基底隔离开,解决了漏电流问题,使得传感器芯片可以在高温200 ℃以上的环境下使用。为了提高传感器在宽温度范围内的稳定性,对温度补偿工艺进行了研究,补偿后的传感器灵敏度温度系数和零位温度系数很容易控制在1×10^-4/℃·FS。实验标定结果表明:在200 ℃下,研发的耐高温压力传感器具有很好的工作性能,其线性度误差达0.12%FS、重复性误差为0.1%FS、迟滞误差为0.12%FS,精度达0.197%FS,满足油井、风洞、汽车和石化工业等现代工业的应用需求。

光镊技术已经成功应用于光学和微功能器件,但是,对光镊驱动复杂微转子所建模型尚不成熟。为了分析光镊的光驱动力和力矩,基于矩量法建立了一种新模型。基于此种模型的分析结果表明改变环境参量是提高光镊工作效率的方法之一,如微转子转动速率与光镊的激光功率成正比,与束腰半径成非线性关系。另一种可以大幅度提高光镊工作效率的方法是改变微转子的形状,数据表明“万字”形微转子的转动效率是相同尺寸的“十字”形转子转动效率的10^-7倍.此外,通过解析力场的分布状态,可得到光压力的主要作用面,为今后的微转子设计提供依据。新模型的另一个优点是耗费时间较少,对于模拟光镊驱动微功能器件具有通用性和柔性.

研究了一种压阻式三轴高g加速度计的霍普金森杆法测试实验及其数据处理方法。被测加速度计安装于标定杆的端部,从高压气舱中射出的子弹高速撞击标定杆,所产生的冲击以应力波的形式在标定杆中传播,并可以通过安装在杆中部的应变计记录。通过比较应变计的输出和加速度计输出的积分,可以计算得出被测加速度计的灵敏度。利用这种标定方法,测试了一种压阻式单片集成三轴高g加速度计的Z轴单元和X轴单元的灵敏度,测试结果分别为(2.18μV/g)/5 V和(2.15μV/g)/5 V。这一测试结果与利用自由落杆测试系统得出的测试结果基本吻合,表明本文所采用的测试系统及实验数据处理方法是可信的。

为了改进现有的成品油管道油品检测方法,从油品介质的本质出发,寻找能够体现油品本质的特征来检测和识别成品油。通过分析光的变化磁场的电磁感应对介质的作用以及光在介质分子间能量传递过程建立的电子云导体模型,运用能量守恒原理对光在介质中的传播以及折射现象进行了研究,对不同成品油及其混油的折射率进行测量及相关计算,得到了计算成品油折射率和识别混油的方法。通过光学传感器接收探头与油品接触面的菲涅尔反射信号,分析光与介质的相互作用,从而完成对油品的识别以及对不同混油的区分,相对误差<0.02%。实验结果为油品的识别和开发研究提供了理论依据,在分析成品油管道运输中混油的成分、推断其混油状态、扩散过程等方面有一定应用前景。

基于人体模型的跟踪方法易于实现视频的运动人体跟踪,而且利用较少的视频帧数即可学习获得人体模型。本文针对给出的视频提出了学习人体模型的学习算法。利用片图模型表示未经学习的人体,改进的隐马尔可夫模型( HMM)模拟人体在视频序列各帧间的运动,并使用机器学习方法对该改进的HMM进行推理,获取改进HMM的参数,从而获得所需的人体模型。学习得到的人体模型由包含颜色信息的各人体肢体模板组成。实验显示只用80～90帧包含有人体运动的序列图像,便可学习得到该运动人体的人体模型。结果表明,该学习框架效果明显,可用于快速学习视频序列中的运动人体模型,且可用于学习一人或多人的人体模型。