MEMS矢量水听器敏感结构的后CMOS释放工艺研究

纤毛式微机电系统(MEMS)矢量水听器可探测水下质点振速等矢量信息,与互补金属氧化物半导体(CMOS)集成能够很大程度地提升其性能。针对纤毛式MEMS矢量水听器的CMOS集成提出了一种方案,该方案在MEMS后处理工艺中,利用侧墙保护和各向异性湿法腐蚀从正面释放水听器的十字梁敏感结构。整个后处理过程不需要光刻,降低加工难度的同时,保证了加工结构的精确性。设计出了一种验证性的工艺流程,具体分析了4种不同结构的湿法腐蚀过程。最终完成了这4种结构的工艺流片,对实验结果进行了分析。实验验证了该方案的可行性,为纤毛式MEMS矢量水听器的CMOS集成奠定了基础。

基于MEMS水听器的水下探测系统设计与实现

微电子机械系统(MEMS)水听器作为声呐的核心部件,具有灵敏度高、低频特性好的优势,在进行水下探测时,可同时得到水下声场的声压及振速信息,被广泛应用于声呐浮标、无人水下航行器(UUV)等水下平台,实现对水下目标的实时探测。以现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心,基于MEMS水听器,选择合理的存储协议和能量检测算法,设计并实现了一套应用于声呐浮标的水下探测系统,并开展了室内测试与室外湖试实验。室内测试结果显示,MEMS水听器的矢量通道灵敏度约为-210 dB@100 Hz,可测带宽为10~2000 Hz,具有平滑的“8”字指向性;标量通道具有全向性,灵敏度为-189.5 dB@100 Hz,可测带宽为10~1250 Hz;系统功耗约1.55 W,同步采样率为10 kHz,存储容量为64 GB,可实现信号的实时检测以及对3路模拟信号和3路数字信号的存储。湖试实验结果表明,该系统在水下能够稳定工作,可以连续工作约23 h,经数据处理分析,系统采集到的水声信号正常,对目标信号的探测性能良好。

基于CMUT环形阵列的反射超声成像方法

电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、制造成本低、易与电路集成等优点,在医学成像领域具有广阔的应用前景。CMUT高密度阵元、低制造成本的特点使其拥有制备超声环形阵列独特的优势。基于CMUT环形阵列提出了反射式超声成像算法,采用k-Wave工具箱搭建模型进行仿真实验,验证了算法的可行性。搭建了基于32阵元CMUT环形阵列的超声成像验证平台,通过旋转实现稀疏阵元的反射式超声成像。图像重建结果表明,该反射成像算法可实现目标体重建,目标体直径测试值为6.14 cm,与目标体直径实际值6.00 cm相比,成像误差为2.33%,验证了CMUT环形阵列在超声成像中应用的可行性。该研究为进一步研制基于高密度CMUT换能器的超声成像系统提供了参考。

基于微纳光纤结型谐振腔的低频水声传感器

通过将谐振腔置入有利于将声压变化有效传导到谐振腔的材料中,可以实现基于光学微纳结型谐振腔的水声传感器。提出了一种基于微纳光纤技术的结型谐振腔水声传感器,其尺寸更小,对于低频信号有出色的探测能力。将直径为3.5μm的光学微纳纤维制备成曲率半径为550μm的结型谐振腔,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜将其以上、下包裹的形式封装到镂空玻璃基底上,完成水声传感器的制备。PDMS具有比SiO_(2)低的折射率,并表现出良好的传输性能。采用PDMS封装谐振腔提高了传感器的品质因数(1.45×10^(4)),也有利于在水下更好地保护谐振腔。采用滤波放大技术来解调接收到的声信号,测试结果表明,该传感器在12.5~100 Hz内的灵敏度均值为-148.6 dB,信噪比均值为40 dB。

环阵多阵元合成孔径成像F数优化研究

使用环形阵列的超声计算机断层扫描(USCT)在乳腺组织成像和工业无损检测方面展示了显著潜力,但图像重建质量仍面临挑战。该研究提出将F数应用于多阵元合成孔径聚焦成像方法,在环形阵列中实现对目标的自动扫查,并探讨F数对环形阵列合成孔径成像的影响。通过仿真和实验,使用乳腺仿真模型和直径0.3 mm的尼龙丝作为测试对象,设置发射和接收F数为F、F/2、F/4、F/8、F/16进行图像重建,并进行阈值分割处理和半高宽(FWHM)分析。结果显示,较低接收F数能够显著减少靶标畸变并提高成像精度,其重建图像尺寸误差减少了28.3%。对于点目标,低接收F数显著提高了空间分辨率,其中轴向分辨率提升了40%,横向分辨率提升了36.7%。该研究为提升环形阵列USCT成像性能提供了新的思路和方法。

基于压电传感器的电子听诊器设计及实现

压电式心音传感器作为声敏感单元,传感头一般采用硅胶类亲肤材料进行封装,但由于硅胶与皮肤的声阻抗失配较大,所以心音传感器普遍存在信噪比低、易受外界干扰等缺陷。针对压电式传感器封装存在的问题,提出了一种液体式封装方法。该方法针对压电传感器的结构和封装要求设计了电子听诊器的封装壳体和封装工艺;仿真了不同液体环境下的声场衰减,并制备了以封装去离子水和硅油作为过渡层的电子听诊器探头;用封装后的传感器测试心音信号,并与3M听诊器进行对比。测试结果表明,采用去离子水封装的传感器测到的心音信号幅值更大,且其信噪比远大于3M听诊器。

基于MEMS矢量水听器的水下目标方位探测系统设计

本文设计了一种结构、尺寸均适配于微型浮标的小型化水下目标方位探测系统,针对水下固定频率的声目标方位获取进行研究,主要适用于水下目标主、被动双基地探测。测试系统利用微机电系统(MEMS)矢量水听器作为核心传感器,设计现场可编程门阵列(FPGA)读写控制电路,一方面,采集的数据存储于SD卡中;另一方面,则将数据暂存在随机存取存储器(RAM)中,以备数据回传需求。通过驻波管实验证明:搭建的小型化目标方位探测系统稳定可靠,根据其所采数据在有效范围内可以获得目标的方位估计,驻波管内角度误差估计小于2°,误差小且定向准确。

基于共振隧穿二极管的GaAs悬臂式声传感器研究

实验研究了基于AlAs/InxGa1-xAs/GaAs共振隧穿二极管(RTD)的振荡器的压力-频率转换特性,实验结果表明:该特性具有良好的线性特征,且其线性灵敏度达到0.84kHz/MPa.利用此压力-频率转换特性,首次设计并利用微机械控制孔技术加工制作了基于RTD的GaAs基悬臂式声传感器结构,实现了RTD与GaAs基微机械加工技术的工艺集成.

煤矿机械工作状态监测系统研究

煤炭是当今社会的一种重要化石能源,煤机械设备是煤矿企业实现机械化的核心装备,对其工作状态进行监测具有重要的经济价值和安全需求。笔者综述了煤矿机械设备的主要故障类型、产生的原因以及故障的表现形式,根据信号采集时煤机设备是否需要停机以及故障诊断的时效性,总结了机械故障诊断的方法及其特点;分析了不同类型无线网络传输技术、不同种类微能源技术的特点及其在煤矿中应用的可行性;同时,针对当前煤矿机械工作状态监测系统的不足,提出了基于微能源技术实现煤矿机械设备工作状态信息采集与发送系统自供电,结合Zigbee无线网络传输和通用分组无线服务技术(general packet ratio service,简称GPRS)通信方式实现煤矿机械设备工作状态监测系统自动化在线监测的发展方向。

介观压阻效应及器件

介绍GaAs/AlAs/InGaAs双势垒超晶格薄膜结构的介观压阻效应以及几种基于此效应的新型传感器件。阐述介观压阻效应的四个过程,结合空气桥结构和欧姆接触技术,在[001]晶向半绝缘GaAs衬底上加工出来了GaAs/AlAs/InGaAs共振隧穿结构(Resonant tunneling structures,RTS),并对其进行了加压试验研究,发现其介观压阻灵敏度达到2.54×10^(-9)Pa^(-1),是硅压阻灵敏度的一个数量级以上。采用控制孔技术成功加工出了基于RTS的圆膜压力、四梁加速度和仿生矢量水声三种新型纳机电器件,并分别对其进行了压力罐、振动台和水下驻波测试。结果表明圆膜压力传感器具有较好的力电耦合特性:四梁加速度计的压阻灵敏度随RTS两端偏置电压可调,并在微分负阻区具有最大压阻灵敏度;矢量水听器具有良好的"8"字余弦指向性,灵敏度在1 000 Hz时达到184.6 dB,可以实现水平面内的水下声信号探测。

智能测试系统基本特征及其组成

本文在剖析“智能”的内涵和研究测试系统自身属性的基础上,定义了智能测试系统的基本特征,研究分析了智能测试系统的组成,并介绍了一种具有一定智能水平的测试系统。

导弹数据记录仪

导弹数据记录仪（又称导弹黑匣子）是一种用来测试反坦克导弹全弹道飞行过程中，有关弹体姿态和导弹控制与执行过程工作信息的弹载存贮测试系统。本文针对该类导弹信号特点，研究设计了导弹数据记录仪，给出了系统的状态图及其工作原理，介绍了典型记录通道的电路设计。并对该记录仪在反坦克导弹飞行试验测试中的应用情况作了简要介绍。

信号的模糊识别

传统的信号触发记录有其不可避免的缺陷。本文通过模糊式识别的方法从另一个角度实现触发电平的控制,利用计算机学习不同触发记录的若干个同类信号与其回归信号的模糊贴近度来判断触发的准确性及可靠性。同时,本文还提出了模糊电平,模糊自寻优控制的概念。对若干类信号的识别提供了一条行之有效的途径,并对其应用作了一简单介绍。

新型复合硅微传感器的设计

为了解决弹药武器系统的高温、高压、强冲击振动和紧凑设计条件的测试问题 ,提出了一种以半导体压阻效应、极间电容变化以及PN结温度效应为基本原理的加速度、压力与温度多参数硅微复合传感器 .介绍了复合传感器的工作原理、系统构成以及有限元分析仿真模型 .

硅微加速度计及其集成测量系统研究

本文从加速度传感器军民两方面的需求出发,介绍了MEMS制造技术及国外采用MEMS加工技术研制的几种一维和三维硅加速度传感器,在此基础上研究了集成加速度测量系统及其工作原理。

引信现代测试系统及其宏观设计原理

本文在分析研究引信数据特点的基础上,分类研究了引信现代测试系统,提出了引信现代测试系统设计的若干原则。

政产学研联动 推进研究生教育创新中心建设

认为政产学研联动是推进校企研究生教育创新中心建设的一种新举措。基于对政府部门在产学研合作方面认识的深入分析,论证了开展研究生教育创新中心建设的必然性,对创新中心工作实践和目前存在的若干问题加以阐述,为地方高校研究生教育和产学研合作活动的开展提供借鉴。

微型惯性测量系统及其应用

目的 对微机电系统 ( MEMS)和微型惯性测量系统的国内外现状、国家政策进行介绍 ,讨论微型惯性测量系统 ( MIMS)应用技术 .方法 结合世界各国政府对该技术的政策导向和我国的对策 ,在应用技术方面 ,采用系统优化、设计专用集成电路并采用抗高过载方法 .结果与结论 模块化集成方法能够满足部分需求 ,已在我国一些重大型号上获得应用 .微型惯性测量系统是今后需要重点研究的微机电系统之一 .

集成微型自适应加速度测试仪研究

提供了一种采用硅微加速度计和ＡＳＩＣ构成的自适应采集和存储测试加速度信号波形的集成微型测试仪。该测试仪有１２８种采样频率随被测信号实时自适应改变，最高采样频率为１０ＭＨｚ，存储容量可达１Ｍ字节，单电源５Ｖ供电，采集时功耗５０ｍＷ，保存数据时的功耗为２０μＷ，测量范围±５００ｇ，抗过载能力为３０倍量程，具有系统自检功能，自带微机接口，而其整体体积仅有２．４ｃｍ３。

战略导弹数据记录设备的研制

本文所介绍的远程导弹数据记录设备是应中国航天总公司某研究所的要求,研制的一种弹上数据采集与存储装置。本文将详细介绍这种装置的电路组成及工作原理,以及在例行环境要求下工作的情况。