高结构对称性微半球陀螺设计与制造

针对陀螺高精度小型化需求,该文设计了一种微半球陀螺结构,建立微半球陀螺三维有限元模型,研究了微半球谐振子结构对称性对陀螺性能的影响规律。提出了谐振子圆度及1~4阶质量不对称误差的评价方法,实现了谐振子制造工艺优化,优化后的谐振子圆度误差≤2μm,在此基础上研制了微半球陀螺样机。结果表明,封装后陀螺样机的周向品质因数(Q)值分布为(9.024~9.183)×10^(5),均匀性为±0.87%;速率模式下,陀螺量程为±20(°)/s时,陀螺零偏不稳定性为0.0138(°)/h,角度随机游走为0.0068(°)/√h,展现了高结构对称性微半球陀螺的性能潜力。

载气流速对高场不对称波形离子迁移谱的影响

载气流速是影响高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)的重要参数。以自制的高场不对称波形离子迁移谱仪为实验平台,在射频电场幅值3kV/cm,频率500kHz,占空比0.36的条件下,研究了载气流速对苯离子迁移谱谱峰强度和半峰宽的影响。实验结果表明:载气流速为3.7L/min时,苯样品的谱峰强度最大,仪器的灵敏度最高。随着载气流速的增加,谱峰半峰宽变宽,仪器的分辨率下降。载气流速为3.0～3.7L/min时仪器综合性能最佳。此结果对于控制迁移谱仪载气流速有重要的参考意义。

高灵敏度QVBA限位结构设计研究

石英振梁加速度计(QVBA)具有检测精度高、准数字输出的特点,灵敏度是影响其性能的一个重要指标参数。针对现有石英振梁加速度计灵敏度低的问题,设计了一种高灵敏度石英振梁加速度计。它采用在石英摆片上下位置施加一对限位片,既可对石英摆片的最大位移量进行限制以提高器件的抗冲击性能,又可增加石英摆片振动过程中的阻尼力以提高器件的抗振动性能,降低了加速度计一阶模态谐振频率的限制条件,有效提高了加速度计的灵敏度。最后依据加速度计的结构特点设计出了相应的工艺制作方案,并加工出了差分结构的加速度计样机,经测试其灵敏度为65.74Hz/g,10min零位稳定性为15.8μg。

一种基于谐振原理的微型压力传感器设计

设计了一种结构简单的微型石英谐振式压力传感器,该传感器芯片由力学转换元件、谐振敏感元件和支撑元件3部分构成。仿真分析了压力100kPa内传感器输出频率与输入压力的关系,经线性拟合后得出其最大相对非线性误差为0.09%。采用石英深槽湿法腐蚀的方法加工出了芯片3个元件结构,并经镀膜及键合等后工序制作出了传感器芯片,其性能实测值与仿真结果基本吻合,验证了结构及工艺方案的可行性。

高场强不对称波形迁移谱原理与性能探讨

高场强不对称波形迁移谱(FAIMS)检测技术相对于传统的离子迁移谱技术有结构简单、选择性和分辨力高等诸多优点。详细阐述了其结构特点及其工作基本原理,分析了提高其精度的几种方法,介绍了FAIMS的研究进展和待解决的问题。

ST-石英的湿法腐蚀工艺研究

对影响ST-切向石英表面湿法腐蚀质量的因素进行了试验研究,并对结果进行了详细分析。试验基片材料为双面抛光的ST-切向石英晶体,掩蔽膜材料为Cr/Au双层金属膜,腐蚀液为HF和NH4F的混合溶液;主要研究了基片清洗、腐蚀液成分配比及腐蚀温度等工艺参数对基片表面腐蚀质量的影响,并通过选择最佳的试验参数,以约0.7μm/min的适中腐蚀速率加工出了满足要求的晶体表面。

一种高灵敏度石英微机械陀螺敏感器件

针对石英晶体各向异性的特点,设计了一种驱动梁为双"W"截面形状的石英音叉微机械陀螺,通过在驱动梁表面凹槽两端设置深凹槽,有效提高了凹槽侧壁的陡直性,进而提高了驱动梁内部电场的激励效率和陀螺灵敏度。采用有限元仿真的方法,分析了不同截面形状的驱动梁压电激励力的相对大小,优化设计了陀螺芯片结构参数。依据陀螺芯片的结构,设计了合理的工艺方案并在3英寸石英圆片上制作出了三种驱动梁截面形状的陀螺器件,测试结果表明,相对于矩形驱动梁截面的陀螺芯片,双"W"形驱动梁截面的陀螺芯片的灵敏度提高约60%。

一种高电场激励效率的石英谐振元件设计

设计了一种谐振梁为双"W"截面形状的石英音叉谐振元件,通过在梁表面凹槽的两端设置深凹槽,有效提高了凹槽侧壁的陡直性,进而提高了电场的激励效率。经仿真对比,相对于"H"形截面的谐振元件,双"W"形截面的谐振元件的压电激励力提高约58%。设计了元件芯片工艺方案,并在直径50cm的晶片上制作出两种截面形状的谐振元件。测试结果表明,双"W"形截面的谐振元件的品质因数(Q)值和导纳分别由2 387、2 143ns提高至2 648、2 346ns,动态阻抗值由548kΩ降至417kΩ。

基于两维扫描高场不对称离子迁移谱技术检测挥发酚

要采用自制高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)仪对苯酚、2-甲酚、3-甲酚、4-甲酚以及2,4-二氯酚进行检测,通过结合补偿电压以及射频高压的二维扫描优化了对检测物的分辨。射频高场强度为1.6×104V/cm时,2-甲酚与4-甲酚有最佳分辨效果,其余物质在高场强度大于1.8×104V/cm时可以得到最佳分辨。研究了5种物质的离子迁移率随电场强度变化的多项式拟合参数值,为后续挥发酚物质现场快速检测奠定了基础。实验表明,随着高场强度增加,检测灵敏度降低,而分辨率通常增加,高场强度为2.0×104V/cm时,系统对2-甲酚的检出限为1μg/L。

痕量挥发性有机物的高场不对称波形离子迁移谱研究

高场不对称波形离子迁移谱(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry,FAIMS)技术是一种快速、高灵敏的痕量物质检测技术。利用自制的高场不对称波形离子迁移谱仪分别对丙酮、苯和甲苯样品进行了检测,结果表明三种挥发性物质在谱图中的分离效果优于传统离子迁移谱仪;另外分别对二甲苯三种同分异构体进行了检测,成功地实现了三者的分离。实验分析了载气流速对离子信号强度的影响,发现流速为220L·h-1时信号强度最大,此结果可用于仪器的优化设计。获得丙酮的检出限为100ng·L-1,比国外传统离子迁移谱仪低了一个数量级。

微半球谐振陀螺技术研究进展

首先介绍了微半球谐振陀螺(μHRG)基于驻波进动效应进行角度或角速度检测的工作原理。依据谐振子制作工艺的区别,将微半球谐振陀螺分为微玻璃吹制型、牺牲层型、精加工型三种,并对上述三种类型微半球谐振陀螺的加工工艺方案及特点、谐振子尺寸、陀螺或谐振子性能参数的国内外研究成果进行了详细阐述。简要对比分析了三种类型微半球谐振陀螺的优缺点,如潜在精度、体积、成本、与IC可集成性、批量化前景等,指出了微半球谐振陀螺目前面临的主要工艺技术问题,并针对此从工艺方案设计、工艺参数优化等方面提出了一些可能的技术解决途径。

硅微机械二维加速度计的结构设计

提出了一种新型的双轴电容式微机械加速度计的结构形式。采用1个质量块敏感2个正交方向的加速度,设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦,且结构稳定性好。详细讨论了该加速度计的工作原理,并利用有限元软件对敏感结构进行了静态和模态分析,从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性。

微型半球陀螺平面电极装配方法设计

微型半球陀螺采用静电激励和电容检测技术实现陀螺的振型控制及信号读取,电容间隙的装配工艺是陀螺的关键工艺之一。该文对采用平面电极的微型半球陀螺装配工艺进行了探索,并根据谐振子的结构尺寸计算了装配误差的控制范围,设计了一种采用精密垫片实现微小间隙的装配方法,该方法通过垫片的厚度控制电容间隙。对采用此方法装配的陀螺电容间隙进行测量,并测试了封装后的陀螺性能,结果表明,电容间隙可控制在(12±3)μm。在力平衡模式下,陀螺样机的零偏稳定性达7.3(°)/h,量程为±300(°)/s,验证了装配方法的可行性。

半球谐振陀螺静电驱动建模与分析

该文构建了半球谐振陀螺(HRG)谐振子的静电驱动模型,对半球谐振子的1/2倍、1倍、2倍和更高阶频率电压信号的静电驱动力进行了理论推导分析。结果表明,该文得到的半球谐振子仅对其1/2倍、1倍及2倍谐振频率敏感,对其他频率信号不敏感。并推导出施加不同方式驱动电压信号力的大小,为半球谐振陀螺的驱动和闭环电路设计提供了依据。

基于分次吹制工艺的微半球陀螺制作

提出了一种微半球谐振子分次吹制工艺新方法,通过增加第二次旋转吹制的方式,以补偿第一次吹制过程中由于温度场不均匀性造成的谐振子对称度误差。设计了微半球陀螺整体工艺方案,并制作了硼硅酸玻璃材质的微半球谐振子及陀螺样品,测试结果表明,分次吹制后的谐振子频差由单次吹制的30~60 Hz降至10 Hz以内。经与力平衡控制电路联调,陀螺零偏不稳定性为8.2(°)/h。

用于MEMS微电容检测的全差分放大器

设计了一种用于MEMS电容传感器的低噪声低失调全差分运算放大器。微传感器传感电容一般很小,传感电容的变化更小。低噪声低失调放大器大大提高了整个传感器检测电路精度。该放大器采用连续时间共模反馈方法稳定共模输出、低阻结点斩波和动态匹配方法以期达到有稳定输出的低噪声低失调全差分放大器,给出基于HJTC 0.18μm CMOS 1P6M工艺的仿真结果,经过精心设计,各项指标达到或超过应用要求。

硅微机械二维倾角传感器结构设计

提出了一种结构简单,制造工艺容易实现的硅微机械二维倾角传感器结构设计,它由蝶形质量块和连接它们的四个成十字形的硅应变梁以及具有过载限位保护功能的硼硅玻璃衬底构成。传感器能同时检测出绕两轴的倾角变化。分析了硅应变梁的受力情况,得到了与倾角的解析关系,并用有限元方法验证了结果,理论灵敏度为0.75 mV/°。

MEMS技术检测爆炸物的原理与研究进展

本文对国内外采用MEMS技术检测爆炸物的方法进行了分类,主要将其分为测温法、位移法、压阻法、谐振法等,分别介绍了它们的检测原理,分析了在灵敏度、选择性、抗环境干扰能力、系统集成与小型化等方面它们各自的潜在优势以及不足之处。同时,对近十年来该研究领域的进展和现状作了简要回顾,这些研究目前基本上都还处于实验室阶段,在真正达到实用化前还需要解决选择性、稳定性、抗环境干扰等技术难题。

双向横向热执行器结构设计

在传统非对称冷热梁结构横向热执行器的基础上,提出了一种能实现双向横向运动的热执行器。采用对称结构设计,主要由折叠柔性梁、直柔性梁、宽梁和连接梁构成,通过选择加热臂,可以控制结构的偏转方向,实现双向推挽运动。在典型尺寸下,仿真结果显示,在20 mW驱动作用下,产生的末端位移9.55μm,驱动力9.4μN,其性能与单向横向执行器相当。同时还进行了结构优化分析。