高端光学元件超精密加工技术与装备发展研究

高端光学元件是决定高端装备性能水平的核心零件,研究高端光学元件超精密加工技术与装备发展,对于实施制造强国战略、满足高端装备产业需求具有积极意义。本文剖析了光学元件超精密加工方法与装备、高性能基础部件、超精密光学加工中的测量方法与装备等的发展情况,凝练了精度与尺寸极端化、形状与性能一体化、加工工艺复合化、加工与检测一体化、装备与工艺智能化等发展趋势。通过广泛的行业调研和研讨,从需求、目标、产品、关键技术、应用示范、支撑保障等方面着手,形成了面向2035年我国高端光学元件超精密制造技术路线图。针对性提出了优化创新体系设置、组织优势资源成立技术联盟,加大资源保障力度、布局基础研究和技术攻关计划,加强人才培育、构建梯队并扩大队伍规模,筑牢产业发展基础、培育龙头企业和专精特新“小巨人”企业等发展建议,以期促进高端光学元件加工产业提升与高质量发展。

圆环孔阵列超材料对热释电太赫兹探测器性能影响关系研究

本文提出了新的基于圆环孔阵列超材料的钽酸锂热释电太赫兹探测器,以提高0.1—1 THz频段太赫兹波探测性能.仿真分析了内外径、周期、厚度等特征参数对圆环孔阵列超材料太赫兹波透射带宽及透射率的定量影响关系,阐明了圆环孔阵列超材料与热释电探测器的不同结合方式对探测器的带宽及噪声等效功率的作用机理;制备了两种圆环孔阵列超材料钽酸锂热释电太赫兹探测器;测试了圆环孔阵列超材料的透射特性和两类热释电探测器的噪声等效功率.结果表明,所制备的圆环孔阵列超材料在0.25—0.65 THz频段透射率大于40%,实现了带通滤波.当圆孔阵列超材料与热释电探测器保持足够间距时,在0.315 THz点频其噪声等效功率为11.29μW/Hz0.5,是带通波段外0.1 THz噪声等效功率的6.3%,实现了带通探测;当圆环孔阵列超材料与热释电探测器贴合时,在0.315 THz点频其噪声等效功率为4.64μW/Hz0.5,是无圆环孔阵列超材料探测器噪声等效功率的29.4%,实现了窄带探测.上述结论可用于生物成像、大分子探测等领域中特定太赫兹波段的带通与窄带探测.

Cu/Ti纳米薄膜表面形貌的分形表征研究

采用磁控溅射法制备了不同组分和厚度的Cu/Ti薄膜,采用原子力显微镜(AFM)测量了其表面形貌,利用功率谱法对AFM高度图像进行了分形表征。结果表明:Cu/Ti薄膜表面形貌具有多尺度行为,表面演化在全域和局域呈现出不同的标度行为;AFM图像功率谱的高频段直接体现了薄膜表面的细节信息,而低频段体现了薄膜表面背景区域的复杂程度;低频分形维数与粗糙度之间有着必然的联系,能够反应粗糙值Ra的变化趋势。

基于探针形式的三维硅微力传感器

为满足三维微力测量的需求,以MEMS体硅压阻工艺技术为基础,研制了一种基于微探针形式,具有μN级三维微力测量和传感能力的半导体压阻式三维微力硅微集成传感器。传感器采用相互迟滞的4个单端固支硅悬臂梁,支撑中间的与微力学探针结合在一起的质量悬块的结构形式,在4mm×4mm的硅基半导体芯片上用MEMS体硅工艺集成而成。通过ANSYS数值仿真的方法分析了三维硅微力传感器结构的应力特点,解决了三维微力之间的相互干扰问题,并对传感器性能进行了测试。结果表明,其X、Z方向的线性灵敏度分别为0.1682、0.0106mV/μN,最大非线性度分别为0.19%FS和1.1%FS。该传感器具有高灵敏度、高可靠性、小体积、低成本等特点。

采用HRTEM对石墨烯材料单层厚度测量的研究

将石墨烯材料薄膜制成可以通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察的横截面样,在室温20℃,变换放大倍数,通过HRTEM自带的测量软件得到的单次测量值为0.411mm,同时可以看到石墨烯材料形貌较清晰,其剖面结构并不是理想的笔直直线。通过局部剪切图和增大间隙图,提取石墨烯材料单层的边缘数据。通过直方图法获得其单层厚度的测量值,厚度均值为0.390 nm,厚度重复性测量不确定度为0.042 nm。在置信水平为95%的条件下,计算得到石墨烯材料的单层厚度为(0.390±0.086)nm。相对石墨烯厚度的公称值,石墨烯材料的单层厚度偏大,分析认为石墨烯材料层与层之间紧密连接度不够,造成单层厚度与石墨烯厚度存在差异。

微小空间点火装置的设计(英文)

针对微内燃机燃烧室的尺寸特征和点火形式,对微小空间点火实验装置进行了研究,设计并制作了微小空间内的放电点火装置.设计的硅微燃烧室的尺寸为1 mm×1 mm×1 mm、3 mm×3 mm×1 mm和9 mm×9 mm×1 mm;点火电极位于燃烧室腔体中央,电极间隙在10～100μm;电极材料为金.本文为微小空间放电点火特性实验研究提供了一种通用装置,也为以微型内燃机为代表的便携式微型高能电源组的微型化和实用化提供了技术支持.

MEMS三维微力探针传感器设计及性能测试

设计了一种基于压阻效应的微机电系统(MEMS)三维微力探针传感器并对其进行了性能测试.传感器传感单元采用四梁支撑结构,接触探针采用台阶式石英光纤,使传感器的抗干扰能力和灵敏度得到了显著的提高.设计了传感器的过载保护单元,传感器整体尺寸为4 mm×4 mm×16 mm.利用三维超精密定位平台与分析天平搭建传感器测试平台,对三维微力传感器进行性能测试.测试结果表明,该传感器灵敏度优于0.010 6 mV/μN,分辨率优于3μN,非线性误差优于传感器满量程的0.94%.因此,该传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强、线性好、分辨率高的特点,在微力测试领域拥有广阔的应用前景.

三维微力探针传感器技术研究

结合光纤探针与四悬臂梁支撑结构的特点,研制了一种基于微探针形式,具有μN级三维微力测量和传感能力的压阻式三维微力探针传感器。通过ANSYS数值仿真的方法研究了传感器结构之间的应力特点。并且通过实验验证了所研制的传感器的综合精度可达到0.2%FS,干扰误差≤0.3%FS.

CAD技术在现代设计中的应用

CAD技术是现代设计的重要方法之一，让机械设计的水平有了全新的提高，为机械设计的工作提供了强有力的支持。文章简述了现代设计的定义和特点，介绍了CAD技术及其在机械设计中的优点，并结合课题实际，介绍了CAD技术在机床设计中的应用。

基于多节点阵列结构的高精度薄膜温度传感器研究

针对液压系统中的智能感知需求,提出一种新型微机电系统(Micro-electro-mechanical system,MEMS)薄膜温度传感器,其具有微小体积的同时兼具较高的测温精度,可实现液压元件及系统中油液温度信号的精确感知。开发出基于高分子聚合物-金属-陶瓷材料的新型测温材料体系;提出一种多节点的三维阵列式电极结构。针对三维立体曲面高分子聚合物基底上的热电薄膜沉积难题,基于MEMS磁控溅射技术,实现曲面基底上薄膜的图形化转移。测试结果表明,所制备的多节点型薄膜温度传感器在-60~200℃量程内的灵敏度系数可达42μV/℃,从-60~100℃的静态测试中,温度时间漂移率为0.012℃/min,重复性误差为0.32%,最大迟滞为1.3%,满量程误差小于0.5%FS。同时采用脉冲激光法测得传感器的动态响应时间优于0.24 ms。在综合性能测试中,传感器在高速热气流冲击下仍有较高的温度分辨率,同时在不同工质中均可长时间正常工作24 h以上,可满足实际液压系统中长时间保持密封性与稳定性的测温需求。

硅微谐振压力传感器自动增益控制与相位补偿研究

硅微谐振压力传感器检测信号的幅值稳定性与频率跟踪性对其性能至关重要,但目前幅值控制与频率跟踪方法的非线性特征会造成谐振器振动频率的非线性变化,限制了传感器综合精度的进一步提升。为降低谐振器振动频率非线性变化的影响,基于自动增益控制(Automatic gain control,AGC)的线性化分析理论,建立高Q值硅微谐振压力传感器自动增益控制和相位补偿模型,分析AGC幅值控制和频率跟踪线性化的控制特性,以及相位补偿对闭环控制性能的影响。基于自动增益控制(AGC)的自激驱动被证实可使谐振器稳定工作于谐振频率,且保持幅值稳定,通过Simulink/PSpice建模仿真,验证非线性系统线性化分析的准确性。同时基于自动增益控制与相位补偿模型设计与制作的硅谐振压力传感器控制电路,经测试可使整表频率稳定性优于±0.05 Hz@采样周期5 ms,综合精度优于±0.02%FS,实现自动增益控制在谐振压力传感器的工程化应用,解决了谐振器频率跟踪非线性引起的传感器性能下降问题,可广泛应用于高Q值谐振器闭环控制。

用于航空发动机的光纤F-P温度传感器及其信号解调系统研究

光纤F-P温度传感器具有结构稳定、精度高、体积小、抗电磁干扰、质量轻和成本低等优点,在航空发动机高温测量领域具有重要的潜在应用。针对航空发动机的高温工况,利用多光束干涉原理设计了光纤F-P传感器,并通过端面检测、显微测量等手段完成了光纤F-P温度传感器的制备。针对传统光谱仪解调系统昂贵,解调速度慢的不足,以F-P滤波器和DSP为核心设计了传感器的信号解调系统,克服了传统光谱仪解调的局限性;进行了解调系统的硬件设计,完成了光电转换放大电路的原理设计、仿真分析和电路制作,实现了解调系统的初步搭建。在高控温精度的高温炉中采用标准热电偶对制备完成的传感器进行标定,结果表明:在30~1 000℃温度范围内,传感器的温度响应灵敏度为0.012 nm/℃,线性度为0.996。

基于原子层沉积的Al_2O_3薄膜微观形貌研究

研究利用原子层沉积获得的小于10 nm Al_2O_3薄膜表面形貌特点。采用该技术获得4和8 nm的Al_2O_3薄膜,利用原子力扫描电镜(AFM)和扫描电镜(SEM)对薄膜表面形貌进行测量,通过最小二乘法和多重分形研究薄膜表面形貌,分析得出利用原子层沉积技术加工超薄Al_2O_3薄膜,其形貌与成膜原理有关,与厚度无关。

“互联网+”时代下的传感测试技术发展

近年来,我国在互联网技术、产业、应用以及跨界融合等方面取得了积极进展,已具备加快推进“互联网＋”发展的坚实基础。为加快推动互联网与计量领域深度融合和创新发展，积极探索计量与“互联网＋”深度融合的有效方式和手段,充分发挥“互联网＋”计量对提升系统整体能力、促进产业发展水平。

基于微机械电子技术的黏度测量传感器

黏度作为流体特性的基本问题,在生物化工等诸多工程中是控制生产流程、保证安全生产、进行医学诊断及科学研究的基础性热物数据,为满足各个领域高精度与高效快捷的黏度测量需求,近年来黏度测量手段已不局限于如毛细血管法、旋转法等传统意义的宏观测量方法,基于微纳米尺度的黏度测量技术已展现出其突出的发展与应用前景。微机械电子系统(Microelectromechanical systems,MEMS)技术的蓬勃发展促使黏度测量集成化、智能化与实时性,多样化黏度测量方法不断涌现,其中谐振式黏度测量受到颇为广泛而深入的关注,并显示了瞩目的检测性能。首先回顾传统的黏度测量方法,然后再介绍了基于微机械电子技术的谐振式黏度测量方法,并分别总结了各自的特点。最后,对MEMS谐振式黏度测量方法的发展趋势进行了展望。