新时代应用型本科院校“测试与传感技术”课程教学与改进策略

传感技术的发展和应用对自动化控制技术、国民经济的进步以及综合国力的提高具有巨大的促进作用。“测试与传感技术”课程的开设可有效拓展本科生的视野和科研思路,有利于本科生竞赛能力和创新能力的提升。本文根据已有教学经验,针对目前应用型本科院校“测试与传感技术”课程教学中存在的问题,从理论教学、课程思政教学、实践教学方面对该课程进行教学改革方面的初步探索,以期提高该课程教学质量和教学效果。

浅谈“测试与传感技术”的教学创新——以信号的频域分析为例

针对机械电子工程专业“测试与传感技术”课程信号频域分析的内容概念抽象、对于学生来说晦涩难懂、对应课程目标达成度不理想的教学现状,课程组采用了重构教学内容、创新教学手段、增加随堂测试和课程思政融入等一系列创新方法,帮助学生理解课程内容、加强学生理论基础,提升学生工程应用能力,提高课程目标达成度。

MEMS中基底和薄膜的CMP制造技术

化学机械抛光(Chemical&Mechanical Polishing,CMP)工艺已运用于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)中,并逐渐成为研制高品质微纳器件不可或缺的一道关键技术。区域压力调整、抛光终点检测等技术已经引入到CMP工艺,确保片内不均匀性(Within-wafer Nonuniformity,WIWNU)小于5%,同时有效减小"蝶形"和"腐蚀"等抛光缺陷。CMP在MEMS领域中的运用工艺过程更为复杂,抛光对象更为多元,表面质量要求更高。结合硅、介质层、石英、锗、铂和聚合物等自行开发的CMP工艺以及抛光后清洗处理,详细讨论和阐述CMP工艺如何运用于MEMS领域。实验结果表明,采用CMP工艺,结合抛光液改进和兆声清洗,不仅可以实现薄膜的全局平坦化,而且可以获得高品质的超薄基底、无损的硬质应变薄膜和用于低温直接键合的表面粗糙度小于0.5nm键合表面。CMP技术是研制高品质的可应用于MEMS器件的基底和薄膜的有效手段。

差压式MEMS电容薄膜真空规的设计与测试

提出了一种基于MEMS技术的差压式电容薄膜真空规设计方案。通过有限元分析软件建立了仿真模型,对感压薄膜尺寸和电极间距离进行了优化。根据优化结果,完成了真空规的研制和性能测试。测试结果表明,测量范围下限5 Pa,上限1000 Pa,灵敏度优于10 fF/Pa,测试曲线可以实现分段线性。

惯性闭锁开关的结构设计与分析

针对引信用电源系统开关的使用要求,设计一种可实现闭锁功能的微机械惯性接电开关,该接电开关能够保证在满足预设的条件时迅速闭合、闭合时间短、闭合过程稳定且能实现自锁,确保电源接通之后在复杂的弹道环境中,能够始终处于被接通状态,为引信电源系统提供技术支持。在正常发射加速度475~1 500 gn作用下,开关可实现稳定闭锁;在勤务处理中意外跌落加速度作用下,开关保持断开状态,并可以恢复至初始位置。在多物理场耦合下对开关进行响应分析,得出开关的加速度值与闭合时间基本呈线性分布,证明开关在达到预设的条件时迅速闭合,闭合过程稳定且能实现自锁。

MEMS阈值可调开关的仿真与实验分析

微系统(MEMS)阈值可调开关是一种适用于弹药类型的通用碰炸开关,靠捕捉碰撞目标时的前冲惯性力而闭合。此开关除了受惯性力和静电力之外,还受到可动电极和驱动电极之间由于空气阻力而产生很大的阻尼力的影响。利用Coventor wave软件中的Saber系统仿真法,对设计的开关结构进行瞬态特性分析,仿真结果表明:开关在不同加速度信号下,阈值加速度与电压基本上呈反比关系,且随着阈值加速度的增大,电压减小。对加工的开关样件进行实验检测,实验结果表明开关可以实现阈值可调。

RF MEMS并联开关的结构设计及分析

针对传统的RF MEMS开关的开关速度慢、寿命短、功率处理能力低等缺点,设计了一种新的RF MEMS并联开关结构。这种结构不仅能提高开关速度和开关寿命,还能防止粘附和介质击穿问题。首先介绍了RF MEMS并联开关的结构设计,以及如何根据需要确定合理的尺寸;然后利用Coventor Ware软件对开关进行了静态特性分析和动态特性分析,重点分析了开关的吸合电压;最后利用Saber系统仿真法分析了改变开关的不同结构尺寸对吸合电压的影响。

引信MEMS后坐机构的设计与实验

通过受力分析并根据动能定理建立了影响后坐机构加速度as的关系式和动力学方程,得到弹性系数K、两侧齿之间竖直方向的间隙d、齿的斜边长a、齿底长c和齿数n的大小决定着as大小的结论。通过ADAMS软件仿真分析,得到运动方程和设计的合理性,并得到K、d、a、c、n与as的关系。仿真结果表明,在同等条件下,严格控制齿底长c的加工误差、减小错位间隙d、增大线宽b均能提高as。同时考虑增大齿数n来提高as。对采用LIGA工艺加工出的后坐机构进行模拟实验,验证了仿真分析的合理性和加工误差的影响,同时验证了设计和运动方程的合理性。

基于Au-Si共晶键合的高灵敏MEMS电容薄膜真空规设计

为了解决真空腔电极引线导致的真空漏气,进一步拓展真空规的测量下限,提出了一种基于Au-Si共晶键合的绝压式MEMS电容薄膜真空规设计方案。阐述了该新型MEMS电容薄膜真空规的制作工艺流程、用浓硼掺杂法制备感压薄膜技术,采用阳极键合协同Au-Si共晶键合技术实现真空腔的密封。通过理论计算和构建有限元模型,针对不同宽厚比,对感压薄膜的整体尺寸进行了优化。在最优尺寸参数下,相比于固定电极在测量腔的结构,新型MEMS电容薄膜真空规的灵敏度提高了9.5倍,高达38 fF/Pa。真空规测量范围在1~1000 Pa之内。

基于MBD的全三维快速建模技术

MBD技术是数字化设计与制造领域的新方向。本文提出一种基于MBD的飞机典型零件快速建模技术,介绍了基于模型定义的技术内涵及其所包含的几何信息和非几何信息的内容及其信息的规范表达,在此基础上提出在CAA对CATIA进行二次开发的平台上采用参数化建模的方法可快速建立规范的MBD模型。最后通过某飞机机加件的MBD模型实例阐述了模型建立的流程。

新型MEMS电容薄膜真空计设计与仿真数据分析

为解决MEMS电容薄膜真空计的小量程与高灵敏度相矛盾的问题,基于MEMS技术,设计了一种新型结构的薄膜真空计,能够感应到微小的压强变化,实现0.001~1 Pa范围的真空度测量。在一定范围的真空度都具有测量的可行性,基于MEMS技术的电容薄膜真空计而言,新型薄膜真空计才能够体现出线性度强、变化率大的优势。文中主要针对薄膜真空计不同参数进行了讨论,通过有限元仿真分析,模拟出在压力作用下的变化趋势,并对器件的尺寸和参数进行了优化设计,实验验证了设计的薄膜真空计在0.001~1 Pa范围内有良好的测量效果。

工程教育认证背景下“测试与传感技术”教学改革

【目的】提高学生的工程实践能力,为社会培养新时代优秀工程师。【方法】开展基于工程教育认证理念的“测试与传感技术”课程改革:首先,依据该课程所支撑的毕业要求观测点,制定4个课程目标,并在每一章节的教学内容中设计课程思政融入内容;其次,针对不同的教学内容,分别采用课堂讲授、项目教学、现场答辩等多种教学方法进行教学;最后,采用过程考核、项目考核、实验考核和期末考试的方式对学生进行考核,并进行课程目标达成情况评价与分析。【结果】课程目标2、3、4达成度均有所提升,课程目标1达成度略有降低,其主要原因是个别学生的期末考试成绩较差,导致整体达成度有所降低。【结论】通过新一轮的教学改革与实践,取得了显著的教学成效。在下一轮教学中,应特别关注个别学生的学习进展,使学生整体在期末考试成绩上有所提升,从而提高教学效果。