MEMS阵列式推进器及其音频采集系统设计与实现

研制了一种基于微机电系统(MEMS)技术的微型阵列式推进器,并开发了记录其点火过程的音频采集系统。该推进器利用金属溅射、体硅干法刻蚀等工艺制作点火电阻和燃烧室,完成了点火电阻、引线以及焊盘的一体化加工,利用硅-玻璃阳极键合工艺完成燃烧室和点火电阻的封装,并采用硅微麦克风捕获点火过程产生的音频信息。结果表明:MEMS阵列式推进器尺寸为8.8 mm×8.8 mm,采用5 V低电压供电实现推进器点火,功率约为900 mW,由捕获的音频信息可知,点火过程大约持续了40μs。作为皮卫星的有效载荷,满足飞行任务需求。

基于MEMS阵列的虚拟陀螺的实现

MEMS陀螺随半导体技术的发展迅速兴起,但其普遍精度不高。为提高MEMS陀螺的精度,满足实际应用需求。利用4个陀螺组成阵列,标定并补偿了其对准误差和标度因数误差,并采用基于自回归模型的卡尔曼滤波融合算法进行数据融合,从而得到一个精度更高的虚拟陀螺。在静态实验中,陀螺的1σ标准差降低了4.36倍,零偏不稳定性降低了2.22倍;在动态摇摆实验中,其速率误差的1σ标准差降低了3.69倍。实验也表明,经过标定补偿陀螺阵列的输出数据更接近真实值。根据实验结果,可知对四陀螺阵列的标定补偿和数据融合的方法有效抑制了陀螺的噪声。

MEMS矢量水听器阵列信号处理研究

MEMS矢量水听器是一种新型的水声传感器,对这种传感器的原理进行了简要介绍。为了验证该MEMS矢量水听器阵列的目标估计性能,进行了矢量阵的深海实验研究,选取了MUSIC算法应用于该MEMS矢量阵。实验结果表明:在复杂海洋环境中,该MEMS矢量阵能够实现对目标的方位估计和水下运动目标的航迹跟踪,从而验证了该MEMS矢量水听器成阵的可行性,为工程化应用奠定了基础。

MEMS光开关阵列的设计与应用

针对如何缩短防空导弹系统反应时间的问题,设计了一种MEMS(micro electro mechanical system,微机电系统)光开关阵列,用于控制防空导弹系统各分系统模块之间的信号传输。该光开关阵列由8组双层静电梳齿结构的光开关组成,每组光开关均控制一个防空导弹系统子模块的通断。根据拉格朗日-麦克斯韦方程,建立系统的机电动力学模型,确定质量、弹性系数、电容、气膜阻尼等主要参数。仿真结果表明:MEMS光开关的响应时间为0.627ms,稳态位移为4.724μm,最大位移为6.801μm,将相同阶段的反应时间缩短为原先的1/4。由此可以得出结论:MEMS光开关阵列不仅缩短了防空导弹系统的反应时间,而且保证了系统的稳定性。

单片集成四元阵列式MEMS矢量水听器的研究

针对当前对MEMS矢量水听器高可靠性迫切要求,设计了2×2单片集成四元阵列式MEMS矢量水听器,以保证其中一个敏感微结构失效损坏或工作不正常时,水听器仍能正常工作。结合ANSYS软件对阵列敏感微结构进行了仿真分析;设计了该微结构的加工工艺流程;最后,对阵列式MEMS矢量水听器进行水声校准测试。测试结果表明:阵列式水听器可靠性明显提高,灵敏度达到-179 d B(0 d B=1V/μPa),具有良好的"8"字指向性。

基于FPGA的MEMS陀螺阵列信号采集系统

针对传统单片机控制器无法同时读取MEMS陀螺阵列的测量数据,难以满足实际工程应用的测量要求,为提高MEMS陀螺仪的工作性能,设计了一种基于FPGA的MEMS陀螺阵列信号采集系统。系统选取FPGA作为主控芯片,与外围器件ADXRS810陀螺仪搭建陀螺阵列信号采集平台。选用Verilog HDL作为输入语言来实现FPGA内部逻辑设计,通过SPI协议和状态机实现与陀螺阵列的数据通信,采用双口RAM模块给阵列陀螺分配不同的地址并通过RS232串口实现和上位机的通讯。通过搭建的软硬件实验系统测试,表明设计的系统具有实时性好、精度高、成本低的特点。

基于MEMS阵列三轴深部变形检测装置构建公路地质滑坡预警监测系统

为了满足社会经济发展的需要,很多地质滑坡高发区也铺设了公路或者铁路,在这些公路、铁路沿线发生的地质滑坡,造成巨大生态安全经济损失。因此,对地质滑坡进行监测、预测预报以及防治,刻不容缓。本系统以MEMS阵列三轴深部变形检测装置,利用物联网技术构建网络云端平台,建立全方位的立体监测网。

基于MEMS传感阵列的海底地形形变原位监测装置

为了满足南海天然气水合物资源试采环境评价的迫切需要,提出基于微机电系统(MEMS)传感阵列的海底地形形变监测技术及装置.开发基于MEMS传感阵列的多点同步采集系统,在实验室理想环境测试中,实现30 m×30 m区域的地形原位监测,地形形变监测分辨率优于5 cm且监测误差小于13 mm.构建三维海底地形变形矢量模型,利用MEMS传感器的扭转角和各节的长度确定传感阵列变形后的空间位置,采用细分算法拟合获得地形的表面形态.所提海底地形形变监测装置在水深为1203 m的天然气水合物试采区完成连续6个月的原位监测.海试结果表明,MEMS传感阵列观测到的地形最大沉降量为2 cm,最大抬升量为10 cm.

基于阵列MEMS磁传感器的测量与标定方法

针对MEMS磁传感器存在测量噪声大的问题,利用MEMS磁传感器体积小的特点,设计了阵列形式的MEMS磁传感器测量模块,减小了测量噪声对标定结果的影响。通过合理的硬件设计,实现同一时刻采集32个MEMS磁传感器信号。在硬件设计基础上,通过对阵列MEMS磁传感器建模与分析,设计了基于阵列MEMS磁传感器的标定方法。通过仿真及实物系统实验,验证了所提出方法的有效性。系统实验结果表明,采用阵列MEMS磁传感器标定结果的归一化模值标准差较单个磁传感器减小了70%。

基于MEMS麦克风阵列的定向拾音系统设计

设计了一种基于MEMS麦克风和FPGA、DSP的阵列定向拾音系统。麦克风为楼氏公司的型号为SPM0423HD4H-WB的MEMS麦克风。该麦克风内部集成Sigma-Delta ADC,使用方便,灵敏度高,抗干扰性强。FPGA内部可实现CIC滤波器对麦克风输出信号的降采样处理,并且拥有丰富的IO口资源,适用于对多元阵列进行数据采集。因此,系统的拾音部分设计了一个使用MEMS麦克风的6×6的36通道平面阵列。另外,系统采用TI公司的TMS320C6647高性能定点/浮点DSP作为数字信号处理的核心单元,使用DSP的EMIF接口对FPGA内部采集的数据进行处理,同时EDMA进行数据的传输控制。实验证明,该系统采集数据量大,工作稳定可靠,具有很高的传输速率,适用于多通道麦克风阵列的定向拾音,可为麦克风阵列的应用提供帮助。

用于MEMS陀螺阵列信号处理的OBE平滑算法（英文）

为提高MEMS陀螺的精度,提出了一种基于最优定界椭球(OBE)的平滑算法,并将其用于陀螺阵列信号的处理。首先,利用多个相同型号的MEMS陀螺构成阵列,测量同一角速率信号,并建立数据融合模型。对于融合问题而言,噪声统计特性的不确定会导致传统融合方法精度下降。为解决该问题,引入仅要求噪声未知但有界的集员估计理论,结合RTS平滑思想,提出一种新的平滑算法作为融合方法,它由前向滤波和反向平滑两个过程构成:前者采用集员估计理论中的OBE滤波估计角速率,后者则逆序执行OBE算法进一步提高估计精度。实验表明:该方法能够将陀螺的静态漂移由0.5130(°)/s降低到0.1368(°)/s;动态条件下,在有效跟踪载体角度变化的同时,将漂移由0.5343(°)/s降低到0.1704(°)/s,显著提高了陀螺的使用精度。

基于MEMS气体传感器阵列的集成式检测芯片研究

基于SMIC 180 nm工艺设计了一款集成式气体传感器阵列的检测芯片,为气味识别算法提供采样数据。该检测芯片具有分时复用的多通道电阻频率转换、上电自复位、片内时钟生成、数字控制以及I2C通信的功能。芯片面积为1.58×1.66 mm^(2),供电电压为3.3 V,信号的采样速率为20 ms/S。由不同气体传感器构成的传感器阵列在乙醇和丙酮气体环境中的测试结果表明,该芯片可以检测出传感器阵列在不同气体中的响应差异,并且结合卡尔曼滤波来处理采样的数据可以减小测量误差。

基于MEMS光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法

基于单片机控制的动态图像显示控制方法主要通过配置单片机参数实现对图像的显示控制,由于数据读写能力较弱,导致电压负荷较大。对此,提出基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法。将PC端输入的文字指令编码转换为光栅光调制器阵列的图像编码,采用异步读写的方式,对USB数据控制器的读写模式进行设计,构建出动态图像显示控制电路模块。在实验中,对提出的方法进行电压负荷的验证,经实验分析证明,利用提出的方法对动态图像进行显示控制,所需的工作电压和吸合电压值较低,对显示器的电压负荷较小。

基于支持度和自适应加权的MEMS陀螺信息融合算法

针对MEMS陀螺阵列进行信息融合可以大幅提高其测量精度和可靠性,而传统信息融合算法大部分依赖于观测信息的先验知识而受到应用上的限制。在不依赖于先验知识的基于支持度的融合算法的基础上,提出一种新的加权系数构造方法,利用自适应加权法的思想改变各个传感器观测值方差对权系数的影响程度,既保证了阵列输出结果的可靠性,又能使融合后得到目标参数的总方差最小;而且自适应加权算法中,对各个传感器方差的计算考虑到环境因素等带来的噪声,与各传感器方差的真实值更加接近。实验结果表明,本文提出的融合算法优于传统的平均值估计融合算法和支持度融合算法。

基于MEMS气味传感技术冰箱食材识别的遗传RBF神经网络算法研究

文章介绍一种应用于MEMS气味传感器阵列智能识别模式的RBF神经网络算法,为MEMS气味传感器应用于冰箱进行食材智能识别及新鲜度监测提供支持,为冰箱能实现食材的智能化管理提供可能。

传声器阵列声压级在线校准

在户外环境中对某一目标噪声源进行声压级测量时,单个传声器不能在多声源干扰情况下有效监测目标信号。为了有效抑制非目标信号的干扰,通常利用传声器阵列进行波束形成从而对目标信号进行增强。MEMS传声器阵列由于体积小、价格低等优点而得到广泛使用。然而MEMS器件的工艺误差和灵敏度退化问题会导致波束形成滤波器的性能下降,从而影响声压级的测量结果。为了解决这一问题,该文介绍了一种通过补偿参考传声器与传声器阵列之间的声压级偏差从而在线校准的方法。该方法利用到达时间差声源定位方法在时频点上对实时采集的信号进行有效挑选,并利用参考传声器的标准频响特性去修正阵列的声压级测量值。为了验证方法的可行性,该文通过实验比较了不同环境噪声干扰下的与无干扰条件下的声压级差的一致性,结果证明该校准方法具有较高的精确性和鲁棒性,并且可推广于任意一种阵型的传声器阵列噪声监测装置。

工艺误差对盘式耦合谐振滤波器的影响

MEMS谐振器采用阵列耦合设计可以降低运动电阻、提高功率处理能力等,但是阵列耦合谐振器的性能对于耦合梁结构特性非常敏感,据此分析工艺误差造成的耦合梁形状变化对圆盘阵列耦合谐振器滤波性能的影响。对耦合梁不同程度倾斜下的谐振滤波器结构和性能参数进行理论分析,并采用有限元仿真软件ANSYS进行模拟仿真。结果表明当耦合梁分别发生0.1°、0.2°、0.5°倾斜时,滤波器中心频率分别下偏10×10^(-6)、24×10-6、51×10-6。当倾斜角达到0.5°时,分数带宽偏差将达到5.6%。提出了一种半高耦合梁的圆盘阵列谐振滤波器,其滤波器性能稳定性要4×优于常规型圆盘耦合谐振滤波器。

集成悬臂梁／探针阵列在PMMA薄膜上微纳摩擦的尺寸和温度效应

在微纳米尺度下,摩擦行为受到针尖尺寸和温度两个重要参数的影响。本研究利用基于Si的微加工制造技术制作了三种不同尺寸并且具有加热功能的悬臂梁探针阵列,用来研究在聚合物PMMA薄膜上摩擦的针尖尺寸效应和温度效应。在PMMA薄膜中存在着两种显著的结构转变过程,包括玻璃态转变(α)和结构驰豫过程(β),这两个过程一直是目前人们广泛研究的热点。本次实验中通过加热针尖从摩擦的变化中检测到PMMA薄膜中的玻璃转变过程和结构驰豫过程,实验结果清楚表明了微纳摩擦中针尖的尺寸和温度的效应。