基于单质量块微纳光栅泰伯效应的双轴MOEMS加速度计

对一种基于单质量块微纳光栅泰伯效应双轴微光机电系统(MOEMS)加速度计进行了设计、加工与测试。利用有限元分析和时域有限差分法分别对双轴加速度计的敏感结构和光栅参数进行仿真优化。在保证加速度计高集成度的同时,为了实现双轴加速度的高精度测量,采用不同周期的两组光栅进行双轴加速度检测,通过磁控溅射工艺将两组光栅结构沉积在质量块的不同区域,最终通过阳极键合方式实现该双轴MOEMS加速度计的制备。实验结果表明,光栅泰伯效应双轴MOEMS加速度计x轴与y轴的灵敏度分别为3.36和3.54 V/g,零偏稳定性分别为25.53和20.91μg@1 s。该研究为实现高精度多轴加速度计提供了一种新的方法。

微纳光栅MOEMS加速度计优化设计与测试

提出了一种基于微纳光栅泰伯效应的微光机电系统(MOEMS)加速度计,通过Comsol软件对加速度计结构和光栅结构参数进行优化,使其在20g量程范围内获得较大的结构灵敏度和衍射效应灵敏度,同时通过仿真分析了该结构的交叉轴串扰情况。由于受外界温度起伏影响,双层光栅结构间距受热膨胀系数的影响产生相对位移。为了减小由于温度起伏对光栅加速度计零偏的影响,采用温度闭环反馈控制技术将加速度计温度变化控制在±10 mK范围内。经实验测试,加速度计零偏稳定性达3.7μg,相较于无温控情况提升了近7倍。最终实现光栅MOEMS加速度计的灵敏度达5.23 V/g,线性相关系数为99.9%,分辨率达286.8μg。

引信微光机电系统安全系统研究现状与发展趋势

随着引信微小型化和智能化不断发展,电磁兼容性要求不断提升,对其安全系统提出了更高的要求。基于微光机电系统(MOEMS)技术的器件具有体积小、重量轻、能耗低、集成度高和可批量生产等特点,在引信安全系统中有较好的应用前景。对引信MOEMS安全系统的国内外研究现状开展分析,介绍了引信MOEMS安全系统的基本原理,分析了MOEMS安全系统驱动方式、加工与封装工艺、激光起爆技术与安全系统性能测试方法的现状与发展规律,归纳了当前引信MOEMS安全系统研制过程中亟待解决的问题,为推动MOEMS安全系统在火炮引信中的应用提供重要的借鉴。

长波红外差分干涉仪光栅低温安装结构设计与优化

长波红外差分干涉仪在低温工况下会因光学元件受到非均匀应力作用产生干涉条纹的畸变,从而降低干涉仪系统性能。本文为解决低温工况干涉条纹弯曲畸变问题,基于长波红外差分干涉仪光机系统进行了干涉条纹畸变影响因素分析,结合光-机-热耦合分析方法,对干涉仪系统低温工作状态进行仿真。随后设计了针对影响条纹畸变的关键元件——光栅元件的低温微应力动态稳定支撑安装结构,结构优化后的光栅表面面形均方根(Root Mean Square,RMS)值为3.89×10^(-2) nm,面形峰谷值(Peak to Valley,PV)值为2.21×10^(-1) nm,分别较优化前初始系统的分析结果减小了5个数量级,系统仿真干涉条纹畸变小于1个探测器像元。全系统低温验证试验表明,优化结构可有效抑制干涉条纹畸变,畸变量小于2个探测器像元,试验与仿真计算结果一致性较好,验证了优化分析方法的有效性。该优化方案对提升反射式光学系统结构低温稳定性,提高系统工作能力有较大意义和价值。

光栅MOEMS加速度计温度特性

由于硅微机械加速度计受温度影响,导致硅弹性模量和热膨胀系数发生变化,造成微光机电系统(MOEMS)加速度计标度因数漂移、测量稳定性下降等问题。首先,采用COMSOL软件对光栅MOEMS加速度计微机械结构部分进行了温度特性仿真,分析了硅弹性模量温度系数和热膨胀系数对光栅MOEMS加速度计微机械结构标度因数和零位的影响。其次,设计了温控精度达0.1℃的温度控制系统,并利用该系统对加速度计进行温度控制。最后,对光栅泰伯效应MOEMS加速度计温度特性展开测试,结果表明,加速度计的标度因数随温度升高而增大,零偏稳定性随温度的升高而降低,加速度计标度因数温度系数为0.30 V·g^(-1)·℃^(-1),零偏稳定性温度系数为-7.78μg/℃,其变化趋势与仿真结果一致。这为实现全温范围下高精度MOEMS加速度计奠定了基础。

高灵敏硅凹槽膜片型光纤F-P局部放电超声传感器

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44μm,厚度为2.09μm,F-P腔长为163.600μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。

航天光学相机微振动的光机集成分析现状与展望

随着我国航天事业的持续发展和不断进步,航天光学相机正在朝着大口径、大视场、高分辨、轻量化的趋势发展,这对相机的设计分析提出了更高的要求。光学系统焦距与光学口径不断增加,光机系统刚度受质量限制提升空间有限,其对星上活动部件在轨正常工作所引起的微振动也越来越敏感。航天光学相机的微振动对其在轨成像质量会造成影响。因此,近年来卫星微振动及其控制问题越来越受到关注。通过对国内外航天光学相机的光机集成分析方法的论述与分析,探讨了目前光机集成分析的关键技术与发展方向。针对目前国内光机集成分析其存在的局限,提出了建立微振动传递全链路数学模型进而构建航天光学相机微振动像质退化机理的设想。

芯片相干布居囚禁原子钟

对基于相干布居囚禁(CPT)态原子的芯片级原子钟技术进行了综述,包括CPT原子钟的基本原理、Ramsey-CPT原子钟技术、CPT原子钟的微小型化方案、CPT芯片原子钟的发展等,对其中的关键技术:激光频率调制、Ramsey技术、左右旋圆偏振光泵浦(push-pull)、激光和微波稳频以及微光机电加工系统(MOEMS)等技术进行分析讨论,最终总结出CPT原子钟向着低功耗、芯片化和时钟精度高的方向发展。

MOEMS陀螺的谐振腔设计

微光机电(MOEMS)陀螺代表着微型光学陀螺的重要发展方向,而MOEMS谐振腔的设计是谐振式MOEMS陀螺的核心技术.提出了一种新颖的基于微纳米加工技术的MOEMS空间谐振腔结构,介绍了其工作原理和系统构成.建立了谐振腔的数学模型,并利用MATLAB软件对其重要参数进行了仿真计算及分析.为提高谐振腔清晰度及系统测量精度,优化了谐振腔输入输出镜的技术指标,并在此基础上完成了谐振腔的微加工工艺设计.结果表明:所设计的谐振腔清晰度可以达到346,陀螺极限灵敏度为0.25(°)/h,同时可以有效克服克尔效应、背向散射、偏振等光路噪声的影响.

微型MOEMS阿达玛变换近红外光谱仪

提出一种运用微光机电系统（micro-opto-electro-mechanical systems,MOEMS）闪耀光栅,动态产生阿达玛变换模版的微型近红外光谱仪。它具有体积小、价格低、扫描速度快等突出优点。分析了这种新型近红外光谱仪的结构和工作原理,通过对MOEMS闪耀光栅编程,动态生成了63阶阿达玛模版。实验得到的光谱波形与岛津光谱仪测量结果吻合。检测波长范围为900-1 500 nm,分辨率为19 nm,单次扫描时间2.4s,信噪比为44.67∶1,光路尺寸为70 mm×130 mm,总体重量〈1 kg,符合实时、便携的要求。

混合集成微型光纤光谱仪的实验测定

文中简述了所研制微型光谱仪的基本原理和基本结构,并对该微型光谱仪进行了实验测试和标定。在实验中采用汞灯作为测试所用的光源,分别使用不同芯径和数值孔径的光纤作为光输入元件,实验结果表明该光谱仪具有很好的线性度,在采用50μm的多模光纤时,光谱分辨率可达13.8nm,在采用9μm的单模光纤时分辨率可以达到5.5nm。

微型光电机械系统技术在光通信中的应用及展望

通信是微型光电机械系统技术的一个非常重要的应用领域。本文从光交换技术、光连接技术、光开关、光调制器、滤波器、微光学组装技术、微型激光器等多个方面介绍了微型光电机械系统技术在光通信中的应用情况，并对微光机电系统技术的发展作了展望。

基于MEMS的数字式太阳敏感器光学系统设计

为数字式太阳敏感器设计了一种光学系统。从标量的菲涅尔-基尔霍夫衍射理论出发,建立了圆孔结构数字式太阳敏感器的光学系统成像模型,在计算机上实现光学系统的数值仿真,并根据数值仿真的结果进行了光学系统参数的设计。该光学系统参数为:距离4 mm,圆孔半径50μm,孔间距700μm。针对所设计的光学系统,利用太阳模拟器完成了地面实验。实验结果表明,光学系统设计合理,能满足微小卫星对敏感器小型化、高精度的要求。

微光学机电系统的发展和应用

论述了微光学机电系统（ＭＯＥＭＳ）的研究状况和已研制的系统的结构工艺与工作原理，对其发展和应用前景进行讨论。

新型MEMS摆动式微电磁驱动器研制

设计开发了一种新型MEMS摆动式微电磁驱动器,介绍了新型微驱动器的设计、制造工艺和性能。新型微驱动器采用多线圈多磁极结构,具有较大的驱动力矩,并且位置重复精度较高。用非硅的微细加工工艺制造了微驱动器的定子线圈,微摆盘的充磁采用了自制的磁极写入装置。这种微驱动器具有良好的实用性,目前已成功应用于光纤通讯开关中。

微型光纤磁传感器的设计与制作

提出了一种基于微机电系统(MEMS)扭镜结构的光纤磁场传感器,并利用对角度变化非常敏感的双光纤准直器对扭镜的扭转角度进行了检测。该MEMS光纤磁传感器由MEMS扭镜结构、磁性敏感薄膜和双光纤准直器组成。文中分析了器件的磁敏感原理和光纤检测原理,介绍了器件综合设计方法,并给出了器件的结构参数。利用MEMS加工技术成功制作出了MEMS光纤磁传感器样品,最终得到的磁传感器的尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。对磁传感器进行了实验测试,得到的输出实验值与理论值吻合。测试结果表明,该磁传感器的光纤检测灵敏度可达到0.65 dB/mT,最小可分辨磁场可达167 nT。将MEMS敏感结构与光纤检测相结合,该传感器兼备了两者的优点,结构紧凑、制作工艺简单、工作时无需电流激励。

高精度硅微简谐振子的设计与制作工艺

介绍了MOEMS加速度地震检波器中敏感元件——简谐振子的工作和设计原理,并详细讨论了影响简谐振子腐蚀质量的因素.在实验中采用硅各向异性腐蚀法,制作出了高精度的硅微简谐振子.改进浓度配比的腐蚀液,在80℃时,腐蚀速率控制在(0.53±0.2)μm.测试结果表明:SiO2控制精度达到0.1μm,可应用于光电集成加速度地震检波器的集成光学器件中.

基于机器微视觉的微结构平面运动测试技术

为了对MEMS的微结构平面运动特性参数进行提取和分析,基于机器微视觉构建MEMS动态测试系统,提出模糊图像合成技术.在连续光照明下获取微结构运动图像,利用光学检测方法增强模糊特征带,引入亚像素定位技术提取特征结构边缘,最终获得微结构的平面运动特性参数.实验结果表明,该系统测量误差小于100nm,具有较好的测量重复性精度.与现有系统相比,该系统测量原理简单,实现方便,且能满足微结构的测试需求.

基于Fabry-Perot干涉仪的闭环微光机电加速度计

设计了一种闭环反馈差动式双FP腔的微光机电(MOEMS)加速度计,介绍了其工作原理及系统构成.利用惯性敏感单元将对载体加速度的测量转变为对载体位移的测量,利用光纤自聚焦透镜的端面与质量块组成的FP腔测量载体位移.为了提高系统的测量灵敏度和抑制温度等环境因素的影响,设计了一种差动式双FP腔测量机构.为提高微加速度计的输出线性度和动态测量范围,提出了采用静电力平衡技术构成闭环加速度计.建立了其数学模型,对所设计的加速度计重要参数指标———灵敏度、敏感头受载、固有频率等一一进行了详细计算和分析.在此基础上完成了设计背景要求下加速度计参数的优化设计,结果表明:该系统精度可以达到5×10-6g以上.

微机电系统光学组件的系统级建模

为提高微机电系统(MEMS)中光学系统整体仿真的准确性和效率,解决光学组件系统级建模存在的问题,提出了一种光学组件系统级建模方法,该方法可同时支持与MEMS系统级机械组件和电路组件共同仿真。首先,介绍了多端口组件网络方法、高斯光束特点和空间坐标系变换理论。接着,以微平面镜为例,介绍了光学组件系统级建模方法的流程。最后,采用Verilog-A硬件描述语言建立了包含多个典型光学组件的系统级光学库。使用该库的光学组件在MEMS集成设计工具MEMS Garden中搭建微扫描系统进行了仿真与测试。与商业软件CoventorWare的分析结果相比,提出的建模方法解决了扫描盲区问题,且非差分电压分析的误差小于3%。结果显示,本文提出的建模方法精确有效,对MEMS的系统级设计有参考价值。