Free Vibration of Geometrically Nonlinear Functionally Graded Micro-switches under Electrostatic Force and Temperature Change

The free vibration characteristics of functionally graded micro-switches under combined electrostatic, axial residual stress and temperature change is investigated, with an emphasis on the effect of geometric nonlinear deformation due to mid-plane stretching, the influence of volume fraction profile parameter and temperature change. The micro-switch considered in this study is made of either homogeneous material or non-homogeneous functionally graded material with two material phases. Taking the temperature-dependency of the effective material properties into consideration, the Voigt model is used to simulate the material properties of the FGMs （functionally graded materials）. The principle of virtual work is used to derive the nonlinear governing differential equation. The eigenvalue problem which describes free vibration of the micro-beam at its statically deflected state is then solved using DQM （differential quadrature method）. The natural frequencies of clamped-clamped micro-switches are obtained. The solutions are validated through direct comparisons with experimental results reported in previous studies. A parametric study is conducted to show the effects of geometric nonlinearity, material composition, temperature change and geometrical parameters for the natural frequencies.

低g值MEMS惯性开关研究进展

微机电系统(MEMS)惯性开关是集传感与执行为一体的无源电子器件,具有体积小、重量轻、易集成、加工一致性好、免装配等优势,在汽车工业、航空航天、武器装备等领域具有广阔的应用前景。低g值MEMS惯性开关的应用场景主要为飞行器加/减速过程特定功能的触发,在设计时应保证弹簧刚度低,质量块体积大,在结构设计与加工工艺中存在一定难度。本文介绍了低g值MEMS惯性开关的基本物理模型和工作原理,对国内外研究现状进行了阐述,总结了现阶段迫切需要解决的关键问题,并提出相应解决思路,为后续研究提供有益参考。

基于AMESim的压力调节器结构优化

针对现有某型涡桨飞机发动机的防冰系统配套压力调节器在真空环境下出口压力衰减及不能反馈开关位置信号的问题,采用真空波纹管结构对压力调节器先导阀进行结构改进,保证先导腔压力的稳定,并利用AMESim软件对压力调节器进行性能仿真,计算蝶板在正常工作压力状态下的最小开启角度,以此对微动开关进行调整,实现全部工作区下位置信号指示。试验结果表明:在真空环境下,真空波纹管结构压力调节器出口压力相对于地面环境波动较小,可满足要求;AMESim软件对蝶板开启角度的计算结果较为可靠,为开关状态信号的设置提供了有力支撑。

基于螺旋弹簧的引信用低g值MEMS惯性开关

微机电系统(MEMS)惯性开关在引信领域有广阔的应用前景,但可用于引信工作环境的低g值型MEMS惯性开关较少。对此,为低发射过载的弹药引信提出一种低闭合阈值的MEMS惯性开关设计方案,满足引信识别低g值冲击信号的功能需求,实现稳定接通引信电源的功能,同时具备抵抗引信工作环境中高过载的能力,提高引信可靠性。依据触发信号特征和引信工作环境提出设计要求,对惯性开关的振荡模型进行理论分析,阐明惯性开关结构尺寸对开关性能的影响规律,给出开关整体设计方案,并应用ANSYS有限元软件对设计结果进行仿真验证。仿真结果表明,所设计的惯性开关能够监测幅值为20g、脉宽为1 ms的冲击信号,开关响应时间小于1 ms,电极接触时间长于30μs,抗过载性能达到12 000g,满足性能指标要求。

微惯性开关制作过程中界面结合强度研究

在利用微电铸工艺制作惯性开关的过程中,经常会出现由于界面结合强度低而引起的铸层翘起问题。微电铸层与基板的界面结合强度低会降低微开关的制作成品率、延长制作周期、增加制作成本。针对这一问题,本文从界面钝化膜的角度,采用了“电解活化去除钝化膜”和“引入Cu过渡层”的方法。为探究钝化膜对界面结合强度的影响,通过Materials Studio软件对不同钝化膜去除率模型的界面结合能进行仿真计算,计算结果表明钝化膜去除率越高越有利于界面结合强度的提高,在完全去除钝化膜后界面结合强度提高了197%;为探究过渡金属对界面结合强度的影响,分别以Cu,Cr,Ti作为过渡层,与不锈钢基板和镍铸层建立结合层体系,计算体系的结合能,计算结果表明Cu与基板、Cu与铸层的结合能最高,与未引入过渡金属相比,引入Cu后界面结合强度提高了81%。在仿真研究结果的基础上,开展了电解活化实验,通过电解活化法去除了基板表面的钝化膜,实验结果表明:电解活化区域铸层的界面结合强度明显高于未活化区域铸层的界面结合强度;同时开展了铜过渡层实验,对比了有无Cu过渡层的界面结合强度,实验结果表明:引入Cu后,铸层的界面结合强度明显提高。在上述仿真和实验结果的基础上,制作出尺寸为23 mm×20 mm、总高度为900μm的微惯性开关。

一种X波段三叉H型低电压RF MEMS开关设计

针对射频电路系统所需要的低电压,高隔离度,低插入损耗的应用需求,通过对开关正对面积对驱动电压产生的影响进行探究,设计了一款应用于X波段三叉H型的RF MEMS开关。开关具有六条悬臂梁作为支撑,通过增大上极板面积来降低开关的开启电压。分别使用HFSS和COMSOL对开关的射频性能和机械性能进行仿真,开关最终优化后,在8-12 GHz内,插入损耗为0.26~0.57 dB,隔离度大于31.30 dB。在10.1 GHz达到最优值,插入损耗为0.40 dB,隔离度为50.25 dB。开关电压在11V时就能够实现状态转换,开关的响应时间为18μs。此开关可与射频可重构器件结合,应用于新一代射频微波领域。

电机用直流圆盘式电磁制动器的安装调整应用解析

主要讲述电机用直流圆盘式电磁制动器的工作原理和间隙调整方法,说明电磁制动器的选择,气隙调整控制措施,制动刹车时间和制动器电源的控制原理。根据安装运转过程中可能出现的不良状况,阐述制动器使用中应注意的问题,并对可能存在的故障隐患进行分析。

座椅靠背微动开关可靠性试验及失效探讨

微动开关[1]的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速等优点,被广泛地应用在汽车电子智能、安全、控制领域。然而,车用零部件的使用环境往往比较严苛,经常面临着气候负荷、机械负荷和电气负荷。本文针对座椅靠背微动开关进行可靠性试验探讨,并对其试验失效现象进行分析。目的为了帮助厂家能够更清晰地暴露产品问题所在,更高效地完成可靠性验证并保证其产品质量。

射流微通道耦合高效散热器传热实验研究

针对光导开关高重复频率运行时产生丝电流加热,使光导开关温度迅速超过材料最高允许使用温度,造成开关失效或损伤的难题,本文结合微通道散热技术和射流冷却技术的优点,设计了射流微通道耦合高效散热器。通过实验测试,对不同运行工况下射流微通道耦合高效散热器的传热特性进行了研究,并与美国进口的蜂窝型微通道散热器进行散热性能对比。实验结果表明:体积流量为3 L/min的情况下,射流微通道耦合高效散热器的换热系数超过35000 W/(K·m^(2)),散热量高达1000 W,相比蜂窝型微通道散热器散热量提升了45%。在测试流量下,随着体积流量的增加,射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数接近线性增加,而蜂窝型微通道散热器的平均换热系数在大流量下却增加缓慢。此外,采用射流微通道耦合高效散热器冷却的热源面温度均匀性明显优于采用蜂窝型微通道散热器冷却的热源面温度均匀性,采用射流微通道耦合高效散热器的热源面温度波动能降低58%,更有利于降低光导开关热应力。

微电网光储多源协调及多模式平滑切换控制

传统新能源微电网由于微源(光伏(PV)、储能)种类的不同,存在逆变器种类较多、系统整体控制层级复杂等缺点。针对光储微电网供电系统,提出整合传统光伏、储能逆变器于一体的两级式光储微电网逆变结构,实现了光伏组件与储能设备的多源协调管理。基于所提架构详细分析了光储多源协调供电系统控制方案,实现了新能源光储微电网在孤岛与并网模态下稳定工作,以及不同工作模态下的平滑切换控制。同时针对孤岛模态下负载不平衡等问题,提出了光储微电网逆变器机端电压平衡控制策略。最后通过搭建额定功率15 kVA光储微电网逆变器原理样机,对所提新能源光储微电网逆变拓扑及控制方案可行性开展了实验验证。

航天炉粉煤加压气化装置阀门阀位检测故障原因分析与改造

航天炉粉煤加压气化装置部分远程控制阀门阀位反馈信号延时迟滞严重、阀门开关状态频繁跳变,严重干扰正常操作,威胁气化装置的安全稳定运行。通过分析阀位检测微动开关和相匹配的安全栅间的结构,发现电气开关周期已达上限,无法正常工作,原因是安全栅选型不当。对安全栅重新选型、安装后,解决了现场阀门位置检测异常的问题,确保了气化装置的安全稳定运行。

基于相位调制表面角反射器的ISAR图像调制方法

针对空中目标对抗逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar,ISAR)成像侦察的无源防护手段防护面积有限和灵活性不足的问题,提出了一种基于相位调制表面(phase-switched screen,PSS)角反射器的ISAR图像调制方法.分析了互旋角反射器结构在施加PSS周期调制前后的ISAR成像特性,揭示了其对ISAR图像的干扰特点;基于距离向干扰的扩展需求,分析了PSS双极性调制波形和三角阶梯相位调制波形的频谱特性,并据此制定了不同的干扰策略;设计仿真实验,分析了在互旋PSS角反射器上加载不同的调制信号的干扰效果.仿真结果表明:未施加PSS调制时,互旋角反射器结构的距离向干扰范围仅受限于其物理尺寸;施加PSS调制之后,根据不同的策略可使距离向干扰范围扩展至3~7倍,上述仿真结果与理论分析一致.本文方法结合了有源干扰与无源干扰的优势,具有结构简单、成本低廉、隐蔽性好、使用灵活的优点,可使空中目标采用较小尺寸的无源防护装置即可灵活对抗ISAR成像侦察.

柱上开关状态监测与故障诊断技术研究

针对传统柱上开关监测与故障诊断技术存在硬件设备不够完善、监测时间长、监测精度低的问题,采用储存电能电动机状态监测装置和多分类柱上开关状态故障诊断算法模型对现有方法进行了改良。构建出了具有数据采集模块、数据传输模块、数据计算模块、用户服务模块的柱上开关状态监测系统。对于所收集到的柱上开关状态监测数据进行深入的分析与计算,从而实现完善的监测硬件设备,较短的监测时间以及很高的监测精度。通过实验表明,本设计最低监测精度可达95%,在小数据量数据包最快所需监测时间只要10s。

基于切换拓扑的含时滞一致性微电网二次控制策略

分布式电源可能随时加入微电网或在相互通信时使某一线路失效,导致通信拓扑随时间变化进行切换。与此同时,通信时滞和输入时滞可能会影响系统性能,导致系统不稳定。针对微电网系统孤岛运行时的稳定性问题,提出了一种基于切换拓扑的含时滞一致性微电网二次控制策略。策略对传统一致性算法加以改进,通过选取适当的控制反馈系数增大系统适应时滞影响的范围。相较于传统二次控制策略,能够保证系统在更大时滞下稳定运行。最后通过MATLAB仿真验证了所提策略的有效性。

基于非硅衬底的微机电系统惯性开关的研制

以非硅表面微加工技术为基础,在玻璃衬底上设计和制造一种简单可靠并有反向冲击保护的单向一次触发微机电系统(Microelectro-mechanical system,MEMS)惯性电学开关。该设计采用连体蛇形弹簧将可动电极(质量块)悬空固定,用挡块作为反向冲击保护,其敏感方向为平行于衬底面的水平方向,整个器件使用成本较低而又方便的叠层电镀镍工艺制作。通过对弹簧-质量块系统运动过程的理论分析和有限元仿真,研究器件阈值加速度与其质量块厚度的关系,并用落锤试验对封装器件的阈值加速度以及峰值为100g(g=9.8m/s2)半正弦冲击下的响应进行了测试,得到该微开关的阈值加速度分布在58g～72g,基本符合预期设计的60g阈值加速度要求,响应时间约为10–4s量级,与有限元仿真结果吻合较好。

微机电系统惯性电学开关的设计与制作

基于非硅表面微加工技术,给出了微机电系统惯性电学开关的一种新式设计,该设计采用两端悬空固定的多孔弹性梁作为固定电极,由连体蛇形弹簧连接悬空的质量块作为可动电极,可动电极位于支撑层和弹性梁之间,该结构在保证微开关具有足够灵敏度的同时,可有效提高两电极间的接触效果和器件的抗冲击保护。使用成本较低的多次叠层电镀镍的方法制作了设计的微型惯性开关,并对其元器件进行了试验测试,结果表明:开关在100g加速度作用下的响应时间和接触时间分别约为0.40ms和12μs,与有限元动力学仿真结果吻合较好,表现出较高的灵敏度和良好接触效果。

电网电压不平衡条件下微网PQ控制策略研究

基于平衡假设的前馈解耦PQ控制是微网典型的控制策略,通过对该策略进行功率分析,并利用开关函数法分析并网逆变器输出性能,得出基于该控制策略在电网电压不平衡条件下逆变器的输出会包含3次谐波和负序分量。作为改进,在原有的PQ控制结构基础上叠加前馈负序电压控制环以抵消电网电压负序分量从而维持三相平衡,通过改进的开关函数调制法降低3次谐波分量输出。仿真验证了理论分析并证明了所采取控制措施的有效性。

五位分布式MEMS传输线移相器的优化设计

通过在共面波导传输线上周期性地加载分布电容,外加驱动电压改变电容值,实现分布式MEMS传输线移相器。从三个方面优化了五位分布式MEMS传输线移相器的设计:一是分别设计了11.25°和22.5°两种微桥,单元在Ka波段的插入损耗均大于-0.8 dB,回波损耗均小于-15 dB,相移精度小于0.4°,新的五位移相器以2种单元、19个微桥的结构替代了传统单一单元、31个微桥的结构,可减少微桥的总数;二是CPW传输线采用折叠布局,通过共用部分地线,移相器平面尺寸减小至1.81 mm×3.84 mm,相比传统五位分布式移相器,面积减小了56%,实现了器件的小型化;三是设计了一种新型的直流偏置结构,结构简单、工艺容易实现。

抗高过载微流体惯性开关

基于微连通器结构,提出了一种使用盐水(Na Cl溶液)作为工作流体且具有高的抗过载能力的微流体惯性开关。分析了液滴的分离机理,设计了开关的流道结构。然后,对开关进行了理论分析,建立了开关模型。最后,利用流体动力学仿真和样机实验相结合的方法,对开关结构和功能进行了验证。验证结果显示:在幅值为30 000 g阶跃型加速度作用下,开关的工作流体仍未发生分离,加速度的幅值与开关响应时间相关。另外,开关样机能够使盐水液面形成高度差,样机的静态加速度阈值为134.6 g^152.3 g,非常接近其理论计算的加速度阈值142.7 g。得到的结果表明,采用的微连通器结构能够极大地增强微流体惯性开关的抗液体分离能力,能够对加速度幅值进行区分,并实现闭锁功能,同时显示了高的抗过载能力。

一种非接触式微加速度开关的研究

典型的微加速度开关至少包含一个电接触,当阈值加速度值达到时,该开关将闭合。一般为金属接触,比如金。但金属接触可能存在许多问题,如微焊接、电弧、氧化,这些问题可能导致开关工作失灵。鉴于此,本文介绍了一种低驱动电压的非接触式微加速度开关(阈值为5gn)的设计理论、研究方法和主要加工工艺步骤,同时对非接触式微加速度开关结构的力电耦合进行理论计算,结合ANSYS软件仿真分析验证。