玻璃结构PCR芯片快速精密温控及实验验证

PCR芯片作为即时检测技术的一种核心生化分析器件,在疾病快速现场检测、便携式分析中有着广泛应用。温度快速精密控制对提高PCR芯片的扩增效率和准确性极为重要。相较于聚合物材料,玻璃材料具备优良的生物兼容性、导热性和密封性。设计并制作了一种全玻璃结构的PCR芯片,以PT100温度传感器和恒流源组成温度检测电路,将温度值线性转换成电压值。采用STM32控制器作为核心处理器,完成电压值的数字化采集。结合积分分离PID算法,对加热电极和风扇施加驱动电流和控制电压,实现对PCR芯片的快速精密温度控制。实验结果表明,该PCR芯片可获得6℃/s的升温速率以及3℃/s的降温速率,控温精度为0.4℃,优于当前市场上大多数PCR仪的性能。生物扩增实验验证了PCR芯片DNA扩增的有效性。

用于迫弹速度测量的柔性MEMS流速传感器仿真

大部分迫弹采用引信涡轮发电机兼作为弹道辨识用的速度传感器,但是涡轮发电机存在着低速停转和高速限速等测速问题。设计了一种贴装在引信上测量迫弹飞行速度的宽量程柔性MEMS流速传感器。利用有限元仿真软件对迫弹引信进行了流场仿真,确定了流速传感器在引信进气道内的贴装位置,并对传感器进行了热-流场耦合仿真。引信流场仿真表明,拉法尔管进气道后端壁面处流速与迫弹飞行速度为近似线性关系：迫弹飞行速度0～350m/s对应壁面流速为0～75m/s。进气道内安装的柔性流速传感器的热-流场耦合仿真表明,由传感器加热电阻的加热功率和三个测温电阻对的温度差可测量0.01～75m/s的流速,这为传感器用于迫弹的弹道辨识奠定了理论基础。

压电谐振器双闭环驱动电路研究

压电谐振器是谐振式传感器和执行器的核心部件,通常工作在共振和稳幅状态。采用一种锁相环(PLL)和自动增益(AGC)相结合的双闭环控制驱动电路,分别实现了谐振器共振频率的跟踪激励和压电振子输出信号的稳幅控制。优化设计了双闭环电路中各元器件参数,使得压电振子能稳定工作在谐振频率点。参照压电谐振器开环测试数据和闭环测试数据,双闭环驱动电路能将谐振器相位锁定在59°(误差3°),输出信号峰峰值稳定在12.8V(误差0.2V)。实验结果表明,该电路设计能够达到稳定谐振器输出信号幅值和跟踪谐振器共振频率的目的。

基于非晶锗热电阻的柔性MEMS流速传感器的设计与仿真

针对铂等常用金属热敏材料电阻温度系数(TCR)不高,导致热式MEMS流速传感器宽量程测量时功耗高的问题,设计了一种基于非晶锗(a-Ge)薄膜热电阻的低功耗、宽量程柔性MEMS流速传感器。非晶锗热电阻材料具有较高的TCR系数(约为-0.02/K)和室温电阻率(5Ω·m),传感器在较低的工作温差和功耗下可获得宽量程的流速测量。阐述了该柔性MEMS流速传感器的设计结构、工作原理、3D有限元建模和热-流场仿真结果。利用聚酰亚胺衬底空腔膜上的四个非晶锗热电阻同时作为自加热热源和测温元件。四个非晶锗热电阻组成一个惠斯通电桥,同时结合热损失和热温差原理来实现宽量程流速测量和测向。仿真结果表明,惠斯通电桥采用恒电流供电只需120μA,使得非晶锗热阻的工作温度与环境温度之间的温差不高于6K,就可对0~50m/s范围内的流速进行测量,且功耗在1.368mW以内。该柔性流速传感器易于采用MEMS技术批量制造,可贴于曲面应用,非常适于物联网等低功耗流速传感领域。

自加热非晶锗热电阻MEMS流速传感器的制造与测试

为扩大流速传感器的测量范围并降低功耗,制造并测试了一种基于自加热非晶锗薄膜热电阻的MEMS流速传感器,它是由嵌入氮化硅薄膜的四个非晶锗热敏电阻和一对环境测温补偿电阻组成。四个非晶锗热电阻同时作为自加热热源和测温元件,相互连接以形成惠斯通电桥。给出了MEMS工艺流程,微加工制造了尺寸为8.9 mm×5.6 mm×0.4 mm的流速传感器芯片。搭建了低流速和高流速气流通道实验装置,对传感器的惠斯通电桥施加50μA的恒定电流(CCA),实现了0~50 m/s范围内的流速测量。结果表明,传感器在低流速(0~2 m/s)时的灵敏度约为81.6 mV/(m/s),在高流速(2~50 m/s)时的灵敏度约为51.9 mV/(m/s),最大功耗仅约为1.03 mW。