高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

基于激光法的圆箔式热流传感器动态特性研究

为使圆箔式热通量传感器满足不断发展的高超声速风洞等极端环境中动态热通量监测需求,采用了大功率半导体激光器作为热通量源,搭建了热流动态标定平台,并对系统产生的激光束能量进行了测量分析,确保了后续实验的科学性与合理性。系统产生热流密度达每平方米兆瓦级别,脉冲激励宽度为毫秒级别。通过动态响应实验,研究了戈登计动态响应时间与激励激光参数的关系。结果表明,在一定范围内,时间常数与激光功率、脉冲宽度为负相关关系。当激光脉冲宽度小于传感器时间常数一个数量级附近时,可以被视为理想脉冲激励。同时还得到了激光参数与产生热通量的线性关系,证明了采用激光法进行测试标定的可行性。

星间链路通信收发一体化系统设计

随着卫星制造发射成本的降低以及全球通信需求的增加,低轨星间链路技术成为研究热点;星间链路可将多颗卫星互联,建立具有导航和通信功能的自主运行系统,可靠的通信技术是当前的研究重点;为了适应外太空具有较大多普勒频移的高动态环境,设计了星间链路通信收发一体化系统;发射端采用UQPSK直接序列扩频技术,双通道架构可同时完成不同速率的导航与通信数据的发射,再运用LDPC编码技术提升数据发射速率与稳定性;接收端采用改进的PMF-FFT分段捕获算法与归一化最小和LDPC译码算法,以快速准确捕获星间信息;在FPGA硬件平台经过多次测试,该系统均可在高动态环境下,正确快速捕获到多普勒频移高达±341 kHz的信号,捕获算法时间均可保持在200 ms以内,符合实际应用中的性能需求。

基于Geant4的X射线背散射成像仿真研究

为有效地探测到隐藏在高原子序数物质背后的低原子序数物质,文章采用X射线背散射成像技术进行实验,通过蒙特卡罗仿真软件Geant4简化飞点扫描X射线背散射成像系统,对隐藏在铁板后的碳块探测并成像,最后为能够高效地探测较大的目标区域,文章提出一种针对大区域探测的优化算法。实验结果表明,仿真的背散射成像系统能够探测到铁板后的碳块,最终图像的质量与可控因素(X射线能量强度、探测器尺寸)和不可控因素(遮挡物厚度、被测物深度)密切相关,提出的优化算法能够在扫描探测的同时成像,缩短成像时间且能及时发现待测物体。因此,X射线背散射成像技术具有一定的潜力,解决探测隐藏在高原子序数物质背后的低原子序数物质难以探测的问题。

电致变色型智能可视化湿度系统

近年来,湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域的应用引起了广泛关注。传统湿度传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点,但大部分湿度传感系统通常采用有线连接和外接庞大设备来将湿度信号转换为可识别的波形,无法对湿度信息的变化进行实时的可视化监测。将湿度信息直接转换为肉眼可观测的颜色信号为上述问题提供了一种理想解决方案。本研究将湿度传感器与电致变色器件集成一体来制备智能可视化湿度指示系统,通过将湿度信号转换为电压信号来驱动电致变色器件(Electrochromic devices,ECDs),从而实现系统稳定可逆的颜色变化。采用三氧化钨(WO3)作为负极、锌箔(Zn)作为正极制备的ECDs会根据湿度传感器的输出电压的变化来转变不同的工作状态,从而产生肉眼可观测的颜色信号。采用紫外-可见分光光度计与电化学工作站对ECDs的电化学性能以及电致变色性能进行研究和表征。随后,通过示波器和湿度发生平台对调理电路性能进行分析。结果表明:智能电致变色型湿度指示器具有良好的稳定性和快速的响应性能,其中,着色时间与褪色时间仅为7.5和4.5 s,并且在300个循环后,光学调制幅度(ΔT)与初始值相比基本保持不变(保持率可达95%以上)。因此,这种设计新颖、结构简单的可视化湿度系统在人工智能、智能农业等领域具有广阔的应用前景。

OTS自组装多层膜的制备和能量耗散的研究

采用自组装技术在石英表面制备了十八烷基三氯硅烷(OTS)分子膜,并通过接触角、红外光谱(FT-IR)和原子力显微镜(AFM)研究了膜层形貌特征和膜层表面能量耗散随温度的变化情况。结果表明:OTS在石英上以“岛”状团簇的结构均匀分布,反应时间越长,“岛”状团簇和吸附的OTS分子数量也越多,表面粗糙度随之增加。接触角在反应时间达到30min后稳定在110.39°左右,此时反应趋于饱和。膜层表面耗散值在60~80℃内最低,当温度低于61℃时,5mmol/L溶度下制备的分子膜表面最平坦稳定,膜层耗散值也最低,温度高于61℃时,表面出现熔化现象,耗散曲线波动较大,考虑是水解的OTS产物和表面杂质的存在影响了测试结果。

4D毫米波雷达稀疏点云下的连续帧隐空间法线估计

针对毫米波连续调频雷达在室外运动场景下点云数据稀疏和空间配准精度低的问题,本文提出了一种轻量级空间配准方法。该方法适用于室外运动场景下毫米波雷达连续多帧之间的点云处理,能在没有位姿传感器辅助的情况下,通过时空图神经网络准确估计相邻多帧点云的隐空间法线,并将每帧雷达点云数据转换到统一的观测坐标系中,从而实现四维点云的多帧融合与场景配准。实验结果表明,该方法不仅能准确评估四维点云的空间姿态,还能有效校正和融合每帧点云的坐标,在运动及震动过程中实现点云坐标的精准配准。此外,该算法还能显著提高点云成像的密度,增强图像的精度和可读性,同时适用于静态和动态目标的成像,为毫米波雷达在室外运动场景的应用提供了有力支持。

基于泰伯效应的差分双层光栅光学杠杆放大位移传感器

研制了一种基于泰伯效应的差分双层光栅光学杠杆放大位移传感器。通过理论计算、仿真分析和实验测试,证明在差分双层光栅后面形成了一个多周期复合光场。当两个光栅之间发生相对位移时,该复合光场随输入位移同步发生移动。由于差分结构的光学杠杆效应导致复合光场,复合光场位移相对于实际输入位移会产生放大,结合电荷耦合器件(CCD)相机成像检测方式可实现纳米级输入位移的检测。实验系统差分光栅结构周期分别为1.49和1.71μm。经多次重复测试,复合光场放大周期为~11.6μm,放大因子为~7.8,实验分辨率达到~9.8 nm。受益于位移放大,该传感器满足了纳米级精密位移测量对小周期光学光栅和小尺寸CCD像元的高要求,在机械定位、半导体制造等领域展现出良好的应用前景。

碳化硅表面电镀厚镍工艺研究

为了探索碳化硅深刻蚀过程中厚镍掩膜工艺条件,依据电镀原理,设计了以镀液pH、电流密度、镀液温度为影响因素的正交试验,通过对电镀速率和镀层均匀性双指标进行综合平衡法分析,研究各因素不同水平对实验结果的影响。采用台阶仪和激光共聚焦显微镜对电镀速率、镀层均匀性以及表面形貌进行表征。结果表明:电流密度是影响电镀速率的关键因素,镀液pH主要影响镀层的均匀性,最佳电镀条件为pH在3.0~3.5之间,电流密度为20 mA∙cm^(-2),温度为55℃。该工艺成本低、镀速高且均匀性良好,可以用于制备碳化硅深刻蚀掩膜,为碳化硅基压力传感器的加工提供了关键工艺支持。

基于超声的铅皮导爆索断细药检测方法研究

针对铅皮导爆索的非接触检测存在检测手段有限、检测效率低下、精度不高的问题,提出了一种基于超声的小径铅皮导爆索断细药检测系统,可满足对于此类导爆索断细药情况的精确快速测量。实验和实际使用证明该方法可行,系统运行可靠,可有效提高检测效率和精度。

基于FPGA的红外图像处理中值滤波新算法的研究

讨论了以FPGA为硬件载体的红外图像处理中值滤波的算法,给出了中值滤波法总体框图、硬件实现方法、仿真结果和效果评估。实现了中值滤波算法对降低图像噪声保持图像的边缘方面有显著的效果。

锥型光纤的制备和理论分析

文章从理论上分析熔锥光纤锥的特性，模拟了锥形光纤表面的倏逝波的特性，同时，利用熔拉法在实验室中制备较好的锥形光纤，实验表明，该加工方法得到的锥形光纤的表面光洁程度较高。

高长宽比金属铝热偶条的制备

金属铝因其与多晶硅具备良好的塞贝克系数差且成本低在红外热电堆中常用作热偶条,热偶条制备在MEMS工艺流程制备中至关重要,其结构形貌对热电堆性能有很大影响。为研究不同制备方法对铝热偶条的形貌及性能影响,本实验采用金属刻蚀工艺、剥离工艺进行热偶条制备,调整溅射功率、光刻胶厚、曝光剂量、超声功率等参数对制备工艺进行优化,通过共聚焦显微镜、扫描电子显微镜及台阶仪表征形貌,半导体分析仪表征电阻值。实验表明:通过ROL-7133负胶,前烘1 min 30 s,曝光剂量85 mj/cm,中烘1 min 40 s,显影48 s,采用金属剥离工艺制备得到了宽度3μm,厚度0.4μm的高长宽比金属铝热偶条,且整体形貌良好,器件电阻值符合要求。

全植入式耳蜗传感器纤毛结构优化的有限元仿真

目前人工耳蜗需麦克风+专用电路来实现频率分选的功能,这使得设备的体积和功耗均较大,通过MEMS技术可以将器件小型化,而仿生学中人耳的纤毛细胞与鱼类侧线纤毛细胞结构类似,且哺乳动物的听觉系统具有丰富的特征,这些关键特征包括频率分选性、低水平刺激的非线性放大以及压缩,该特征使得哺乳动物的耳能够在更大的声压级上进行感应。在此基础上,依据鱼类侧线纤毛细胞以及人耳侧线纤毛细胞的特异性结构,设计了两种仿真模型。通过对比分析,进一步探究了纤毛结构对传感器整体性能的影响,发现椭圆柱纤毛结构对比圆柱形纤毛结构在模态频率分布上有梯度均匀、差值明显的优势,这使得单个传感器测量多通道信号成为可能,能够减少人工耳蜗纤毛传感器单元阵列覆盖测量带宽的数量。

STM32的窄线宽半导体激光器驱动电路设计

设计了一种高稳定性的激光器驱动电路。激光器驱动电路硬件主要包括温控模块、恒流驱动模块以及电流调谐模块,电路设计采用STM32微处理器作为主控芯片,ADN8443作为温度控制器件,结合PWM控制方案实现温度控制,设计恒流驱动电路以及电流调谐电路实现半导体激光器的稳定输出。经过测试,功率稳定度为0.16%,波长稳定度为0.23 ppm,电路具有可调谐、体积小、效率高、驱动能力强等优点,能够实现激光器的稳定控制。

基于毫米波MIMO雷达的人体生命体征检测方法

针对传统方法处理单通道回波数据时心率估计准确性和鲁棒性不高的问题,提出了一种基于选择性最大比和组合算法。首先运用奇异值分解去除静态杂波;其次使用卡尔曼滤波进行异常相位的预测和修正;并最终通过自适应多通道多维特征融合,极大地提高了生命体征的检测精度。实验基于77 GHz多输入多输出(MIMO)雷达实验平台,在复杂场景下进行多组实验,对心率估计的准确率均达到94%以上。实验结果表明,所提算法可以实现人体生命体征准确检测。

基于金刚石NV色心集成振动检测模块的设计

原子对磁场的高敏感特性使得金刚石氮空位(NV)色心在量子传感领域的使用越来越广泛。为研究金刚石在振动测磁方面的优越性,使用集成振动模块把传统的共聚焦系统集成在PCB板上以测试振动结果。以圆柱形永磁体作为振动测磁的质量块,由于外界振动的影响使永磁体与金刚石NV色心的距离产生变化,因此金刚石NV色心上的磁场强度也会产生变化。对振动效应的检测通过金刚石NV色心上光探测磁共振(ODMR)荧光信号的分析来获得。集成振动实验在距离永磁体15 mm范围内对振动效应进行验证,测试得到基于金刚石氮空位色心振动传感的位移噪声灵敏度为11 nm/Hz1/2。

一种基于快速鲁棒特征匹配算法的类脑SLAM导航

类脑导航是模拟鼠类感知环境机制提出的一种同步定位与构图(Simultaneous localization and mapping,SLAM)的导航算法。针对复杂环境如室内光线变化导致类脑SLAM导航产生误差的问题,本文提出了基于特征匹配(Speeded up robust features,SURF)算法的优化类脑SLAM导航模型。该模型通过一套移动视觉系统采集环境信息,构建的局部场景细胞通过SURF特征匹配算法获取到载体在环境中的方向与位置信息;头朝向细胞与位置细胞通过连续吸引子神经网络共同表示载体当前的位姿。利用所获取的位姿与时间信息,通过路径积分计算当前载体在坐标系中所处的位置;最后,构建基于认知点的拓扑经验地图。此外,在局部场景细胞获取环境信息的同时,通过SURF特征匹配算法来进行闭环检测,判断是否需要对当前位置进行修正。本文提出的优化类脑SLAM模型很大程度改进了原有模型在有光线变化的室内情况下易产生场景误匹配的问题,并通过实验验证了本文提出方法的有效性。

基于3D双流网络的地下岩层破裂微震震源定位

地下微震震源中心探测技术主要用于地下岩层破裂,矿井爆破振动监测,工程爆破定向拆除等定位问题。针对目前微震采集传感器采集时钟误差以及采集数据高频信息缺失的问题,提出了基于3D双流网络的方法对地下岩层破裂进行分布式微震震源定位。该方法通过空间扫描的方式使低维的振动波信息高维化,把地震波形数据从时间域转化为能量域,建立震源中心与高维能量分布的对应关系;然后通过3D-CNN网络提取能量域特征,convLSTM网络逐步优化震源中心区域,以得到精准的震源中心定位。结果表明,基于3D双流网络的地下岩层破裂微震震源定位明显优于传统的基于走时类震源定位方法,该方法在高信噪比数据中,具有更强的数据拟合能力和抗干扰能力。并且通过小场地静态爆炸试验结果表明,该定位方法在近场微震震源定位中优于传统方法。

石英表面OTS自组装多层膜的制备及抗弛豫性能

采用浸没法在石英表面制备了十八烷基三氯硅烷(OTS)自组装多层膜,采用水接触角测量仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和原子力显微镜(AFM)分析了不同浸没时间所得OTS多层膜的疏水性、成分和表面形貌,确定了较佳成膜时间为30 min。制备的OTS多层膜均匀致密,厚度约为2.7 nm,水接触角为110.4°。采用AFM检测了OTS多层膜在不同温度下的能量耗散和弛豫率,结果显示两者随温度的升高均呈现先下降后上升的趋势,耗散量级是石蜡的10倍,弛豫率为石蜡的3~4倍,说明制备的OTS多层膜在较低温度(25~60℃)下具有一定的抗弛豫性能,但不如石蜡。