微/纳米系统技术的研究与发展

微／纳米科学与技术已成为人们在微观领域认识和改造世界的一种高新技术,得到世界上众多发达国家的高度重视。

基于MEMS传感器的微型姿态确定系统研究

针对捷联式姿态确定系统误差随时间积累的缺点,设计了一种由MEMS陀螺、加速度计及微磁强计组合的姿态确定系统。采用Allan方差方法分析了陀螺随机误差,通过建立姿态误差四元数微分方程和磁强计线性化测量方程,设计了姿态估计卡尔曼滤波器。系统采用实际测量值进行姿态解算,结果表明这种组合能够有效抑制传感器随机漂移引起的姿态误差,系统具有体积小、成本低、性能可靠等优点。

MEMS陀螺随机误差补偿在提高姿态参照系统精度中的应用

为提高航姿系统姿态角测量精度,论文对MEMS陀螺随机误差的测试和补偿进行了研究。运用Allan方差方法分析了MEMS陀螺各项随机误差的特性,建立了针对MEMS陀螺的随机误差补偿模型。采用Allan方差辨识算法完成对各项随机误差的分离,获取速率随机游走(RRW)和角度随机游走(ARW)噪声方差值。通过设计的卡尔曼滤波器对MEMS陀螺随机误差进行实时估计补偿,利用姿态解算算法得到随机误差补偿前和补偿后各3个方向的姿态角。实验结果表明经误差补偿后系统的静态偏航角测量精度提高了3倍、横滚角提高了4倍、俯仰角提高了12倍。

曲率测量技术在微机电系统薄膜残余应力测量中的应用

在比较曲率测量技术常用的Stoney公式及其修正式的基础上,利用有限元分析方法,建立薄膜/基底结构的有限元模型,给出一种薄膜残余应力的等效施加方法,从两个方面详细分析并对比这两个公式在微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)薄膜残余应力测量中的检测精度。仿真及分析结果表明,修正后的Stoney公式在很大程度上提高薄膜残余应力的测量精度,使曲率测量技术的适用范围得到较大扩展。但是当薄膜厚度接近于基底厚度或结构处于大变形状态下,修正式的计算精度也将受到较大影响,此时可以采用有限元分析方法来获得临界状态值,以提高残余应力的检测精度。同时,通过有限元分析,证实曲率测量技术应用中存在的另一个问题,即曲率的空间分布不均匀性现象。

分立活塞式MEMS微变形镜的系统级设计

利用实验室自主研发的集成设计平台,搭建了分立活塞式MEMS微变形镜的系统级行为模型,并对其有效性和准确性进行了验证;在此基础上完成了微变形镜的结构设计,并由仿真得到了结构的性能参数.研究结果表明,采用系统级方法进行MEMS器件的设计能够在确保求解精度的前提下,显著提高设计效率,缩短设计周期,减小设计成本;所设计的MEMS微变形镜的各项性能指标完全能满足一般自适应光学系统的应用要求.

自适应光学系统MEMS微变形镜的研究

指出了传统变形镜研究所面临的瓶颈,以及采用MEMS技术研究微变形镜的优点.介绍了利用静电力驱 的平板电容式分立式微变形镜.分析结果表明它具有比传统变形镜更优越的性能.指出了进一步研究与发展MEMS微变形镜还需要解决的若干重要问题.

一种新型CCD图像采集系统设计

结合电荷耦合器件和外围设备,介绍了一种CCD图像数据采集系统设计。采用74HC04逻辑非芯片将模数转换芯片和数据缓存芯片之间的CLK信号适当延迟,解决了图像数据模数转换后输出到FIFO缓存的时序控制问题。通过电路设计解决了微控制器难以直接应用于高速数据采集的难题,实现连续图像数据采集和处理,具有较好的通用性。

一种MEMS周期可调光栅衍射特性的实验研究

介绍了一种周期连续可调的微型可编程光栅.光栅采用静电梳齿驱动,不同驱动电压对应不同周期变化,从而引起特定级次衍射角发生变化.为了测得不同驱动电压下的衍射角变化,搭建了实验测量光学系统,利用激光三角法测量原理及图像处理的方法得出实验结果.测量结果与光栅测量参量计算角度变化基本一致,不同电压下的衍射角变化与不同的周期变化对应良好.

微型热敏传感器系统动态特性理论研究

通过分析用于检测流体参数的微型热敏传感器的工作原理,针对恒流和恒温驱动电路驱动的此类传感器组成的系统,提出了对微型热敏传感器系统动态特性分析的依据和计算设计方法。并且通过对一阶恒流电路驱动传感器系统的时间常数和二阶恒温电路驱动传感器系统的响应频率的计算和分析,得到基于M EM S技术的热敏传感器系统的时域、频域参数的计算和设计依据,为此类传感器的器件设计和性能分析提供了重要的参考依据。

基于MEMS技术的无线加速度测量系统

结合MEMS微传感器和无线通信技术,研究了MEMS微加速度计检测信号的测量与无线传输技术,制定了二维加速度信号的无线测量系统方案,设计了系统电路,并完成了原型装置的制作与调试。实践表明,本系统能对微弱的加速度进行无线检测,有较高的测量精度和灵敏度。

一种基于多端口组件网络的MEMS系统级建模方法

以多端口组件及其网络的研究作为理论基础,创建了专门针对MEMS的系统级建模方法———用单个组件 表示MEMS的各功能结构部件,组件的端口表征与部件有关的各种物理量,依据一定规则联结组件形成的网络表 征整个微系统。该方法采用常微分和代数方程描述组件的行为,混合信号硬件描述语言作为组件及其网络的建模 语言。以梁为例,阐述了如何建立其行为方程,以得到参数化、可供重用的组件模型。上述研究结合微加速度计的 系统级设计应用实例,表明该方法是实现MEMS系统级建模的有效手段,能针对MEMS固有的多能量域耦合行为 等进行快速建模与仿真。

基于MEMS传感器的起重机吊钩运动实时监控系统

针对起重机吊钩运动状态的实时监控问题,设计并实现了一种基于MEMS传感器的吊钩运动监控系统。利用微型加速度计和磁强计实时测量了吊钩的二维倾角和水平方位角;分析了多种不同的磁强计补偿方法,针对强磁环境下水平方位角误差较大的特点,提出了一种基于T-S模糊逻辑的吊钩旋转角误差补偿方法;研制了系统样机,并进行了性能测试。研究结果表明,起重机吊钩倾角测量精度达到0.3°,平面旋转角精度达到0.8°,可满足实际应用要求,具有良好的应用前景。

基于Snell窗及偏振模式的水下载体航姿测量

提出了一种在水下通过Snell窗获得偏振分布模式与天顶点坐标,进而得到水下载体的航姿信息(即航向角、横滚角与俯仰角)的方法。在载体上安装鱼眼镜头与偏振相机,在水下拍摄天空,得到偏振角分布模式。建立小孔成像模型得到相机的内外参数矩阵以及镜头畸变系数,对偏振角分布模式进行畸变校正,进而得到太阳子午线特征区域,使用Canny算子检测得到特征区域边缘,由霍夫直线检测算法计算出太阳子午线与水下载体体轴夹角,得到航向角。通过实验得到不同光入射角与偏振角误差的函数关系,进行误差补偿,减小由于鱼眼镜头改变入射光偏振态带来的偏振角测量误差,进而提高太阳子午线与水下载体体轴夹角的测量精度。利用灰度阈值检测算法筛选出图像中的天顶点坐标,进而计算载体的横滚角与俯仰角,经过实验验证了算法的准确性。搭建了模拟水下环境的实验平台,实验结果表明:该方法得到的航向角平均绝对误差为0.5303°。在[-50°,50°]角度范围内,横滚角与俯仰角平均绝对误差为0.7544°与0.6213°,满足水下导航的精度需求。

MEMS惯性传感器的系统级建模技术研究

阐述了基于多端口组件网络的MEMS建模方法——把MEMS器件分割为多个功能结构部件,并建立其参数化多端口组件模型,通过组件端口的相互联结形成的网络表征整个MEMS器件。根据物体的相对运动理论并采用能量法表述了建立微惯性器件的组件模型的一般方法。在此研究基础上,形成了MEMS的可重用组件模型库并以此建立了一电容式微陀螺的系统级模型。仿真结果表明多端口组件网络方法是快速建立和仿真MEMS系统级模型的有效方法,而物体的相对运动理论和能量法对建立惯性MEMS的组件模型具有普遍指导意义。

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。

基于电渗流的微流控混和芯片系统级建模技术研究

微流控混合芯片是微流控芯片系统中的重要组成部分,其混合效率直接影响后续反应产物的分布和反应体系的容量.文中对基于电渗流驱动的微流控混合芯片的系统级建模技术进行了研究,本研究首先结合基于电渗流驱动的微流控混合芯片的控制方程,对系统各组件的参数化行为模型进行了提取,在此基础上编程实现了系统各组件的多端口组件模型,构建了基于电渗流的微流控混和芯片系统级模型,模型仿真结果与有限元方法相比,相对误差为2.5%,而仿真速度却远远高于有限元方法.表明该方法在不显著损失系统精度的前提下,可以更加有效的对系统性能做出评价.

纯有机染料共敏化纳米晶太阳能电池的性能研究

采用曙红与香豆素混合的方法,配制成敏化剂修饰纳米晶薄膜.实验结果证明,这种共敏化的方法可以在可见光范围内有效提高电池的吸光度,使得电池的性能比单独使用曙红敏化有了大幅度提高.在模拟太阳光下,曙红与香豆素共敏化的电池的开路电压达到了532 mV,短路电流达到了0.1125 mA/cm2.

支持任意流程的微机电系统设计工具

论述了微机电系统设计工具的发展概况,并针对微机电系统的多样性对设计工具的需求提出了一种可支持任意流程的微机电系统设计工具架构。该架构以系统级行为建模与仿真、器件级物理建模与仿真和工艺级版图设计与工艺仿真三个设计层级为主干,但特别地提出以六个数据自动传递接口来连接任意两个设计层级。这样,三个设计层级通过六个数据自动传递接口构成一个设计闭环,使得用户可以从任意一个设计层级开始设计,并完成设计循环,提供了在设计流程上的最大柔性。以网表、标准格式的实体模型和版图文件分别作为这三个层级设计数据的出入口,并设计了相应的信息提取算法及程序,实现了任意两个级别之间的数据自动传递,从而可以支持在该架构下的全部六种设计流程。所进行的设计实例表明,基于该工具可以针对不同的微机电系统器件选择最优的设计路线,是对当前通用微机电系统结构化设计方法的发展和提高,可显著提高设计效率。

梳齿谐振器宏模型的系统级应用

宏模型的获取是由Krylov子空间投影法结合器件级有限元分析的宏建模方法来实现,利用此模型和基于可重用IP设计思想的系统级组件建模方法建立由VHDL-AMS语言描述的梳齿谐振器系统级模型,在华大VDE仿真平台上搭建出了梳齿谐振器的系统模型,并进行一系列的仿真,包括时域阶跃、交流电压信号仿真和频域交流小信号仿真,仿真结果与商用仿真工具ANSYS仿真结果保持良好的一致.

MEMS器件与电路共同仿真原型系统

为了预测MEMS器件与电路组成的完整MEMS系统的行为,建立了一个支持MEMS器件与电路共同仿真的原型系统。首先,根据MEMS系统级仿真与模拟电路仿真的共同特性,提出了MEMS器件与电路共同仿真的原理和方法,并依托国产电路仿真平台Zeni VLG建立了共同仿真原型系统的框架结构;然后,分别根据修正节点分析方法和模拟电路行为级建模方法开发了该共同仿真原型系统所必需的两个参数化模型库。通过一个跷跷板式微加速度计分别与其开环电路和闭环带载波电路的共同仿真对原型系统和模型库进行了测试,与国外商业软件Saber对比,开环仿真结果相对误差为2.1%,表明提出的原型系统能够有效进行MEMS器件与电路共同仿真,并且具有较高的精度。