全天时星敏感器视场选通成像系统的微开关阵列设计

针对全天时星敏感器视场选通成像系统的应用需求,设计了一种基于静电驱动的单元尺寸为4 mm、开口面积占空比为90%、响应时间为25 ms、单元数为7×7的微开关阵列。考虑到微开关阵列体硅加工工艺中材料的特性,首先确定电极宽度、支撑梁宽度和支撑梁厚度等参数,再根据微开关单元结构的数学模型对支撑梁数目及长度进行理论分析,优化设计了微开关阵列主要结构参数。利用电磁场仿真软件和有限元仿真软件对微开关单元的驱动特性进行仿真分析,结果表明,仿真计算的微开关单元驱动电压为106.4 V时可以开启微开关单元,与理论计算结果114 V基本吻合,验证了微开关阵列设计参数的可行性。此外,利用杂光分析软件对微开关阵列引入系统内的杂散光进行仿真分析,结果表明,微开关阵列的表面反射率对系统杂散光的影响较小,即使80%的表面反射率也不会明显增加视场选通成像系统的杂散光。该研究为视场选通成像系统的微开关阵列提供了一种有效的设计方案,推动了视场选通成像系统的实际应用。

基于阵列型压电能量收集器的中高频自供电系统

随着物联网(IoT)的发展,无线自供电传感是实现感知机体状态和飞行环境的重要技术手段。机体振动具有分布范围广,激励频率高和频域宽等特点,单一压电能量收集器难以有效俘获能量。针对上述问题,研制了一套基于阵列型压电能量收集器的自供电传感系统。该系统由阵列型压电能量收集器、电源管理电路、传感节点、低功耗蓝牙及微控制器组成。压电能量收集器采用压电厚膜方案,在谐振频率693 Hz,2 g下最高平均输出功率密度为4 mW·cm^(-3)·g^(-2)。电源管理电路采用改进的整流器设计和欠压锁定电路(UVLO)实现高效能量传输与能量释放,充电速度是普通整流器的1.3倍,最大输出功率达到1.32 mW,结合微处理器进行时序控制可达到动态平衡,实现了固定间隔时间持续的数据读取和发送。

计算机辅助诊断的新型电子听诊器系统

听诊是心血管疾病、呼吸系统疾病早期诊断的重要手段。该文提出了计算机辅助诊断的新型电子听诊系统,研制了基于电容式传声器的电子听诊器及相应的智能分析软件。该电子听诊器结合了Bluetooth、OLED、SD卡存储等技术实现了三种模式下的实时听诊、录音存储及回放、听诊音量调节及无线传输等功能。基于PC上位机的智能分析软件以C#为编程语言,SQL Server为后台数据库,实现了听诊音的播放及波形显示,通过计算心率、提取相关特征参数T1、T2、T12、T11分析心音是否正常,生成诊断报告,并可通过邮件将听诊音及诊断报告发送到其他医生邮箱,从而可以进行远程诊断。整个系统功能完善、便携性高、用户体验良好,有利于推动电子听诊器在医院的使用,同时该系统也适用于听诊教学等多种场合。

水质监测微型蠕动泵稳定性实验研究

多参数水质监测仪流路取样由蠕动泵完成,其取样的稳定性直接关系到测试结果的准确度。论文针对蠕动泵输送精度、输送稳定性和使用寿命,模拟水质监测仪取样流路,测量了蠕动泵对特定体积的输送精度和多次更换蠕动泵管后重复输送的体积以及连续运转蠕动泵输送精度随时间的变化情况。实验结果表明蠕动泵取样误差小于2,三次更换泵管后取样结果来自同一样本(可信度98),泵管连续使用寿命可达15天。

新型胃液潜血智能检测胶囊系统设计

设计了一种能够自动识别胃液潜血信息的智能电子胶囊微系统,以无创可吞服智能胶囊来自动识别胃液潜血,将检测结果无线发送至体外,体外装置接收显示检测结果图像信息,通过模板匹配算法自动识别潜血状态。在离体状态下对该系统进行了原理性实验,结果表明:该系统能够较好地识别血红蛋白浓度为6～1800 mg/L的胃液潜血,并进行自动报警。系统结构原理新颖,操作简便,为早期胃癌的普查初筛提供了一种创新的方法。

新型体声波传感器读出电路的实验验证

为了实验验证此前通过仿真验证的基于六端口反射计的新型BAW传感器读出电路的方案的可行性,本文制作了新型BAW传感器读出电路并对其进行了测试。以串联谐振频率约为1.5 GHz的薄膜体声波谐振器(FBAR)为待测器件(DUT),设计、制作了一种能够满足该FBAR谐振频率测量带宽(1.3 GHz^1.7 GHz)要求的PCB上微带六端口网络和检波器,配合射频信号发生器和示波器,获得了模拟DUT(50ΩSMA匹配负载)的反射系数-频率(Γ-f)曲线测量结果。与矢量网络分析仪(VNA)的测量结果进行了对比,两者吻合较好,实验验证了"基于六端口反射计的BAW传感器读出电路"可用于FBAR谐振频率的测量。本文工作对实用化BAW传感器的研制和片上矢量网络分析仪(VNA-on-Chip)的设计都有借鉴意义。

基于颜色识别的肠道出血诊疗微系统设计

提出了一种可自动识别肠道出血区域并具有药物释放功能的微系统方案,设计了基于颜色传感器的出血检测模块和可用于粘附肠道血液的特殊吸附性薄片。引入HSL(色相Hue、饱和度Saturation、亮度Light)颜色空间法,根据出血与非出血区域色相H值的差异来实现肠道出血的智能识别,针对微量出血和较大量出血2种情况提出了不同的识别算法。实验结果表明:根据色相H值的变化可将血红蛋白浓度C>2.375 g/L的人体血液样本与无血红蛋白的模拟肠液明显区分开。当满足设定的出血阈值条件时,智能胶囊可成功触发药物释放,整个系统结构设计简单、可靠。

微流控细胞芯片LED诱导荧光检测微系统

基于微流控细胞芯片分析技术和微机电系统(MEMS)加工技术,设计制作了阵列式微流控细胞检测芯片,采用自组装的顶窗型光电倍增管(PMT)和信号采集电路采集芯片微管道内流动细胞的荧光信号,构建了一种针对低浓度细胞悬浮液的微流控细胞芯片发光二极管(LED)诱导荧光的快速检测微系统,实现了对低浓度(≤40 Cell/mL)荧光标记的HepG2肝癌细胞悬浮液样本的定量计数和测试,而且在血液细胞共存的条件下,仍可以有效地对血液中少量HepG2肝癌细胞进行荧光计数和测试.整个系统结构简单、操作方便且检测灵敏度较高.

电磁式MOEMS扫描光栅微镜驱动系统结构优化

基于现代农业发展对微型近红外光谱仪的迫切需求,对微型近红外光谱仪的电磁式MOEMS(Micro optical electronic mechanical system)扫描光栅微镜驱动系统进行结构优化改进,旨在解决MOEMS扫描光栅微镜驱动电压高、扫描角度小等问题。通过利用专业磁场仿真软件Maxwell 16.0对不同尺寸和材料属性永磁铁进行优化仿真,得到牌号分别为N38和N52的钕铁硼(NdFeB)作为电磁式MOEMS扫描光栅微镜的工作磁铁。在此基础上,设计制造2个相同尺寸的电磁式MOEMS扫描光栅微镜芯片A1和A2,并分别结合永磁铁N38和N52开展性能测试。测试结果表明:相比磁性较弱的N38,当电磁式MOEMS扫描光栅微镜芯片A1和A2在永磁铁N52的作用下达到最大机械扫描半角时,驱动电压分别降低6.6%和8.6%,最大机械扫描半角分别增大20.2%和17.4%;此外,通过对比分析机电性能测试结果可知,通过结合永磁铁N52,电磁式MOEMS扫描光栅微镜能够获得更优异的机械扫描性能。研究结果对于提升光谱仪的光谱检测范围以及检测精度具有实际应用价值。

基于FR4的多自由度电磁式扫描光栅微镜结构设计

本文面向低成本、高可靠、便携式光谱分析检测设备的需要,提出了一种基于FR4(Flame Retardant,阻燃等级为UL94V-O的板材,4表示树脂为环氧树脂、增强材料为玻璃纤维布)复合材料的多自由度电磁驱动微型集成扫描光栅微镜新结构。通过多自由度结构设计,有效提升了微镜转动角度。建立了器件有限元仿真模型,开展了静力学、模态及谐响应分析。有限元分析结果表明:微镜能够在设定谐振模态下工作,其微镜与驱动线圈的位移比值为1.795,为大转角电磁式微型集成扫描光栅微镜设计提供了一种新方法。

硅/硅低温直接键合的工艺调控及应用

为了满足微机电系统(MEMS)对高强度、低成本、灵活性好、通用性强硅/硅低温直接键合技术的迫切需求,开展基于氧等离子活化的硅/硅低温直接键合工艺调控方法及应用研究。通过正交实验分析了活化功率、活化时间、氧气流量对键合率和键合强度的影响,优化了氧等离子活化工艺,350℃氮气保护下退火2 h后,键合率为98.52%,平均抗剪切强度为20.2 MPa,键合界面连续无空洞,且形成了3.58 nm的非晶氧化层,表明实现了分子间的键合。最后,采用三层低温硅/硅键合工艺实现了微型振动能量收集器的限幅封装,成功将能量收集器的频带拓展到215 Hz~229 Hz。结果表明,该硅/硅键合工艺满足MEMS器件的加工及使用要求,其工艺调控方法具有较好的通用性。

医用超细内窥镜系统研究

设计了一种医用超细内窥镜系统。采用微型、高分辨率的CMOS图像传感器配合低压差分信号(LVDS)传输技术进行前端摄像探头的设计,使摄像探头直径缩减至5.0 mm,并实现了图像数据的长距离高保真传输;采用基于S3C2440微处理器的ARM开发平台对图像数据进行处理,实现了内窥镜图像的清晰显示。以口腔为模拟测试对象对系统摄像功能进行了测试,并与传统内镜进行了对比,证明该系统能够完成内窥镜摄像,且所成图像分辨率高。以口腔溃疡模拟粘膜病变对系统进行测试,证明该系统能有效发现粘膜病变,病变检出率高达90.0%。本系统成像清晰,且镜体直径小,能大大提高病人内镜检查的舒适性,为消化道疾病普查初筛提供了一种理想的解决方案。

大气压直流辉光放电装置的实验与分析

为了能减小放电装置的体积,以应用于便携式仪器,设计了线-筒型大气压直流辉光放电装置,放电间隙仅1.92mm。它主要由内线电极、外筒电极组成,线电极直径为0.16mm,筒电极直径为4mm。观察并说明了从电晕放电向辉光放电过渡的过程。通过放电波形和图像验证了其处于辉光放电状态。推导了利用氮气第二正带系计算振动温度和转动温度的算法,并利用光谱仪(Acton Spectrapro 2500i)采集所产生的等离子体的发射光谱,计算得到该等离子体的振动温度在2 360K左右,转动温度在830K左右。将该装置作为离子源应用于敞开式质谱中,实验结果表明,该直流大气压辉光放电形成的等离子体可以很好地离子化甲酸、乙酸、苯酚等物质。

肠道生物机器人中驱动装置的刺激控制系统研究

针对目前肠道诊疗设备的驱动问题,引入一种全新的肠道诊疗设备—肠道生物机器人。利用生物体作为驱动装置,携带肠道诊疗装置进入肠道内,通过体外的控制中心遥控生物体的运动行为,实现诊疗装置在肠道内主动前进、后退和定点泊位。选取黄鳝作为肠道生物机器人的生物体,并在了解其运动控制机理的基础上,设计出刺激控制系统。该系统由刺激电极和刺激器两部分组成,其刺激电极为表面式刺激电极和植入式刺激电极;其刺激器由LabVIEW软件和数据采集卡构成。采用该系统进行体外刺激控制实验,初步获得控制黄鳝前进的方法,证实该系统的可行性。

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

针对"FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁"结构悬臂梁厚度不足、"嵌入式FBAR"结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型"膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)"结构的微加速度计。其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性。通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度。进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数k Hz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性。

微流控芯片上大肠杆菌的电化学阻抗检测方法研究

基于细菌悬浮液的阻抗特性和微流控芯片电化学阻抗检测技术,采用所构建的微流控芯片电化学阻抗分析系统,以大肠杆菌为样本,优化了扰动振幅、缓冲溶液电导率、扫描频率和新制大肠杆菌标本静置时间等参数,对大肠杆菌标本、大肠杆菌标准合成样本进行电化学阻抗检测,建立了一种大肠杆菌快速定量检测方法。在扰动振幅500 mV、缓冲溶液电导率为2.40μS/cm、扫描频率范围为100 Hz-1 MHz的条件下,大肠杆菌的测试范围为7.43×105～1.49×108 CFU/mL,检出限为7.43×104 CFU/mL。显微测试表明,在该检出限下,微流控芯片电化学阻抗分析系统对微管道检测区域内10个以上大肠杆菌就有明显响应。将所建立的方法应用于某污水中细菌检测,结果与国标法基本一致。

微流控芯片电泳电导检测分离分析尿蛋白

基于自行构建的微流控芯片电泳集成非接触式电导检测分析系统,建立了一种集进样、分离与检测为一体的微流控芯片电泳电导检测蛋白质的方法,并用于人白蛋白(HSA)和人转铁蛋白(TRF)两种尿蛋白的分离分析以及肾病综合症病人尿液中白蛋白的定量检测。考察并优化了缓冲液、分离电压、进样方式、进样时间等电泳分离的影响因素,在缓冲液为pH=10的10mmol/L硼砂溶液,电进样场强为300V/cm,进样时间10s,分离电压为600V的实验条件下,10min内完成了HSA和TRF的分离检测,分离度为2.0;检出限分别为0.4和0.8g/L(S/N=3),在1～5g/L线性范围内相关系数分别为0.9478和0.9491。实验中肾病综合症病人尿样中HSA的加标回收率为95.4%～104.1%。

消化道生理参数检测胶囊系统的研究进展

胃肠道内的生理参数是评价胃肠道动力性疾病的重要参数。传统的插管方法会给病人带来严重的不适感,且会影响到病人的正常生活。为了克服传统插管方法的缺点,出现了一种新型的监测生理参数的胶囊系统,它可以根据生理参数的差异来诊断胃肠道疾病。针对生理参数检测胶囊系统对国际研究成果和国内研究现状进行了综述。

肠道生物机器人系统的初步研究

介绍一种既能满足无创性要求又能满足驱动性要求的全新肠道诊疗设备——肠道生物机器人系统。该系统包括进入肠道内的诊疗部分和体外控制中心部分,生物作为肠道诊疗部分的驱动装置,通过体外控制中心遥控生物的运动行为,实现肠道诊疗部分的主动驱动和定点泊位。首先选取黄鳝作为肠道诊疗部分的驱动体,然后根据黄鳝的运动机理,使用LabVIEW编程的电流脉冲刺激器发送刺激信号到表面贴片微神经电极,对黄鳝进行不同环境不同刺激位点的多种刺激实验。获得通过同时刺激躯干前、中部侧线区域控制其前进的方法,为今后研制肠道生物机器人系统样机提供必要的理论基础。

基于颜色传感器的肠道出血检测胶囊系统

提出了一种能够自动识别肠道出血灶并定位的智能电子胶囊微系统方案,设计了肠道出血智能检测胶囊和基于颜色传感器的肠道出血检测传感器,在离体状态下对肠道出血检测传感器进行了原理性实验。结果表明:当模拟肠液中血红蛋白浓度超过0.05 g/mL时,该传感器能将其与无血红蛋白模拟肠液区分开。