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RSS2016年 28卷 第06期
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2016, 28: 064101.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064101
摘要:
为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度，提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理，在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联，从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来；最后，在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合，得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时，获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理，给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例，介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理，但该方法具有普适性。并且，当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时，就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来，实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。
为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度，提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理，在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联，从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来；最后，在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合，得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时，获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理，给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例，介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理，但该方法具有普适性。并且，当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时，就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来，实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。
2016, 28: 064102.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064102
摘要:
无论是在微机电系统（MEMS）还是集成电路（IC）领域，SU-8厚胶光刻已经成为制造高深宽比结构的主流工艺。为了取代昂贵而耗时的光刻实验，一套能够良好预测显影形貌，从而为优化光刻制造提供有效帮助的光刻仿真软件就成为必要而有价值的工具。基于严格电磁场波导法的理论，给出一种针对SU-8光刻胶在紫外光下的三维光刻仿真模型。利用该模型，能很好地预测显影后的光刻胶内光强分布和立体形貌。并完成了一系列仿真和实验结果来验证模型的有效性。仿真结果给出横截面光强分布图和显影立体形貌模拟图形，并与相应的实验结果进行对照。结果验证了本文提出的仿真模型的正确性，并且表明三维混合模型在保证精确性的前提下，较之其他仿真算法运算速度更快。
无论是在微机电系统（MEMS）还是集成电路（IC）领域，SU-8厚胶光刻已经成为制造高深宽比结构的主流工艺。为了取代昂贵而耗时的光刻实验，一套能够良好预测显影形貌，从而为优化光刻制造提供有效帮助的光刻仿真软件就成为必要而有价值的工具。基于严格电磁场波导法的理论，给出一种针对SU-8光刻胶在紫外光下的三维光刻仿真模型。利用该模型，能很好地预测显影后的光刻胶内光强分布和立体形貌。并完成了一系列仿真和实验结果来验证模型的有效性。仿真结果给出横截面光强分布图和显影立体形貌模拟图形，并与相应的实验结果进行对照。结果验证了本文提出的仿真模型的正确性，并且表明三维混合模型在保证精确性的前提下，较之其他仿真算法运算速度更快。
2016, 28: 064103.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064103
摘要:
提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000 Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176 dB,且具有良好的8字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS 矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。
提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000 Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176 dB,且具有良好的8字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS 矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。
2016, 28: 064104.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064104
摘要:
为了去除不定积分环节产生的直流偏置项，提出了一种基于一次移动平均法的改进积分算法。利用一个整数周期的积分信号值构成一个集合，计算出集合的算术平均值作为瞬时直流偏置，将原积分信号减去该直流偏置，最终可得到无直流偏置项的积分信号。为实时更新直流偏置，在每个时钟上升沿将一个积分信号的新采样值加入集合尾部，并去除集合首部的数值点，从而确保集合长度维持固定值并能实时反映出最新的直流偏置。以FPGA为信号处理平台，采用Modelsim仿真和实验测试相结合的方法验证了该算法的可行性。该方法已成功用于电磁式微陀螺仪的滑模控制器之中。同已有方法相比，该积分算法复杂度低、实时性好、易于实现。
为了去除不定积分环节产生的直流偏置项，提出了一种基于一次移动平均法的改进积分算法。利用一个整数周期的积分信号值构成一个集合，计算出集合的算术平均值作为瞬时直流偏置，将原积分信号减去该直流偏置，最终可得到无直流偏置项的积分信号。为实时更新直流偏置，在每个时钟上升沿将一个积分信号的新采样值加入集合尾部，并去除集合首部的数值点，从而确保集合长度维持固定值并能实时反映出最新的直流偏置。以FPGA为信号处理平台，采用Modelsim仿真和实验测试相结合的方法验证了该算法的可行性。该方法已成功用于电磁式微陀螺仪的滑模控制器之中。同已有方法相比，该积分算法复杂度低、实时性好、易于实现。
2016, 28: 064105.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064105
摘要:
在保证引信勤务安全性和正常发射可靠性前提下，为实现引信小型化而设计了一种新型无源双阈值高g值MEMS惯性开关，其主要包括能够识别两种典型加速度环境（载荷1:15 000g-300 ms，载荷2：3000g-3 ms）的环境识别模块M1和为后续电路可靠供电的通电模块M2。环境识别模块M1主要通过控制带有Z型齿的质量块与对应L型挡块之间的碰撞来确定质量块的运动位移，进而控制通电模块M2的工作情况。基于两种典型加速度环境对MEMS惯性开关进行了动力学仿真并优化，仿真结果表明所设计的开关在载荷1环境下保持断开，而在载荷2环境下可靠闭合。
在保证引信勤务安全性和正常发射可靠性前提下，为实现引信小型化而设计了一种新型无源双阈值高g值MEMS惯性开关，其主要包括能够识别两种典型加速度环境（载荷1:15 000g-300 ms，载荷2：3000g-3 ms）的环境识别模块M1和为后续电路可靠供电的通电模块M2。环境识别模块M1主要通过控制带有Z型齿的质量块与对应L型挡块之间的碰撞来确定质量块的运动位移，进而控制通电模块M2的工作情况。基于两种典型加速度环境对MEMS惯性开关进行了动力学仿真并优化，仿真结果表明所设计的开关在载荷1环境下保持断开，而在载荷2环境下可靠闭合。
2016, 28: 064106.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064106
摘要:
微光机电系统（MOEMS）微镜在激光显示、光束扫描、自适应光学等领域都有重要应用。现有的MOEMS微镜驱动器一般为静电吸引型，难以克服其吸合效应造成的各种问题，同时，方形的驱动器难以与圆形的镜面形成良好匹配，填充比较低。提出了一种环形静电排斥驱动器的MOEMS微镜，该静电排斥驱动器以环形排列，并围绕在镜面的周围，达到了与圆形镜面的良好匹配。所设计的微镜口径为204 m，并利用PolyMUMPS表面工艺进行加工。模拟仿真及实验测试结果显示，该微镜具有0.62的最大旋转角，494 s的响应时间和1.191 kHz的工作带宽，适用于一般光束扫描等的应用需求。
微光机电系统（MOEMS）微镜在激光显示、光束扫描、自适应光学等领域都有重要应用。现有的MOEMS微镜驱动器一般为静电吸引型，难以克服其吸合效应造成的各种问题，同时，方形的驱动器难以与圆形的镜面形成良好匹配，填充比较低。提出了一种环形静电排斥驱动器的MOEMS微镜，该静电排斥驱动器以环形排列，并围绕在镜面的周围，达到了与圆形镜面的良好匹配。所设计的微镜口径为204 m，并利用PolyMUMPS表面工艺进行加工。模拟仿真及实验测试结果显示，该微镜具有0.62的最大旋转角，494 s的响应时间和1.191 kHz的工作带宽，适用于一般光束扫描等的应用需求。
2016, 28: 064107.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064107
摘要:
为评价直接甲醇燃料电池（DMFC）阳极的稳定性,利用扫描电化学显微镜和常规电化学技术,研究了变压加载过程中DMFC阳极性能的变化。结果表明,在探针扫描过程中,经不同电压加载后的DMFC阳极表面的扫描电流呈相似的锯齿状分布。当阳极加载2 h,随加载电位升高,扫描峰电流的数量减少,对应峰电流的数值则先增大再减小,表明阳极的催化活性处于不均匀分布状态且随加载时间延长和加载电位升高而逐渐降低。在不同加载电位下,随加载时间延长,循环伏安曲线上的正向和反向电流峰先负移再正移,但抗CO性能持续降低。DMFC阳极在0.6 V下分别加载16 h和72 h后,催化剂粒径由3.4 nm分别增大到3.6 nm和4.4 nm。在0.8 V下加载72 h后,Pt/Ru重量比由2.0增加到3.9。变压加载使催化活性的不均匀分布加剧催化剂粒径长大,Ru流失加快,从而导致阳极催化性能衰减。
为评价直接甲醇燃料电池（DMFC）阳极的稳定性,利用扫描电化学显微镜和常规电化学技术,研究了变压加载过程中DMFC阳极性能的变化。结果表明,在探针扫描过程中,经不同电压加载后的DMFC阳极表面的扫描电流呈相似的锯齿状分布。当阳极加载2 h,随加载电位升高,扫描峰电流的数量减少,对应峰电流的数值则先增大再减小,表明阳极的催化活性处于不均匀分布状态且随加载时间延长和加载电位升高而逐渐降低。在不同加载电位下,随加载时间延长,循环伏安曲线上的正向和反向电流峰先负移再正移,但抗CO性能持续降低。DMFC阳极在0.6 V下分别加载16 h和72 h后,催化剂粒径由3.4 nm分别增大到3.6 nm和4.4 nm。在0.8 V下加载72 h后,Pt/Ru重量比由2.0增加到3.9。变压加载使催化活性的不均匀分布加剧催化剂粒径长大,Ru流失加快,从而导致阳极催化性能衰减。
2016, 28: 064108.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064108
摘要:
随着信号输入功率的升高,电容式RF MEMS开关会发生自热效应使膜片变形,引起开关气隙高度的改变,导致开关驱动电压漂移,严重影响其可靠性。由于自热效应的失效机理涉及到复杂的多物理场耦合,因此提出了电磁-热-应力的多物理场协同仿真方法描述其失效模式,并分析其失效机理。首先利用HFSS软件建立开关的电磁仿真模型,得到不同输入功率下膜片的耗散功率；再以此作为热源,利用ePhysics软件建立开关的热仿真模型,得到膜片上的温度分布；然后将温度梯度作为载荷,利用ePhysics软件建立开关的应力仿真模型,得到开关的形变行为；最后,根据膜片形变所致的气隙高度变化,得到驱动电压漂移的失效预测模型。以一种具有矩形膜片结构的典型电容式RF MEMS开关为例,利用该方法得到：矩形膜片表面电流密度主要分布在膜片的长边的边缘；温度沿膜片长边逐渐降低,且膜片中心处温度最高、锚点处温度最低；膜片的热应力变形呈马鞍面形,且最大形变点发生在膜片长边的边缘处,仿真还得到0~5 W输入功率下膜片的最大形变量；并拟合出了0~5 W输入功率下的开关驱动电压-输入功率漂移曲线,该曲线具有线性特征并与文献实测数据极为吻合,由此证明了该方法的有效性。
随着信号输入功率的升高,电容式RF MEMS开关会发生自热效应使膜片变形,引起开关气隙高度的改变,导致开关驱动电压漂移,严重影响其可靠性。由于自热效应的失效机理涉及到复杂的多物理场耦合,因此提出了电磁-热-应力的多物理场协同仿真方法描述其失效模式,并分析其失效机理。首先利用HFSS软件建立开关的电磁仿真模型,得到不同输入功率下膜片的耗散功率；再以此作为热源,利用ePhysics软件建立开关的热仿真模型,得到膜片上的温度分布；然后将温度梯度作为载荷,利用ePhysics软件建立开关的应力仿真模型,得到开关的形变行为；最后,根据膜片形变所致的气隙高度变化,得到驱动电压漂移的失效预测模型。以一种具有矩形膜片结构的典型电容式RF MEMS开关为例,利用该方法得到：矩形膜片表面电流密度主要分布在膜片的长边的边缘；温度沿膜片长边逐渐降低,且膜片中心处温度最高、锚点处温度最低；膜片的热应力变形呈马鞍面形,且最大形变点发生在膜片长边的边缘处,仿真还得到0~5 W输入功率下膜片的最大形变量；并拟合出了0~5 W输入功率下的开关驱动电压-输入功率漂移曲线,该曲线具有线性特征并与文献实测数据极为吻合,由此证明了该方法的有效性。
2016, 28: 064109.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064109
摘要:
利用响应面分析方法优化了用于压力传感器硅敏感芯体的刻蚀操作条件。主要考虑了温度、KOH浓度和腐蚀时间三个操作参数，将它们的范围分别设定为40~60 ℃，0.4~0.48 mol/L 和 5~12.5 h，并设定各向异性腐蚀速率为响应值。通过建立二次方模型，分析这些参数的单独影响以及多个操作条件之间对腐蚀速率的相互交叠作用。分析结果表明：模型可以精确预测99%的响应值，相比于腐蚀时间，溶液浓度和工作温度对刻蚀速率的影响更为明显。
利用响应面分析方法优化了用于压力传感器硅敏感芯体的刻蚀操作条件。主要考虑了温度、KOH浓度和腐蚀时间三个操作参数，将它们的范围分别设定为40~60 ℃，0.4~0.48 mol/L 和 5~12.5 h，并设定各向异性腐蚀速率为响应值。通过建立二次方模型，分析这些参数的单独影响以及多个操作条件之间对腐蚀速率的相互交叠作用。分析结果表明：模型可以精确预测99%的响应值，相比于腐蚀时间，溶液浓度和工作温度对刻蚀速率的影响更为明显。
2016, 28: 064110.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064110
摘要:
提出一种用于干涉型光纤陀螺仪(IFOG)装配质量控制的内窥镜系统设计及相关图像分析方法。同时采用1.0 mm与2.4 mm工业内窥镜系统采集IFOG内部图像与视频数据；并利用多自由度运动控制平台调节内窥镜工作姿态以保证图像的顺利采集。在此基础上,设计了基于db4小波基的图像增强方法,基于灰度共生矩阵的图像纹理特征估计方法以及图像几何形状特征的计算方法等,用以进行内窥镜图像的分析。通过上述系统与方法的应用,能够有效检测出IFOG产品在装配过程中出现的多余物颗粒、光纤断纤或异常胶粘等质量问题,有效提高了IFOG产品的装配质量。
提出一种用于干涉型光纤陀螺仪(IFOG)装配质量控制的内窥镜系统设计及相关图像分析方法。同时采用1.0 mm与2.4 mm工业内窥镜系统采集IFOG内部图像与视频数据；并利用多自由度运动控制平台调节内窥镜工作姿态以保证图像的顺利采集。在此基础上,设计了基于db4小波基的图像增强方法,基于灰度共生矩阵的图像纹理特征估计方法以及图像几何形状特征的计算方法等,用以进行内窥镜图像的分析。通过上述系统与方法的应用,能够有效检测出IFOG产品在装配过程中出现的多余物颗粒、光纤断纤或异常胶粘等质量问题,有效提高了IFOG产品的装配质量。
2016, 28: 064111.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064111
摘要:
利用微电铸技术制作的微流控芯片模具往往存在沉积厚度不均匀的缺陷,这种缺陷会影响模具的尺寸精度及使用性能,并增加模具的制作成本。为了制得厚度均匀的微流控芯片模具,研究了超声电铸对模具均匀性的影响。首先,采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立微流控芯片模具的微电铸模型,分析电铸2 h后的模具的厚度分布。并根据该仿真结果,设计掩模版。然后,在自主搭建的超声电铸装置中进行一系列电铸实验,来研究超声搅拌对模具均匀性的影响。实验结果表明：电铸过程中添加超声搅拌可以改善微流控芯片模具的均匀性。超声功率为200 W时,超声频率改善模具均匀性的程度为200 kHz＞80 kHz＞120 kHz。超声频率为200 kHz时,超声功率改善模具均匀性的程度为500 W＞200 W＞100 W。当超声的频率和功率分别为200 kHz和500 W时,与无超声电铸相比,模具的均匀性提高约30%。
利用微电铸技术制作的微流控芯片模具往往存在沉积厚度不均匀的缺陷,这种缺陷会影响模具的尺寸精度及使用性能,并增加模具的制作成本。为了制得厚度均匀的微流控芯片模具,研究了超声电铸对模具均匀性的影响。首先,采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立微流控芯片模具的微电铸模型,分析电铸2 h后的模具的厚度分布。并根据该仿真结果,设计掩模版。然后,在自主搭建的超声电铸装置中进行一系列电铸实验,来研究超声搅拌对模具均匀性的影响。实验结果表明：电铸过程中添加超声搅拌可以改善微流控芯片模具的均匀性。超声功率为200 W时,超声频率改善模具均匀性的程度为200 kHz＞80 kHz＞120 kHz。超声频率为200 kHz时,超声功率改善模具均匀性的程度为500 W＞200 W＞100 W。当超声的频率和功率分别为200 kHz和500 W时,与无超声电铸相比,模具的均匀性提高约30%。
2016, 28: 064113.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064113
摘要:
空心微球具有广泛的应用,耐压性能是其重要特性之一。但人工测量劳动强度大且精度较差。提出一种基于图像检测的自动测量方法,可检测微球加压过程中的破损情况并记录压力值。首先,利用梯度霍夫变换定位微球,再通过Canny边缘检测提取微球轮廓信息,并减少环境因素对检测的影响。最后Hu不变矩被用来将加压中的微球图像与加压前图像进行匹配,当微球破损后,匹配结果超过阈值,判定微球失效。为证明方法的准确性和稳定性,搭建了实验平台,对不同直径的玻璃和塑料微球进行了加压实验。实验结果表明,微球破损的成功识别率几乎为100%,同时微球破损时的压力值也被准确地记录。
空心微球具有广泛的应用,耐压性能是其重要特性之一。但人工测量劳动强度大且精度较差。提出一种基于图像检测的自动测量方法,可检测微球加压过程中的破损情况并记录压力值。首先,利用梯度霍夫变换定位微球,再通过Canny边缘检测提取微球轮廓信息,并减少环境因素对检测的影响。最后Hu不变矩被用来将加压中的微球图像与加压前图像进行匹配,当微球破损后,匹配结果超过阈值,判定微球失效。为证明方法的准确性和稳定性,搭建了实验平台,对不同直径的玻璃和塑料微球进行了加压实验。实验结果表明,微球破损的成功识别率几乎为100%,同时微球破损时的压力值也被准确地记录。
2016, 28: 064114.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064114
摘要:
通常气压传感器的标定补偿方法复杂耗时,开发了一种新的方法去简化气压传感器的标定补偿。首先,设计恒温结构,并通过PID算法自动调节,使气压传感器的核心敏感元件工作于某一个固定温度（此温度稍高于气压传感器需要工作的最高温度点）；其次,把气压传感器在与这个固定温度点相等的环境温度下进行标定；最后,完成标定后不管环境温度如何变化,气压传感器敏感元件始终工作在一个恒定的温度,因此气压传感器的标定与补偿可以得到简化。经测试,气压传感器在一定的环境温度范围内实现恒温工作,标定后可以以较高的精度测量气压,实验结果表明经过标定补偿后的气压传感器可以在实际中应用。
通常气压传感器的标定补偿方法复杂耗时,开发了一种新的方法去简化气压传感器的标定补偿。首先,设计恒温结构,并通过PID算法自动调节,使气压传感器的核心敏感元件工作于某一个固定温度（此温度稍高于气压传感器需要工作的最高温度点）；其次,把气压传感器在与这个固定温度点相等的环境温度下进行标定；最后,完成标定后不管环境温度如何变化,气压传感器敏感元件始终工作在一个恒定的温度,因此气压传感器的标定与补偿可以得到简化。经测试,气压传感器在一定的环境温度范围内实现恒温工作,标定后可以以较高的精度测量气压,实验结果表明经过标定补偿后的气压传感器可以在实际中应用。
2016, 28: 064115.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064115
摘要:
基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作，利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下，工作电压为5.0 V时，实验结果给出压力传感器灵敏度(a=0)为1.0 mV/kPa，加速度传感器灵敏度(p=0)为0.92 mV/g，可实现外加压力和加速度的测量，具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。
基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作，利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下，工作电压为5.0 V时，实验结果给出压力传感器灵敏度(a=0)为1.0 mV/kPa，加速度传感器灵敏度(p=0)为0.92 mV/g，可实现外加压力和加速度的测量，具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。
2016, 28: 064116.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064116
摘要:
为了有效利用石墨烯和导电聚合物材料，光雕石墨烯/聚3,4-乙撑二氧噻吩(LSG/PEDOT)复合薄膜通过一种灵巧的光雕工艺制备出来。在此复合薄膜中，每种组分对薄膜的电化学性能提升都有独特的贡献。循环伏安、交流阻抗及恒流充放电测试用来检测薄膜的电化学性能。结果显示，在引入PEDOT纳米颗粒后，LSG/PEDOT复合薄膜显示出更好的能量存储能力。复合薄膜的比容量达到64.33 F/cm3，是光雕石墨烯比容量(3.89 F/cm3)的20倍，复合薄膜经过1000次循环后仍能保持初始容量的94.6%。复合薄膜电化学性能的提升主要是由于引入的PEDOT纳米颗粒既阻挡了石墨烯的层层堆叠，又增加了整个薄膜的比表面积。此种灵活的光雕工艺还可以用来大规模制备超级电容器电极。
为了有效利用石墨烯和导电聚合物材料，光雕石墨烯/聚3,4-乙撑二氧噻吩(LSG/PEDOT)复合薄膜通过一种灵巧的光雕工艺制备出来。在此复合薄膜中，每种组分对薄膜的电化学性能提升都有独特的贡献。循环伏安、交流阻抗及恒流充放电测试用来检测薄膜的电化学性能。结果显示，在引入PEDOT纳米颗粒后，LSG/PEDOT复合薄膜显示出更好的能量存储能力。复合薄膜的比容量达到64.33 F/cm3，是光雕石墨烯比容量(3.89 F/cm3)的20倍，复合薄膜经过1000次循环后仍能保持初始容量的94.6%。复合薄膜电化学性能的提升主要是由于引入的PEDOT纳米颗粒既阻挡了石墨烯的层层堆叠，又增加了整个薄膜的比表面积。此种灵活的光雕工艺还可以用来大规模制备超级电容器电极。
2016, 28: 064117.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064117
摘要:
基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取，锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型，主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动，研究了影响操作液滴的关键参数，分析表明：过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析，并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台，实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明：在空气冷凝模式下，操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成，液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴，且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。
基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取，锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型，主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动，研究了影响操作液滴的关键参数，分析表明：过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析，并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台，实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明：在空气冷凝模式下，操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成，液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴，且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。
2016, 28: 064118.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064118
摘要:
采用流体力学模拟方法，建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型，研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500 m的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学，分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征，对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明，在1 MPa入射压力时，微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30 m/s，其集束匀速喷射距离约为5 mm。在此喷射距离时进行垂直喷射，在胶束与工件表面的冲击射流作用区域，其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心，但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈W形状，射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2 mm处。
采用流体力学模拟方法，建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型，研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500 m的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学，分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征，对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明，在1 MPa入射压力时，微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30 m/s，其集束匀速喷射距离约为5 mm。在此喷射距离时进行垂直喷射，在胶束与工件表面的冲击射流作用区域，其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心，但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈W形状，射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2 mm处。
2016, 28: 064119.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064119
摘要:
提出了一种基于石英晶体温度频率特性的石英音叉微谐振式温度传感器。通过理论分析的方法对传感器进行设计，并采用有限元仿真对传感器的结构参数进行优化。采用光刻和蚀刻微加工技术制造石英音叉谐振器，对石英音叉温度传感器样机的频率温度特性进行实验研究。实验结果表明：石英音叉温度传感器的标准谐振频率为36.545 kHz，灵敏度为-1.9 Hz/℃，在-20到100 ℃的温度范围内，其非线性误差小于0.18%，迟滞为0.02%，与理论研究相吻合。该传感器具有高精度、高灵敏度、低功耗和低成本的特点，为高性能温度测量提供较好的解决方案。
提出了一种基于石英晶体温度频率特性的石英音叉微谐振式温度传感器。通过理论分析的方法对传感器进行设计，并采用有限元仿真对传感器的结构参数进行优化。采用光刻和蚀刻微加工技术制造石英音叉谐振器，对石英音叉温度传感器样机的频率温度特性进行实验研究。实验结果表明：石英音叉温度传感器的标准谐振频率为36.545 kHz，灵敏度为-1.9 Hz/℃，在-20到100 ℃的温度范围内，其非线性误差小于0.18%，迟滞为0.02%，与理论研究相吻合。该传感器具有高精度、高灵敏度、低功耗和低成本的特点，为高性能温度测量提供较好的解决方案。
2016, 28: 064120.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064120
摘要:
采用分散聚合反应制备了纳米SiO2/PS包覆粒子，并对其结构进行了表征。首先在超声波场中用表面活性剂对纳米SiO2粒子进行亲油化处理，然后在氮气保护下利用超声波的分散、粉碎、活化、引发等多重作用，在实现纳米SiO2粒子在反应介质中纳米分散的同时，引发苯乙烯单体在纳米SiO2粒子表面发生分散聚合反应，制备出纳米SiO2/PS包覆粒子。最后，采用SEM，TEM，FTIR，XPS等测试手段对纳米SiO2/PS包覆粒子进行了表征，测试结果表明，PS实现了对纳米SiO2的包覆，形成了核壳包覆结构。
采用分散聚合反应制备了纳米SiO2/PS包覆粒子，并对其结构进行了表征。首先在超声波场中用表面活性剂对纳米SiO2粒子进行亲油化处理，然后在氮气保护下利用超声波的分散、粉碎、活化、引发等多重作用，在实现纳米SiO2粒子在反应介质中纳米分散的同时，引发苯乙烯单体在纳米SiO2粒子表面发生分散聚合反应，制备出纳米SiO2/PS包覆粒子。最后，采用SEM，TEM，FTIR，XPS等测试手段对纳米SiO2/PS包覆粒子进行了表征，测试结果表明，PS实现了对纳米SiO2的包覆，形成了核壳包覆结构。
2016, 28: 064121.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064121
摘要:
环形谐振器是微机电系统（MEMS）谐振器中典型结构之一。其中，椭圆模态是环形谐振器面内振动的一阶模态，也是使用最为普遍的模态。以降低谐振器振荡时的锚损为目标，以有限元分析为技术手段，采用能量法对环形谐振器锚点的几何尺寸进行定量分析。分析结果表明，与研究者普遍认为的观点相反，谐振器锚点振荡模态的激发并不有助于提高谐振器的Q值。
环形谐振器是微机电系统（MEMS）谐振器中典型结构之一。其中，椭圆模态是环形谐振器面内振动的一阶模态，也是使用最为普遍的模态。以降低谐振器振荡时的锚损为目标，以有限元分析为技术手段，采用能量法对环形谐振器锚点的几何尺寸进行定量分析。分析结果表明，与研究者普遍认为的观点相反，谐振器锚点振荡模态的激发并不有助于提高谐振器的Q值。
2016, 28: 064122.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064122
摘要:
为了分离永久性气体及低碳轻化合物，基于MEMS技术，研究制备了一种微型填充式的气相色谱柱。为了增加色谱柱的长度以及深宽比，色谱柱的沟道制备采用了激光刻蚀技术，这种技术可以方便的在玻璃基底上刻蚀出深沟道，这是其他化学腐蚀技术无法比拟的。研制的色谱柱其沟道横截面为1.2 mm(深度)0.6 mm(宽度)，深宽比为2∶1。实验结果表明，这种微型填充柱，具有较大的样品容量，能很好的实现CO和SO2的分离。
为了分离永久性气体及低碳轻化合物，基于MEMS技术，研究制备了一种微型填充式的气相色谱柱。为了增加色谱柱的长度以及深宽比，色谱柱的沟道制备采用了激光刻蚀技术，这种技术可以方便的在玻璃基底上刻蚀出深沟道，这是其他化学腐蚀技术无法比拟的。研制的色谱柱其沟道横截面为1.2 mm(深度)0.6 mm(宽度)，深宽比为2∶1。实验结果表明，这种微型填充柱，具有较大的样品容量，能很好的实现CO和SO2的分离。
2016, 28: 064123.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064123
摘要:
利用有限元方法，仿真分析了深反应离子刻蚀工艺造成的折叠梁宽度误差对电容式微加速度计温度漂移的影响。在存在工艺误差和保证微加速度计灵敏度恒定的前提下，增大了折叠梁设计宽度，计算了不同宽度下微加速度计的温度漂移量。结果表明:刻蚀工艺误差越大，微加速度计温度漂移量越大。折叠梁设计宽度为4.5 m和6.5 m时，最大温度漂移量分别为2.42 mg/℃和1.71 mg/℃，因此通过适当地增大设计尺寸，可以有效地减小微加速度计的温度漂移量。
利用有限元方法，仿真分析了深反应离子刻蚀工艺造成的折叠梁宽度误差对电容式微加速度计温度漂移的影响。在存在工艺误差和保证微加速度计灵敏度恒定的前提下，增大了折叠梁设计宽度，计算了不同宽度下微加速度计的温度漂移量。结果表明:刻蚀工艺误差越大，微加速度计温度漂移量越大。折叠梁设计宽度为4.5 m和6.5 m时，最大温度漂移量分别为2.42 mg/℃和1.71 mg/℃，因此通过适当地增大设计尺寸，可以有效地减小微加速度计的温度漂移量。
2016, 28: 064124.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064124
摘要:
SU-8负胶具有优异的力学性能、抗化学腐蚀性、热稳定性和生物兼容性，在MEMS工艺和器件中得到广泛应用。镍金属具有良好的力学性能和抗腐蚀性，因此常用来制作MEMS器件。在MEMS执行器中，弹性元件常采用电铸镍制作。SU-8经过经曝光显影后形成致密的交联网络结构是一种高分子聚合物，这种聚合物非常稳定，不溶于强酸强碱及常见的有机溶剂，尤其是在电铸金属结构后的SU-8胶的去除更为困难。目前的SU-8去胶技术，按去胶原理可分：机械物理去胶技术和氧化去胶技术。氧化去胶技术可以有效去除SU-8胶，但氧化去胶方法不同程度地损坏电铸金属，使其力学性能与去胶前相比发生显著的变化。因此需要研究去胶对Ni金属弹性模量的影响，从而为执行机构设计提供准确的基本数据。针对目前运用比较普遍的两种去除SU-8胶方式：微波等离子下游化学刻蚀和强碱熔盐浴，分别进行了去胶实验，对去胶前后的电铸Ni金属进行了弹性模量和硬度测试。实验结果表明，电铸镍的杨氏模量在经过微波等离子下游化学刻蚀后下降18%，而经过强碱熔盐浴后下降36%，但硬度下降不明显。
SU-8负胶具有优异的力学性能、抗化学腐蚀性、热稳定性和生物兼容性，在MEMS工艺和器件中得到广泛应用。镍金属具有良好的力学性能和抗腐蚀性，因此常用来制作MEMS器件。在MEMS执行器中，弹性元件常采用电铸镍制作。SU-8经过经曝光显影后形成致密的交联网络结构是一种高分子聚合物，这种聚合物非常稳定，不溶于强酸强碱及常见的有机溶剂，尤其是在电铸金属结构后的SU-8胶的去除更为困难。目前的SU-8去胶技术，按去胶原理可分：机械物理去胶技术和氧化去胶技术。氧化去胶技术可以有效去除SU-8胶，但氧化去胶方法不同程度地损坏电铸金属，使其力学性能与去胶前相比发生显著的变化。因此需要研究去胶对Ni金属弹性模量的影响，从而为执行机构设计提供准确的基本数据。针对目前运用比较普遍的两种去除SU-8胶方式：微波等离子下游化学刻蚀和强碱熔盐浴，分别进行了去胶实验，对去胶前后的电铸Ni金属进行了弹性模量和硬度测试。实验结果表明，电铸镍的杨氏模量在经过微波等离子下游化学刻蚀后下降18%，而经过强碱熔盐浴后下降36%，但硬度下降不明显。
2016, 28: 064125.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064125
摘要:
采用分散聚合法制备了标称粒径为3 m的单分散交联型聚苯乙烯(PS)微球。相对于线型m级聚苯乙烯而言，交联型m级聚苯乙烯的耐热性和耐溶剂性明显提高，其玻璃化温度提高了28.6 ℃，在常用溶剂中保持不溶解状态。采用扫描电子显微镜(SEM)绝对测量法对交联型m级聚苯乙烯粒度标准物质进行定值，用美国国家标准技术研究院(NIST)的粒度标准物质校正其放大倍数。定值结果为2.84 m，扩展不确定度为0.08 m。采用F检验法和t检验法检验了样品的均匀性和稳定性。定值过程和均匀性、稳定性都符合国家二级粒度标准物质的要求。m级交联型聚苯乙烯微球粒度标准物质，可用于高温和腐蚀等极端环境下的粒度分析。
采用分散聚合法制备了标称粒径为3 m的单分散交联型聚苯乙烯(PS)微球。相对于线型m级聚苯乙烯而言，交联型m级聚苯乙烯的耐热性和耐溶剂性明显提高，其玻璃化温度提高了28.6 ℃，在常用溶剂中保持不溶解状态。采用扫描电子显微镜(SEM)绝对测量法对交联型m级聚苯乙烯粒度标准物质进行定值，用美国国家标准技术研究院(NIST)的粒度标准物质校正其放大倍数。定值结果为2.84 m，扩展不确定度为0.08 m。采用F检验法和t检验法检验了样品的均匀性和稳定性。定值过程和均匀性、稳定性都符合国家二级粒度标准物质的要求。m级交联型聚苯乙烯微球粒度标准物质，可用于高温和腐蚀等极端环境下的粒度分析。
2016, 28: 064126.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064126
摘要:
随着系统级封装（SIP）所容纳的电子元器件和集成密度迅速增加，传统的散热方法（热通孔、风冷散热等）越来越难以满足系统级封装的热管理需求。低温共烧陶瓷（LTCC）作为常见的封装基板材料之一，设计并研制了三种内嵌于LTCC基板的微流道，其中包括直排型、蛇型和螺旋型微流道（高度为0.3 mm，宽度分别为0.4, 0.5和0.8 mm）。通过数值仿真和红外热像仪测试相结合的方式分析了微流道网络结构、流体质量流量、雷诺数、材料热导率对内嵌微流道LTCC基板换热性能的影响，实验结果表明：当去离子水的流量为10 mL/min,热源等效功率为2 W/cm2时，直排型微流道的LTCC基板最高温度在3.1 kPa输入泵压差下能降低75.4 ℃，蛇型微流道的LTCC基板最高温度在85.8 kPa输入泵压差下能降低80.2 ℃，螺旋型微流道的LTCC基板最高温度在103.1 kPa输入泵压差下能降低86.7 ℃。在三种微流道中，直排型微流道具有最小的雷诺数，在相同的输入泵压差下有最好的散热性能。窄的直排型微流道（0.4 mm）在相同的流道排布密度和流体流量时比宽的微流道（0.8 mm）能多降低基板温度10 ℃。此外，提高封装材料的热导率有助于提高微流道的换热性能。
随着系统级封装（SIP）所容纳的电子元器件和集成密度迅速增加，传统的散热方法（热通孔、风冷散热等）越来越难以满足系统级封装的热管理需求。低温共烧陶瓷（LTCC）作为常见的封装基板材料之一，设计并研制了三种内嵌于LTCC基板的微流道，其中包括直排型、蛇型和螺旋型微流道（高度为0.3 mm，宽度分别为0.4, 0.5和0.8 mm）。通过数值仿真和红外热像仪测试相结合的方式分析了微流道网络结构、流体质量流量、雷诺数、材料热导率对内嵌微流道LTCC基板换热性能的影响，实验结果表明：当去离子水的流量为10 mL/min,热源等效功率为2 W/cm2时，直排型微流道的LTCC基板最高温度在3.1 kPa输入泵压差下能降低75.4 ℃，蛇型微流道的LTCC基板最高温度在85.8 kPa输入泵压差下能降低80.2 ℃，螺旋型微流道的LTCC基板最高温度在103.1 kPa输入泵压差下能降低86.7 ℃。在三种微流道中，直排型微流道具有最小的雷诺数，在相同的输入泵压差下有最好的散热性能。窄的直排型微流道（0.4 mm）在相同的流道排布密度和流体流量时比宽的微流道（0.8 mm）能多降低基板温度10 ℃。此外，提高封装材料的热导率有助于提高微流道的换热性能。
2016, 28: 064127.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064127
摘要:
近年来，随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展，光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜，其作为近红外光谱仪的核心部件，可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器，以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜，以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅，背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明：扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz，最大扭转角度为4.55，在800~1800 nm工作波长范围内，整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。
近年来，随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展，光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜，其作为近红外光谱仪的核心部件，可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器，以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜，以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅，背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明：扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz，最大扭转角度为4.55，在800~1800 nm工作波长范围内，整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。
2016, 28: 064128.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064128
摘要:
利用太赫兹大气传输衰减模型,比对太赫兹时域光谱系统的实验结果,结合最新的HITRAN数据库,发展了一个适用于纳米尺度的太赫兹信道分析模型。提出了一个0.1~5 THz宽的信道,分析了此信道在纳米尺度的传输损耗和最大传输数据率。研究结果表明,在纳米尺度0.1~5 THz宽的信道的传输数据率达几百Gbit/s,随着天线增益等硬件性能的不断提升,信道的最大传输数据率将达Tbit/s,此研究对于纳米器件之间的快速、大数据量的信息共享具有重要的参考价值。
利用太赫兹大气传输衰减模型,比对太赫兹时域光谱系统的实验结果,结合最新的HITRAN数据库,发展了一个适用于纳米尺度的太赫兹信道分析模型。提出了一个0.1~5 THz宽的信道,分析了此信道在纳米尺度的传输损耗和最大传输数据率。研究结果表明,在纳米尺度0.1~5 THz宽的信道的传输数据率达几百Gbit/s,随着天线增益等硬件性能的不断提升,信道的最大传输数据率将达Tbit/s,此研究对于纳米器件之间的快速、大数据量的信息共享具有重要的参考价值。
2016, 28: 064129.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064129
摘要:
为了提高超磁致伸缩换能器的作动行程，以获得足够大的发音强度，并使之满足发音装置体积小、装配零件少的要求，结合超磁致伸缩材料（GMM）的优良特性，提出一种基于三角放大原理的弓张式GMM换能器。该换能器以GMM棒作为驱动元件，通过固定弓张结构的一端，将双向输出转变为单向输出，同时利用柔性铰链结构，进一步增大换能器的位移输出。通过分析换能器的工作原理，计算得到其理论放大倍数为2.73，与所建立的有限元仿真模型计算得到的放大倍数2.8相近。制作了试验样机并搭建了相应的试验系统，得到在1 kHz范围内换能器最大输出位移为15.5 m，与仿真结果14.058 m相近。提出的弓张结构实现了换能器的位移放大，相应的分析方法也较好地反映了换能器的输出特性。
为了提高超磁致伸缩换能器的作动行程，以获得足够大的发音强度，并使之满足发音装置体积小、装配零件少的要求，结合超磁致伸缩材料（GMM）的优良特性，提出一种基于三角放大原理的弓张式GMM换能器。该换能器以GMM棒作为驱动元件，通过固定弓张结构的一端，将双向输出转变为单向输出，同时利用柔性铰链结构，进一步增大换能器的位移输出。通过分析换能器的工作原理，计算得到其理论放大倍数为2.73，与所建立的有限元仿真模型计算得到的放大倍数2.8相近。制作了试验样机并搭建了相应的试验系统，得到在1 kHz范围内换能器最大输出位移为15.5 m，与仿真结果14.058 m相近。提出的弓张结构实现了换能器的位移放大，相应的分析方法也较好地反映了换能器的输出特性。
2016, 28: 064130.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064130
摘要:
谐振式压力微传感器因其高精度、高稳定性及准数字输出等特性而广泛应用于气压监测、航空航天等领域。相较于其他结构,差分谐振式具有灵敏度高、线性度好及温度漂移小等优势。然而,要获得差分谐振式压力微传感器的最优性能,仍需解决差分谐振梁灵敏度不匹配的问题。在仿真与实验的基础上,对差分谐振式压力微传感器的灵敏度匹配特性进行了相关研究。根据研究结果,对传感器的结构参数进行了优化设计。两谐振梁的设计灵敏度为46 Hz/kP,实验结果显示中心梁的实际灵敏度为45 Hz/kPa,边梁的实际灵敏度为-44 Hz/kPa,差分输出的线性度高达0.999 999 9。
谐振式压力微传感器因其高精度、高稳定性及准数字输出等特性而广泛应用于气压监测、航空航天等领域。相较于其他结构,差分谐振式具有灵敏度高、线性度好及温度漂移小等优势。然而,要获得差分谐振式压力微传感器的最优性能,仍需解决差分谐振梁灵敏度不匹配的问题。在仿真与实验的基础上,对差分谐振式压力微传感器的灵敏度匹配特性进行了相关研究。根据研究结果,对传感器的结构参数进行了优化设计。两谐振梁的设计灵敏度为46 Hz/kP,实验结果显示中心梁的实际灵敏度为45 Hz/kPa,边梁的实际灵敏度为-44 Hz/kPa,差分输出的线性度高达0.999 999 9。
2016, 28: 064131.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064131
摘要:
采用限位块可以提高MEMS器件的抗冲击性能，但由于冲击环境中MEMS结构与限位块的碰撞过程可能产生较大的瞬间冲击以致器件失效，用弹性限位块可以有效解决上述问题，但是其防护效果会受到限位参数的影响。为了得到限位块最佳设计参数，首先建立了MEMS器件的冲击动力学模型，提取了影响MEMS器件冲击响应的因素，进而分析了限位块弹性系数、限位距对冲击响应的影响；最后提出了限位块的设计方法并给出了最终设计结果。结果表明：设计弹性限位块需要兼顾限位效果和缓冲性能，同时减小限位距也可显著提高微器件抗冲击性能。
采用限位块可以提高MEMS器件的抗冲击性能，但由于冲击环境中MEMS结构与限位块的碰撞过程可能产生较大的瞬间冲击以致器件失效，用弹性限位块可以有效解决上述问题，但是其防护效果会受到限位参数的影响。为了得到限位块最佳设计参数，首先建立了MEMS器件的冲击动力学模型，提取了影响MEMS器件冲击响应的因素，进而分析了限位块弹性系数、限位距对冲击响应的影响；最后提出了限位块的设计方法并给出了最终设计结果。结果表明：设计弹性限位块需要兼顾限位效果和缓冲性能，同时减小限位距也可显著提高微器件抗冲击性能。
2016, 28: 064132.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064132
摘要:
总磷是检测水体富营养化的重要指标，因此研究其消解具有重要的意义。总磷的消解方法有很多，例如传统的高温消解、微波消解、紫外消解、电催化消解、光催化消解等，但是既高效又简易洁净的消解方法仍在不断的研究中。研究了一种基于光电催化的总磷的消解方法，通过在二氧化钛工作电极和对电极之间外加适当的电压来减少电子-空穴对的复合。介绍了用于总磷的光电催化消解中的光催化剂的二氧化钛纳米管的阳极氧化法制备、特性表征及其用于总磷的光电催化消解。阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管具有较好的催化活性。将其用于总磷的光电催化消解实验，当2 V电压协助光催化消解2 h后，消解率达到65.4%，较光催化高了20.7%，较电催化高了61.3%。实验结果表明，与光催化消解、电催化消解方法相比，通过在工作电极和对电极之间添加适当的外加电压的光电催化消解方法可以有效地提高总磷的消解率。
总磷是检测水体富营养化的重要指标，因此研究其消解具有重要的意义。总磷的消解方法有很多，例如传统的高温消解、微波消解、紫外消解、电催化消解、光催化消解等，但是既高效又简易洁净的消解方法仍在不断的研究中。研究了一种基于光电催化的总磷的消解方法，通过在二氧化钛工作电极和对电极之间外加适当的电压来减少电子-空穴对的复合。介绍了用于总磷的光电催化消解中的光催化剂的二氧化钛纳米管的阳极氧化法制备、特性表征及其用于总磷的光电催化消解。阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管具有较好的催化活性。将其用于总磷的光电催化消解实验，当2 V电压协助光催化消解2 h后，消解率达到65.4%，较光催化高了20.7%，较电催化高了61.3%。实验结果表明，与光催化消解、电催化消解方法相比，通过在工作电极和对电极之间添加适当的外加电压的光电催化消解方法可以有效地提高总磷的消解率。
2016, 28: 064133.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064133
摘要:
薄膜体声波谐振器(FBAR)性能模型包含两个关系式：一个是FBAR有效机电耦合系数与其形状因子(面积与周长之比)的关系式，另一个是FBAR品质因数与其形状因子的关系式。前一个关系式中的参数为FBAR边缘区域的等效宽度，后一个关系式中的参数为表征FBAR横向声能泄漏的因子。为使性能模型用于不同膜层结构、材料及制备工艺的FBAR，建立FBAR性能模型参数的提取流程。以一种5层复合结构的FBAR为例，在同一晶片上，制备多个不同形状因子的FBAR。针对其中一个五边形FBAR，在ADS软件中通过Mason电路模型仿真得到其性能值(有效机电耦合系数和品质因数)；再使用矢量网络分析仪和射频探针台实测其性能值。将仿真与实测得到的性能值代入FBAR性能模型，解算出这两个参数。确定参数之后，使用FBAR性能模型预测同一晶片上其它不同性能因子FBAR的有效机电耦合系数和品质因数，预测值的相对误差在3%之内，验证了该参数提取流程的有效性。
薄膜体声波谐振器(FBAR)性能模型包含两个关系式：一个是FBAR有效机电耦合系数与其形状因子(面积与周长之比)的关系式，另一个是FBAR品质因数与其形状因子的关系式。前一个关系式中的参数为FBAR边缘区域的等效宽度，后一个关系式中的参数为表征FBAR横向声能泄漏的因子。为使性能模型用于不同膜层结构、材料及制备工艺的FBAR，建立FBAR性能模型参数的提取流程。以一种5层复合结构的FBAR为例，在同一晶片上，制备多个不同形状因子的FBAR。针对其中一个五边形FBAR，在ADS软件中通过Mason电路模型仿真得到其性能值(有效机电耦合系数和品质因数)；再使用矢量网络分析仪和射频探针台实测其性能值。将仿真与实测得到的性能值代入FBAR性能模型，解算出这两个参数。确定参数之后，使用FBAR性能模型预测同一晶片上其它不同性能因子FBAR的有效机电耦合系数和品质因数，预测值的相对误差在3%之内，验证了该参数提取流程的有效性。
2016, 28: 064134.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064134
摘要:
研究了不同紫外辐照时间对聚醚酰亚胺(PEI)薄膜介电性能的影响。采用FT-IR和SEM表征了PEI薄膜的分子结构和微观形貌。结果表明，紫外辐照后PEI薄膜在1742 cm-1处的吸收峰比原薄膜增大，说明PEI分子链中的C=O基团随辐照时间的增加而增加，并在薄膜表面产生了微裂纹。对PEI薄膜的介电性能进行的研究结果表明，随着紫外辐照时间的增加，PEI薄膜的介电常数和介电损耗增大，而表面电阻率下降，体积电阻率基本不变。并随紫外辐照时间的增加，直流击穿强度呈先增加后降低的趋势，一定辐照剂量可使薄膜发生交联反应，使击穿场强较原薄膜提高20%以上。
研究了不同紫外辐照时间对聚醚酰亚胺(PEI)薄膜介电性能的影响。采用FT-IR和SEM表征了PEI薄膜的分子结构和微观形貌。结果表明，紫外辐照后PEI薄膜在1742 cm-1处的吸收峰比原薄膜增大，说明PEI分子链中的C=O基团随辐照时间的增加而增加，并在薄膜表面产生了微裂纹。对PEI薄膜的介电性能进行的研究结果表明，随着紫外辐照时间的增加，PEI薄膜的介电常数和介电损耗增大，而表面电阻率下降，体积电阻率基本不变。并随紫外辐照时间的增加，直流击穿强度呈先增加后降低的趋势，一定辐照剂量可使薄膜发生交联反应，使击穿场强较原薄膜提高20%以上。
2016, 28: 064112.
doi: 10.11884/HPLPB201628.064112
摘要:
采用微硅锆钛酸铅（Si-PZT）悬臂梁结构并在悬臂梁末端附加镍质量块,构成可以工作于低频环境（小于1 000 Hz）的微压电能量采集器,一种利用压电效应将环境振动能转换为电能的器件。利用金薄膜作为中间层的共晶键合技术和PZT研磨减薄技术制备了微压电悬臂梁结构,PZT减薄实验最好结果为减薄至8 m。镍质量块（2 mm2 mm0.6 mm）采用微电铸工艺制备。通过对硅片与块材PZT的共晶键合工艺与PZT减薄技术的研究,制备出总厚度约为71 m的Si-PZT悬臂梁结构,其中硅梁厚约为47 m,PZT梁厚约为24 m。制备的微压电振动能量采集器样品的测试结果表明：在谐振频率为950 Hz,1.0g加速度激励条件下,其交流输出峰值电压可达958 mV。
采用微硅锆钛酸铅（Si-PZT）悬臂梁结构并在悬臂梁末端附加镍质量块,构成可以工作于低频环境（小于1 000 Hz）的微压电能量采集器,一种利用压电效应将环境振动能转换为电能的器件。利用金薄膜作为中间层的共晶键合技术和PZT研磨减薄技术制备了微压电悬臂梁结构,PZT减薄实验最好结果为减薄至8 m。镍质量块（2 mm2 mm0.6 mm）采用微电铸工艺制备。通过对硅片与块材PZT的共晶键合工艺与PZT减薄技术的研究,制备出总厚度约为71 m的Si-PZT悬臂梁结构,其中硅梁厚约为47 m,PZT梁厚约为24 m。制备的微压电振动能量采集器样品的测试结果表明：在谐振频率为950 Hz,1.0g加速度激励条件下,其交流输出峰值电压可达958 mV。
