受环境因素的影响，压电谐振器的共振频率会发生漂移。调谐技术因采用特定的手段主动调节共振频率而得到广泛应用，但传统附加质量块、激光烧蚀等机械调谐技术费时费力，灵活性不好。针对方体压电谐振器该文提出了一种激励信号幅值调谐和直流调谐的电调谐方法，可精密调节谐振器的共振频率。设计了一种基于ZYNQ系列主控芯片的数字化测控电路，实现了振子扫频激励、输出信号的幅值相位检测，为激励信号幅值调谐和直流调谐提供了实验硬件平台。实验结果表明，激励信号幅值调谐的共振频率变化范围为347, 850~348, 000 kHz，直流调谐的调节范围为347, 720~347, 820 kHz。该技术为压电谐振器共振频率精密调节提供可靠的理论与实践途径。

超声谐振谱(RUS)是一种压电材料单样品定征技术, 避免了多样品造成的结果不自洽问题。现有的谐振谱激励方法常使用超声换能器定点激励-拾取, 需要有复杂的测试装置。该文提出了一种电极激励-拾取法来获取压电谐振器的超声谐振谱, 该方法测试装置简单, 同时还可获得模态振型的对称特性, 避免了反演过程中峰丢失和错峰拟合。基于现场可编程门阵列(FPGA)技术搭建了压电谐振器分组扫频激励电路, 通过电荷放大器拾取谐振峰。结果表明, 通过Levenberg-Marquardt算法可完成测试频谱和计算频谱的匹配, 成功获得了优化后压电材料参数。

为使微机电系统(MEMS)压电谐振器工作在谐振频率点并使其输出信号幅值稳定, 该文采用基于现场可编程门阵列(FPGA)数字化的双闭环控制算法来实现共振频率跟踪和稳幅激励, 数字化双闭环控制算法包含锁相闭环算法和稳幅闭环算法; 采用模数转换器(ADC)对压电谐振器输出信号采样, 使用两路正交信号对被采样信号的相位和幅值解调; 采用数字锁相环技术实现了压电谐振器谐振频率的跟踪激励。为减小压电谐振器在谐振处输出信号幅值的波动, 采用数字稳幅技术实现了压电谐振器输出信号幅值的稳定控制。实验结果表明, 电路能将驱动信号和输出信号相位差锁定在93.89°~95.95°, 输出信号的幅值稳定在496~504 mV, 达到了很好的谐振频率跟踪和稳幅效果。

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。

针对压电谐振器振动特性分析的应用需求, 构建了一种小型化、廉价的矢量分析系统。系统采用STM32控制4路DDS芯片产生驱动信号和矢量解析正交信号。通过向DDS芯片写频率控制字, 对压电谐振器进行扫频驱动。同时采用STM32内置ADC, 采样并计算获取各频率点压电谐振器输出信号的幅值和相位。通过提取压电谐振器两个特殊振动模态下的共振频率、品质因数(Q值)、输出信号相位等振动特性参数, 获得驱动信号对这些参数的影响规律, 系统分析了驱动信号对压电谐振器振动特性的影响, 为压电谐振器的驱动、信号检测提供了有效的技术途径, 实验结果为压电谐振器振动特性分析提供了依据。

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。

压电式微固体模态陀螺振子通过交变电压激振、传感电极感应出电荷。当激励电压频率为某阶振动模态谐振频率时, 感应电荷达到最大值。设计了谐振频率自动跟踪电路, 使陀螺稳定工作在谐振模态。使用现场可编程门阵列(FPGA)控制直接数字频率合成器(DDS)产生频率精确可调的激励电压, 驱动陀螺振子振动。检测谐振点对应的激励电压和感应信号间的相位差, 作为反馈信号调节激励电压频率。实验结果表明, 当相位差锁定区域处在98.48°~100.27°时, 振子感应电极输出信号最大, 振子处于谐振状态, 实现了振子谐振频率的跟踪锁定。该系统可用于以谐振器为核心器件的振子工作模态锁定与跟踪。

针对流速传感器大多存在测量量程小、柔性小而无法适应较大量程和复杂曲面的测量问题, 提出了一种宽量程柔性MEMS流速传感器, 结合热损失和热温差的工作原理实现对流速的测量。选取聚酰亚胺(PI)作为柔性衬底材料和铂(Pt)薄膜为热敏材料, 采用金属牺牲层MEMS工艺制造了带空腔的柔性流速传感器芯片, 尺寸为9 mm×7 mm×30 μm。设计了采用双惠斯通电桥的恒温差测控电路。测量结果表明: 制造的柔性MEMS流速传感器的TCR为0.2418%/℃, 实验实现了0~36 m/s的输入风速测量, 在低速、高速段内的灵敏度分别为2和0.295 mV/(m/s)。同时, 测量电路还展现出良好的温度补偿效应。所提出的柔性MEMS流速传感器具有宽量程、测试精度高、灵敏度高和易于实施温度补偿的优点, 有望用于航空航天、**等领域。

提出了一种新型的基于阳极键合的硅微圆盘多环谐振陀螺的结构设计及其制作方法。该种陀螺采用MEMS工艺制作而成，基底材料为肖特BF33玻璃，电极和谐振器均由单晶硅片加工而成，肖特BF33玻璃与单晶硅片通过阳极键合工艺键合在一起。介绍了该种陀螺的基本结构、工作原理，并进行了仿真分析，得出该种陀螺具有较小的频率分裂，表现出陀螺效应。最后，通过MEMS工艺进行了实际加工，得到了该种陀螺的实验样品。

磁悬浮转子微陀螺利用电磁涡流实现微转子的悬浮支撑和高速旋转,是一种精度可达惯性级的新颖MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺.讨论和研究了这种新颖微陀螺的悬浮支撑、高速转动、位置检测及加矩稳定的原理,并给出了相应的微转子、定子悬浮线圈、旋转线圈、稳定线圈、传感电极的设计原则和方法.设计了一个转子直径2 200μm、厚度25 μm,定子线圈线宽10μm、厚度5μm,悬浮励磁频率10 MHz、旋转励磁频率2 MHz的微陀螺,解决了三维非硅准LiGA技术加工微陀螺中的引线、绝缘、摩擦柱成型问题,并进行了相关的陀螺悬浮旋转试验,该陀螺在空气环境下能够以1000 r/min旋转,悬浮高度200μm,说明这种陀螺的原理和设计方法是可行的.