针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题, 该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型, 并制作了实验样机, 研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下, 磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明, 随着磁极对间距减小, 带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱, 由此确定最佳磁极对间距为12 mm, 谐振频率为18 Hz, 最大输出均方根电压达到12.01 V, 采集器有效工作频率为15.5~22.5 Hz, 工作带宽达到7 Hz, 带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带, 在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。

研究了由探测光和泵浦光同时驱动下的复合旋转光力系统中的非线性行为，如光学双稳态行为和四波混频（FWM）现象。通过操控光力腔旋转速率大小和方向能有效调控旋转诱导产生的 Sagnac频移大小，进而能有效操控光学双稳态行为。进一步研究了该系统中的FWM现象，发现光力腔的旋转方向和旋转速率都会影响系统的FWM强度谱线，同时FWM强度减小或增大会加剧或抑制系统共振区域的模式分裂现象。此外，还探讨了外力对复合旋转光力系统中FWM现象的影响，发现：外力会破坏系统FWM强度谱的对称性，并且在同一旋转速率下，外力的增强会使得FWM强度显著增大；在同一外力下，旋转速率的增大会降低系统的FWM强度。

针对振动能量采集器对环境中振动能量响应频带较窄的问题, 该文提出了一种弹性支承外部磁铁的非线性切断式二自由度压电能量采集器。该弹性支承保证了能量采集器处于双稳态中, 实现了能量采集器的宽频带响应。建立了采集器的集中参数理论模型, 并研究了不同频率的正弦外界激励下该能量采集器弹性支承外部磁铁与内梁自由端磁铁的间距值变化对采集器电压输出和采集频带的影响。仿真和实验结果表明, 随着弹性支承的外部磁铁和内梁自由端磁铁的间距逐渐减小, 采集器的均方根电压输出逐渐增大, 其采集频带也相应被拓宽。当能量采集器的水平间距值从10 mm调整为5 mm时, 该能量采集器一阶谐振频率的均方根电压增长了1.5倍, 同时二阶谐振频带拓宽了2.25倍。

针对流速传感器的高分辨率需求, 提出了一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器。该传感器由纤毛、电极层、上部结构层、中间连接层和下部支撑层等多层结构构成, 其中上部结构层一方面采用不对称梳齿结构实现差分电容检测, 另一方面布置周期性调制梳齿实现系统势能函数呈现双稳态。通过流体-固体力学-静电多物理场耦合分析, 得到电容随流速的变化关系, 分辨率优于0.001m/s, 另外通过调制梳齿的静电场分析, 绘制出系统势能函数曲线。最后, 基于MEMS加工技术, 通过设计合理的工艺流程制备出了该传感器。

研究单层石墨烯的三阶非线性和光双稳态效应。通过理论分析和数值模拟,改变单层三阶非线性石墨烯的费米能级、弛豫时间、双光子吸收系数及温度条件,调制单层三阶非线性石墨烯光双稳态的阈值大小。单层三阶非线性石墨烯的费米能级越大,温度越高,则光双稳态的阈值越大;双光子吸收系数越大,双稳态的低阈值越大;弛豫时间和双光子吸收系数会明显地改变石墨烯结构的光透射率,而光透射率则对石墨烯材料自身温度不敏感。该结论可为设计各类微纳结构的光子器件如光开关和光传感等提供理论依据。

从实验和理论上研究了InGaAsP多量子阱(Multi-Quantum-Well, MQW)双区共腔(Common Cavity Tandem Section, CCTS)结构半导体激光器的吸收区偏置状态对双稳态特性的影响。实验结果表明: 随着可饱和吸收区上的负偏置电压的增大, 激光器P-I曲线中双稳态特性更加明显, V-I曲线有负微分电阻, 当偏压加至-3 V时, 回滞曲线环宽度增加至13.5 mA, 开关比达到21: 1。理论分析表明, 利用吸收区的高负偏置态和短载流子逃逸时间能获得更好的双稳态特性。最大107: 1的开关比也说明双区共腔激光器能在两稳态之间实现非常明确的转换。

单双稳态转换逻辑单元(MOBILE)是基于共振隧穿二极管(RTD)电路的一个重要逻辑单元, 非常适合阈值逻辑电路设计。由MOBILE可以构成阈值逻辑门(TG)和广义阈值逻辑门(GTG)等阈值逻辑电路。本文通过将三变量异或函数转化为较简单、理想的GTG输入输出函数形式, 设计了由GTG构成的新型三变量异或门, 并利用该三变量异或门设计了新型的全加器。通过HSPICE仿真和性能比较, 该全加器不仅器件数量少, 输出延时短, 而且能达到较高的工作频率、更小的电路功耗与功耗-延迟积。

基于轴向挤压后屈曲模态的双稳态结构, 其跳转力、保持力和跳转行程等双稳态特征与预应力分布和后屈曲模态密切相关, 使得难以通过仅调整预压缩量来实现特定双稳态指标的设计。本文提出引入局部加强体调控预压双稳态梁临界屈曲载荷、应力分布及跳转特征的方法, 建立了具有对称局部加强体的预压双稳态梁跳转分析模型, 分析了预应力、加强体尺寸参数和位置对屈曲临界载荷、跳转力和行程的影响规律。结果表明: 局部加强体不影响原结构跳转力和保持力相等的特征; 与尺寸参数相比加强体位置参数对跳转力有较大影响, 随着位置的变化, 跳转力存在由大变小再变大的变化过程, 且调控同行程双稳态梁跳转力的幅度可达17.04%; 跳转行程主要依赖于局部加强体的刚度和所承受的预应力。

设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH), 用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励, 并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式; 然后, 建立仿真模型, 对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后, 加工了实验样机, 并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明, 当受到沿胫骨方向的激励时, 压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压; 受到沿胫骨和脚面两个方向激励时, 压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8 km/h时, 每根压电梁的峰值电压可达到10 V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量, 并能够同时收集两个方向的加速度能量, 提高了压电梁的发电性能。

采用统一色噪声近似构建了由乘法色噪声驱动的纯吸收型光学双稳态状态方程, 并分析了色噪声对光学双稳态的影响, 将结果与白噪声驱动的光学双稳态进行比较.结果表明: 当乘法噪声与加法噪声处在正关联时, 增加乘法色噪声的自关联时间τ, 光学双稳性的区域显著变宽, 即磁滞回线面积变大; 当乘法噪声与加法噪声处在负关联时, 只有乘法噪声较小时, 改变乘法色噪声的自关联时间τ, 光学双稳态才发生改变; 当乘法噪声的自相关时间等于零时, 本文模型退化为乘法白噪声驱动的光学双稳性状态方程.