中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT), 其具有宽频带, 易与电子电路集成制作等优势, 在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征, 该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论, 由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性, 为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。
电容式微机械超声换能器 薄板振动 声场 声轴声压 指向性 声发射特性 CMUT thin plate vibration sound field axial sound pressure directivity acoustic emission characteristic
中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
该文设计、制作并测试了一种用于实时三维超声成像的电容式微机械超声换能器(CMUT)二维面阵。根据二维面阵指向性分析, 设计了中心频率1 MHz、阵元间距0.7λ(λ为波长)的16×16阵元CMUT二维面阵, 并利用硅-绝缘体上硅(Si-SOI)键合工艺完成了CMUT二维面阵的加工。通过对CMUT二维面阵进行电容-电压(C-V)测试, 发现静态电容测试值与设计值基本一致, 测量了CMUT二维面阵中64个阵元的电容, 测量的平均电容为26.3 pF, 其标准差为4.27 pF, 验证了所制造的器件具有良好的均匀性。在水中测试了CMUT二维面阵的超声发射和接收功能, 得到测试距离与实际距离偏差不到1%, 实验表明, 不同距离下CMUT的发射和接收能力良好。
电容式微机械超声换能器(CMUT) 二维面阵 硅-绝缘体上硅(Si-SOI)键合 电容-电压(C-V)测试 收发特性 CMUT 2D array Si-SOI bonding C-V test transceiver characteristic
中北大学 动态测试省部共建实验室,山西 太原 030051
为了更好地实现乳腺癌的早期精确诊断, 设计了一种基于聚焦环阵的新型超声CT成像系统。256个电容式微加工超声换能器（CMUT）环形分布于乳腺四周, 采用64个换能器发射, 对面64个换能器接收的方式进行, 在COMSOL中依次进行256次仿真来实现环形扫描。根据超声相控阵原理进行发射聚焦后, 采用滤波反投影算法进行图像重建。聚焦到乳腺外部时, 重建偏差值小于0.05%, 聚焦到4号肿瘤时, 该区域重建偏差值仅为0.002%。实验结果表明, 该系统可以用于乳腺癌的早期精确诊断, 且能提高内部肿瘤的检测质量。
超声 相控阵 断层成像 滤波反投影算法 ultrasound phased array tomography COMSOL COMSOL filtered back projection algorithm
中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原030051
该文提出一种新型声表面波三轴加速度传感器, 并对传感器进行了建模和有限元仿真分析, 获得了不同加速度载荷下传感器结构的位移和应变分布。该传感器采用四端五梁结构, 通过谐振器位置和算法的设计消除了温度漂移对x、y轴向加速度响应的影响,并实现了各轴向加速度的解耦。从理论和仿真上验证了所提出的三轴加速度传感器整体设计的可行性。结果表明, 对传感器结构的模态分析为避免实际应用中对传感器的破坏提供了一定的依据。对所设计传感器进行模态分析, 求得传感器的固有频率, 以规避传感器的共振损伤。
声表面波(SAW) 硅酸镓镧 有限元模型 加速度传感器 温度漂移 surface acoustic wave(SAW) langasite finite element modeling acceleration sensor temperature drift
Author Affiliations
Abstract
1 Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan 030051, China
2 Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China
A vapor cell provides a well-controlled and stable inner atmosphere for atomic sensors, such as atomic gyroscopes, atomic magnetometers, and atomic clocks, and its hermeticity affects the stability and aging of atomic sensors. We present the micro-fabrication of a micro-electromechanical system wafer-level hermit vapor cell based on deep reactive ion etching and vacuum anodic-bonding technology. The anodic-bonding process with the voltage increasing in steps of 200 V had a critical influence on vapor cell hermeticity. Further, the silicon–glass bonding surface was experimentally investigated by a scanning electron microscope, which illustrated that there were no visual cracks and defects in the bonding surface. The leak rate was measured using a helium leak detector. The result shows that the vapor cells with different optical cavity lengths comply with the MIL-STD-883E standard (5 × 10 8 mbar·L/s). Moreover, D2 absorption spectroscopy was characterized via optical absorption. The bonding strength was determined to be 13 MPa, which further verified the quality of the vapor cells.
020.1335 Atom optics 020.1670 Coherent optical effects 110.3960 Microlithography 300.6460 Spectroscopy, saturation Chinese Optics Letters
2019, 17(10): 100201
1 太原理工大学 信息工程学院, 太原 030024
2 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室-微纳系统研究中心, 太原 030024
3 中北大学 计算机与控制工程学院, 太原 030051
SOI纳米光波导表面粗糙度会显著增加波导散射损耗, 降低表面粗糙度是其在许多方面应用中亟待解决的关键问题之一。首先介绍了表面粗糙度概念, 总结了表面散射损耗理论方面的研究进展。随后回顾了多种SOI纳米光波导表面粗糙度测量方法, 以及在表面形貌表征中存在的问题。此外, 还对几种波导表面光滑工艺进行介绍, 并结合具体的工作对光波导表面粗糙度各方面研究进展进行了总结。
集成光学 光波导 表面粗糙度 散射损耗 integrated optics optical waveguide surface roughness scattering loss
1 中北大学, 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学, 电子测试技术国防科技重点实验室, 山西 太原 030051
绝缘衬底上的硅材料制备的光学微环谐振腔结构具有高灵敏度、 结构尺寸小和极低模式体积等特性, 被广泛应用到光信息传递、 惯性导航领域, 但极少被应用到力学信号的测试, 为此, 研究了一种基于硅基光学微环谐振腔结构的悬臂梁式应力/应变敏感计, 利用微环谐振腔环形波导径向形变量作为感应应力的中间物理量, 在外界应力作用下, 环形波导的半径将发生改变, 使结构的光学谐振参数产生变化, 从而使光学微环谐振腔谐振谱线发生明显红移, 体现出良好的应力/应变敏感特性; 通过设计双环级联光学微腔, 并采用MEMS光刻、 ICP腐蚀工艺制备了嵌入式光学微腔应变计结构, 结合理论计算了悬臂梁结构的应力应变敏感特性, 经仿真及实验得到, 应变计结构的应力/应变灵敏度分别为0.185 pm·kPa-1, 18.04 pm·microstrain-1, 与单环微腔结构相比, 线性量程增加了近50.3%, 应力灵敏度提高了近10.6%, 初步验证了嵌入式光学微腔结构进行高灵敏度应力/应变检测的可行性, 有望实现新型光学力敏传感器件的微型化、 集成化。
应变检测 光学谐振腔 谐振谱线 绝缘衬底上的硅 Strain detection Optical resonator Resonant spectrum Silicon-on-insulator
1 太原理工大学 信息工程学院 微纳系统研究中心,山西 太原 030024
2 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室,山西 太原 030024
低损耗高Q值硅基纳米光波导谐振腔,是高灵敏探测器、生物传感器、光通讯器件等发展的关键。而波导表面粗糙度会造成较大的光传输损耗,是制约硅基纳米光波导谐振腔Q值提高的一个重要因素。降低硅基纳米光波导表面粗糙度已成为光波导器件发展的一个关键问题,氢退火工艺是当前改善波导表面粗糙度的一种关键技术。基于表面硅氢键流密度理论,利用Materials Studio软件模拟氢退火光滑化处理过程中硅与氢之间的反应,搜索反应过渡态,探究硅氢键、温度等因素对反应的影响。结果表明: 在高温氢退火氛围下,波导表面硅原子与氢原子之间能够形成硅氢键,且温度越高,在硅氢键作用下表面硅原子迁移速率越快,表面由高能态向低能态过渡,表面光滑化效果越明显。
光波导 硅氢键 光滑化 waveguide silicon hydrogen bond smoothing 红外与激光工程
2016, 45(8): 0816001
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
2 中北大学 电子测试技术国家重点实验室, 太原 030051
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。
水听器 潜标 数据采集 MEMS MEMS vector hydrophone submerged buoy data acquisition 强激光与粒子束
2016, 28(6): 064103
1 中北大学 电子测试技术重点实验室, 太原 030051
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
MEMS仿生矢量水听器是一种新型水声传感器,其工作性能决定于内部MEMS声电换能微结构的几何、材料及流体环境参数。为深入探讨该水听器的工作机理并提高其工作性能,针对其内部微结构通过合理的简化建立了相应的单自由度等效力学模型,并推导出理想流体环境下该微结构一阶固有频率与其几何、材料及流体环境参数间的解析表达式。在此基础上,推导出现有水听器微结构的一阶固有频率,并搭建实验平台进行验证,实验结果表明理论值与实验值间的相对误差低于5%,从而验证了该力学模型的有效性,为水听器的设计及优化提供了理论基础和参考依据,同时也为具有类似结构的传感器的性能分析奠定了基础。
仿生纤毛 矢量水听器 力学模型 固有频率 MEMS MEMS bionic cilium vector hydrophone mechanical model natural frequency 强激光与粒子束
2016, 28(2): 024101
