仪器仪表学报

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• MEMS基MOS气体传感器微加热器设计综述

  蒋安炎，皮梓岐，杨璐佳，夏宇

  金属氧化物半导体(MOS)气体传感器的敏感材料需要在200℃~500℃温度下才能与目标气体发生充分且可控的化学反应。微机电系统(MEMS)技术实现了气敏薄膜、加热器和信号处理电路等的单芯片集成，从而显著降低功耗和体积。其中，微加热器作为为气体传感器提供稳定工作温度的重要器件，其设计对传感器的性能有着重要的影响。微加热器的电极形态、尺寸、材料等决定了微热板的温度、功耗、应力等性能。而微加热器的温度均匀性、温度范围、温度响应时间、功耗表现与机械稳定性等共同决定了传感器的灵敏度、选择性、寿命与可靠性。本综述系统梳理了近5年微加热器的研究现状，及其优化设计对传感器性能的影响。首先，介绍了半导体的气敏机理和工作温度对性能的影响，并在此基础上介绍了微加热器的热传导、热对流与热辐射理论，归纳了不同研究方法对其模型的估算和优化。其次，详细阐述了微加热器形态结构方面的国内外研究现状，主要包括微加热器的几何设计、隔热结构、悬梁优化和微热阵列，并探讨了这些结构优化对传感器气敏性能的影响。然后，列举了不同材料所设计的微加热器，并对其机械稳定性和电热性能进行评价。最后，对研究现状和关键性能参数进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望，为通过优化微加热器提升半导体气体传感器性能提供了思路。

• 基于脉冲光泵浦的单光束 SERF 原子磁强计研究

  闫一凡，刘泽华，陆吉玺

  在单光束无自旋交换弛豫（SERF）原子磁强计中，由于原子对光的强烈吸收作用导致气室内极化不均匀，降低磁强计性能。受限于单光束构型的紧凑体积，极化均匀性提升较困难。针对该问题，提出一种脉冲光泵浦单光束SERF原子磁强计，用短时间、大功率的泵浦光代替稳态泵浦光，在保持单光束SERF磁强计原有构型基础上，抑制由于光吸收造成的极化梯度。基于偏置磁场辅助模式建立了脉冲光泵浦条件下单光束磁强计的动力学模型和响应信号模型，利用模型求解并证明了增大泵浦光功率有益于极化均匀性提升。从磁强计响应与光电探测器散粒噪声角度，求解信噪比最大时的最佳脉冲占空比为37%，与占空比为50%的情形信噪比接近。针对单光束构型紧凑性的特点，基于1×2光纤化光开关搭建了小型化验证装置，实验采用50%占空比从而可分时驱动两台磁强计，且保持信噪比几乎不下降。在50%占空比的脉冲光泵浦实验条件下，在3mm方形铷-87原子气室中，使磁强计响应最强的最佳泵浦光功率从稳态时的0.9mW提升至1.7mW。用光透过气室的平均极化率与入射位置处极化率比值表征极化均匀性，相应极化均匀性提升46%，磁场测量灵敏度从14fT/Hz1/2提升至12fT/Hz1/2。所提方法有望提升阵列式、集成化的极弱磁场测量装备的灵敏度，应用于高性能心磁图仪和脑磁图仪中。

• 基于直写式超声传感阵列的裂纹非线性导波检测

  周梓晗，李叶海，付汝龙，洪晓斌，郭师峰

  针对航空航天飞行器结构上因紧固件孔周围应力集中导致的早期微裂纹精度检测需求，以及传统压电超声传感器结构兼容性不足、常规线性导波检测方法对微裂纹敏感度有限的挑战，提出了一种基于直写式压电超声传感阵列的导波非线性检测方法，旨在实现微米级裂纹的高灵敏度识别。该方法通过结合导波非线性效应，设计并制备了一种局部增强型传感阵列，由外侧环形基频（0.5MHz）激励单元与内侧弧形倍频（1MHz）接收单元构成，以优化非线性信号的激发与接收。利用直写式压电超声传感器制备工艺，实现了超薄柔性聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（P(VDF-TrFE)）压电超声传感阵列与待测结构表面的原位一致性集成，避免了传统耦合方式带来的信号不稳定问题。在此基础上，提出多路径脉冲收发检测策略，通过阵列接收的超声信号进行频域分析与特征提取，计算了表征裂纹非线性响应的关键参数——相对非线性系数，实现了裂纹位置识别，并建立其与裂纹长度（2.5、4和6mm）之间的量化关系。实验结果表明，所提方法能有效捕获导波非线性特征的演化趋势，实现了对早期微裂纹的尺寸与扩展方向的可靠检测，为航空航天结构关键区域的原位、高精度检测提供了一条具有前景的新技术途径。

• 外速度辅助的低成本水平姿态测量方法

  奔粤阳，龚胜，王健成，孙炎，李倩

  在低成本捷联惯性导航系统（SINS)中,水平姿态的解算依赖于加速度计提供的比力测量值来跟踪重力矢量。在机动条件下,加速度计测量的比力信息耦合了运动加速度与重力加速度,二者难以有效分离,导致基于重力矢量参考的水平姿态解算误差增大,严重制约了低成本捷联惯导系统在动态场景下的实用性与可靠性。故提出一种无需复杂动态建模和特定场景假设的外速度辅助的低成本水平姿态测量方法。该方法的核心在于利用外部提供的速度信息来直接估计并补偿由运动加速度引起的水平姿态误差。首先,根据微机电系统(MEMS)惯性传感器的精度特性对捷联惯性导航更新算法及误差模型合理简化;其次,深入推导并建立了东向/北向速度增量误差与水平失准角之间的解析关系;基于此,利用外部速度信息构建量测方程,直接估计由运动加速度引起的水平失准角,进而实现对水平姿态的实时修正。为验证该方法的有效性,分别进行了模拟摇摆环境的转台试验及真实机动条件下的车载试验。试验结果表明,该方法的水平姿态测量精度优于0.02°(RMS);在摇摆环境下,与基于重力矢量参考的水平姿态测量方法精度相当;在机动条件下,较常规组合导航算法,纵摇角、横摇角均方根误差(RMSE)分别降低了44.8%和47.3%,验证了其在动态环境下的有效性和鲁棒性。

• 光纤Fizeau腔超快爆炸冲击波压力传感器

  贺达，王俊杰，朱亚凯，熊俊杰，刘腾

  为解决传统机电式与压电压阻式传感器在爆炸冲击波等极端电磁环境下易受干扰、响应滞后及上升沿难以捕捉的问题，提出并制备了基于法布里-珀罗（F-P）干涉原理的全石英Fizeau腔光纤微型动态压力传感器，该传感器兼具高灵敏度、高频响与高空间分辨率特性。其传感单元由直径125μm的单模光纤、石英毛细玻璃管及无芯光纤熔接构成，通过限长研磨与40%HF化学腐蚀工艺，将无芯光纤压力敏感膜片厚度精确至2~3μm，实现近似理想双光束正弦干涉输出。为实现瞬态压力的高精度反演，采用三波长光源激励与任意确定性相位间隔的被动零差解调技术，实时提取冲击载荷下腔长变化引发的干涉相位偏移；结合三通道电压归一化与相位跳变补偿算法，有效抑制插入损耗差异与量化噪声对测量精度的影响。静态标定实验表明，传感器在量程范围内均处于弹性工作区，其中0~60MPa量程线性度达2.23%FS、重复性优于2%、回程误差<0.1%。激波管动态测试结果显示，当高速光电探测器谐振频率设置为20MHz、响应时间为8ns时，传感器系统动态响应时间<50ns，可准确重构冲击波压力—时间波形。该传感器兼具微尺度探测与高频响特性，适用于爆炸冲击及强激光诱导近场等离子体冲击等极端工况下的瞬态压力测试，并可在强电磁与高冲击条件下保持稳定输出，具有一定工程应用价值。

• 音叉谐振微陀螺机电一体化建模与优化设计

  东泽源，尚文海，赵剑，刘蓬勃，霍慧

  针对微机电（MEMS）陀螺敏感结构参数与接口电路参数相互耦合、输出信噪比（SNR）难以提升的问题，提出了全解耦音叉谐振微陀螺机电一体化建模与力-电参数协同优化设计方法。建立了双质量反相驱动与差分检测的全解耦微结构力电耦合动力学模型和电容检测接口电路噪声计算模型，推导了解耦梁等效刚度与结构模态频率的解析表达式，分析了结构尺寸参数和电路阻抗参数对信号噪声的影响规律，并以结构关键梁尺寸、接口电路电容/电阻组合参数为优化变量，以提升输出信号信噪比为优化目标，采用移动渐近线算法（MMA）对微陀螺系统机电参量进行协同优化，实现信噪比由17.70dB至37.45dB的性能提升。根据优化结果设计印制电路板（PCB）对微陀螺样件进行性能参数测试与实车路跑验证，结果表明，所研制的微陀螺驱动模态频率和检测模态频率分别为8750.47和8828.63Hz，与理论计算相比误差约为2.9%；利用半带宽法计算微陀螺驱动模态和检测模态品质因子（Q值）分别为1008.1和1027.8；采用单轴转台测得微陀螺灵敏度为0.4869mV/(°/s)，信噪比为36.31dB，与理论计算相比误差约为3%；采用Allan标准差计算得到微陀螺零偏不稳定性为28.26(°)/h；在车辆转向与环岛绕行等典型动态工况下，其角速度输出与高精度参考传感器保持良好一致性，从系统应用角度验证了所提出的机电一体化协同优化设计方法的有效性。

• 基于标签阵列的 RFID 室内三维定位方法

  谢良波，宋祎，肖蒙蒙，王勇，周牧

  针对基于天线阵列测角的射频识别(RFID)定位系统部署复杂以及定位成本高的问题，提出了一种基于标签阵列的三维定位算法。首先，分析了RFID系统的相位反向散射模型，并通过实验对标签间的耦合效应进行分析，揭示了其对角度估计精度的潜在影响；其次，为解决标签阵列中相互耦合的问题，考虑标签的排布情况，提出了一种虚拟标签构造方法，并结合虚拟标签优化标签阵列，引入稀疏标签阵列，提出一种基于虚拟标签构造的稀疏标签阵列到达角(AOA)估计方法；在此基础上，针对实际应用中目标物体可能发生的姿态变化对角度测量造成的干扰，引入基于角度搜索的姿态估计方法，通过建立空间坐标变换模型实现对标签阵列相对于已知天线的真实方向的精确估计，有效降低了姿态角对测角精度的影响；然后，基于一维角度测量建立了3D定位模型，从两个方向的稀疏标签子阵列分别获得经过姿态补偿后的方位角和仰角，结合三角测量原理，最终实现对目标的三维定位；最后，使用商用读写器ImpinjR420和标签搭建测试平台对所提稀疏标签阵列AOA估计算法和定位算法的性能进行系统性评估。实验结果表明，所提系统可以实现三维空间中的目标定位，且中值定位误差达23.5cm，标准差为12.5cm，充分验证了所提算法的有效性。

• 基于压差式矢量水听器指向性的幅相误差校正方法

  李赞，陈杭洋，蒋晓斌，贾辰午，黄新敬

  压差式矢量水听器由多对独立的标量水听器组成,而各个标量水听器间存在的幅相误差会导致矢量水听器的压差指向性变形,并且降低对水下目标的测向精度。针对该问题,提出了一种有源旋转校正方法,利用矢量水听器固有的偶极子指向特性,旨在校正压差式矢量水听器硬件系统中的固有幅相误差。该方法无需知道辅助声源的精确位置,使用精密转台控制矢量水听器旋转一周,选择一个不在旋转轴上的标量水听器作为基准,对其他标量水听器信号进行幅值缩放和时域平移,直至全部压差指向性曲线被修正为理想形状,从而校正幅相误差。在消声水池中使用实验室自研的三维压差式矢量水听器开展了幅相误差校正和声源测向实验。结果表明,校正后的矢量水听器压差指向性曲线接近理想形状;与校正前相比,旋转水听器测向的方位角测量误差<5°的测试点数增加了10.6%,俯仰角测量误差<10°的测试点数提高了92.9%;平移声源测向的方位角测量误差<5°的测试点数增加了46.3%,俯仰角测量误差<10°的测试点数提高了42.6%。实验结果证明,该方法能够有效校正压差式矢量水听器的幅相误差,并且显著提高对水下目标的测向精度。该方法降低了幅相误差的校正难度和成本,具有一定的应用价值。

• 基于频率特征的TIADC非线性校正神经网络研究

  王煜森，张益，梅思涛，王言立，赵贻玖

  模数转换器（ADC）的性能决定了采集系统的性能优劣，随着采集系统采样率和采样带宽的提升，ADC的非线性误差相较于线性误差具有更大的危害。针对频率相关的ADC非线性误差，提出了一种基于人工神经网络（ANN）校正的方法，对ADC采样数据进行数字后校正处理。该方法首先对ADC所采集的单音正弦信号进行频谱分析去除其中包含的非线性谐波失真，并以该结果作为参考真值，从频域角度对神经网络进行训练。所提方法以采集信号频谱的幅度信息作为神经网络的训练对象，将相位信息保留并在校正后对输出的幅度结果进行补偿，随后将幅度校正结果与保留的相位信息重构为复数频谱，并进行逆傅里叶变换以恢复时域信号。在实验验证中，以时间交织（TI）ADC系统为应用场景，将时间交织采样架构子ADC间的多种失配误差与子ADC的非线性误差一同校正。采用多组不同频率的单音正弦信号，按照频率分层抽样与时间分段采样相结合的策略进行数据划分与神经网络训练，并针对多音信号的校正进行了神经网络泛化性能验证，验证所提校正方法在ADC校正应用中的普适性。在一个4通道的20GSPS采样率的TIADC硬件平台对神经网络的ADC校正性能进行了验证，所提方法保证了多音信号可以维持正确相位关系，且系统无杂散动态范围提升了36dB。

• 一种GMM-KL动态预测集成电路测试设备稳定性的方法

  詹文法，弥晨，胡心怡，邱野

  随着集成电路测试精度要求的不断提高,测试设备自身的长期运行稳定性已成为影响测试质量与成本的关键因素。传统基于固定置信水平阈值的监测方法因其静态特性,难以适应设备在长期运行中因老化、环境波动等引起的性能动态漂移,常导致误报或漏报,制约了预测性维护的实现。为此,提出一种融合高斯混合模型(GMM)与KL散度的动态阈值优化监测方法。该方法首先利用GMM对测试数据的多模态分布进行精确建模,有效刻画设备在复杂多工况下的运行状态;进而引入KL散度实时量化监测数据与健康基准模型之间的分布差异;在此基础上,创新性地基于历史KL散度序列滚动更新异常判定阈值,使阈值能够随数据分布的自然漂移而自适应调整。这一机制从根本上克服了静态阈值与动态过程之间的失配问题,提升了监测系统对缓慢性能退化与突发异常的感知能力。实验结果表明,相较于传统的K均值聚类固定阈值方法,所提方法在异常检测准确率与F1分数上均取得显著提升,能够更灵敏、可靠地识别测试设备的性能波动与早期故障。该方法不仅为集成电路测试设备的稳定性监测与预测性维护提供了有效技术手段,其通过概率建模感知分布变化并实现阈值自适应的核心框架,也具备向其他工业装备健康管理领域推广的潜力。该框架通用性强,为动态运行环境下的设备状态监控提供了具备持续适应能力的新思路。