ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究

当压力作用在ZnO压电薄膜微悬臂梁上时,产生电荷量的大小将直接决定压电传感器灵敏度的高低.根据等效截面法,推导了复合微悬臂梁所受的作用力与其产生电荷量的关系方程,为传感器标定和力的测量提供理论依据,并依据此转换方程,对压电微悬臂梁的结构尺寸进行比较分析,以提高传感器的灵敏度和分辨率.此研究为压电微悬臂梁压力传感器的结构优化设计提供了一定的参考.     

集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。     

PT/PZT/PT薄膜微力传感器

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数.结果表明,在PZT薄膜退火温度同为600℃时,PZT和PT/PZT/PT薄膜均为完整的钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向;在测试频率为1 kHz时,经600℃热处理条件下制备的PZT和PT/PZT/PT薄膜的相对介电常数分别为525和981.最后应用MEMS工艺制作了基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试.测试结果表明,力与位移或电荷具有良好的线性关系.两种尺寸微力传感器的灵敏度分别为0.045 mV/μN和0.007 mV/μN,力分辨率分别为3.7 μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量.     

压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。     

三维微力探针传感器技术研究

结合光纤探针与四悬臂梁支撑结构的特点,研制了一种基于微探针形式,具有μN级三维微力测量和传感能力的压阻式三维微力探针传感器.通过ANSYS数值仿真的方法研究了传感器结构之间的应力特点.并且通过实验验证了所研制的传感器的综合精度可达到0.2%FS,干扰误差≤0.3%FS.     

基于MEMS技术的微操作三维力传感器研究

针对微操作过程中对微力觉信号的需求，以压阻检测技术为基础结合MEMS加工工艺，设计了一种用于微操作的三维力传感器，建立传感器的数学模型并用有限元分析软件对敏感弹性元件进行分析。利用悬臂梁受力弯曲变形的原理结合显微视觉技术，实现对传感器的标定，并给出了传感器的信号处理方法。实验证明，该传感器具有耦合小、测量分辨率高、线性度好、标定简单的优点，满足了预计的设计要求。传感器最大量程为10mN，x向与y向的分辨率均为2．4μN，Z向的分辨率为4.2μN。     

面向MEMS微装配的夹持器的设计和实验研究

介绍了一种由PZT（压电陶瓷）驱动的用于MEMS微装配的微夹持器的设计，计算了夹持器本体的放大倍数和刚度,并用ANSYS仿真验证了数学计算的准确性,采用了基于视觉的标定方法，标定了微夹持器刚度、张合量、夹持力以及夹持力和张合量的关系。实验表明：夹持器张合量达280μm，夹持力达0．1N，可精确操作200～2000μm的微齿轮，实现了微行星齿轮减速器的装配。     

基于宏弯损耗原理的光纤微力传感器北大核心CSCD

针对微操作/微装配系统中夹持力和装配力微小、不易感测,且微器件易变形、断裂等问题,设计一种基于宏弯损耗原理的光纤微力传感器,用于微力传感。建立了光纤微力传感器测量微小力的传感方程,仿真研究了微力传感器结构参数对传感性能的影响,并通过测试验证了理论模型的正确性。结果表明:基于宏弯损耗的光纤微力传感器可实现微小力的绝对测量,并且可以通过优化光纤微力传感器的结构参数,实现分辨率和测量范围的调整。文中研制的光纤微力传感器,分辨率可达6 mN。     

不锈钢基压电厚膜微悬臂梁传感器的制作与测试

制备了不锈钢基底压电厚膜微悬臂梁传感器。利用精密激光加工技术制备了厚度为100μm的不锈钢微悬臂梁基底,由于不锈钢具有良好的导电性,可以作微悬臂梁传感器的下电极,采用模板辅助电雾化沉积技术在不锈钢微悬臂梁基底上制备了厚度为20μm的致密PZT厚膜,利用磁控溅射技术制备了30/200 nm厚的Ti/Pt上电极,最终形成了压电厚膜微悬臂梁传感器。多普勒激光测振实验表明,在20 V的激励电压下,压电厚膜微悬臂梁谐振频率为19 kHz。     

压电悬臂梁采收低频振动能的理论分析与仿真

采收环境振动能量为无线网络传感器供电是近年来研究的热点,目前还没有一个完整的理论和解决方案.文中设计了一种压电悬臂梁结构的环境振动能量采收装置,研究了悬臂梁压电振子结构受激励后产生电荷量与频率的关系,并进行了ANSYS仿真,得出了最佳的机电耦合模型和压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响的关系.为采收环境低频振动能量,实现网络传感器自供电装置提供了设计的理论依据.     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

压电材料在外力的作用下可以产生电荷,将这部分电荷收集起来可以为微功率电器提供电能。在对单层悬臂梁压电发电装置进行实验研究的基础上,设计并制作出多层悬臂梁压电发电装置;对两种装置的实验结果进行研究分析,不仅拓宽了悬臂梁压电发电装置的谐振频带,更有效地提高了其发电能力。     

压电微悬臂梁传感器性能的数值模拟研究

基于力-电双向耦合理论,采用有限元方法,数值模拟研究压电微悬臂梁的灵敏度,并进行参数分析,为设计性能优良的悬臂梁提供理论依据。理论分析微悬臂梁在空气和液体中的共振频率和自身结构参数的定量关系,灵敏度与共振频率变化量、被测物质量的关系,通过数值模拟得到悬臂梁长度、宽度、厚度及共振阶数对微质量检测压电悬臂梁灵敏度的影响。在长期研究OPCM压电传感材料的基础上,进一步提出纵向振动的OPCM材料制作悬臂梁,数值模拟结果表明OPCM比PZT悬臂梁具有更高的灵敏度。数值模拟结果为设计性能优良的悬臂梁提供理论依据。     

缸套-活塞环摩擦学性能模拟实验研究

为模拟内燃机缸套-活塞环运动,设计适用于缸套-活塞环的往复式摩擦性能试验台,由传动系统、加热系统、加载系统组成。根据系统中悬臂梁和活塞环专用夹具不同的使用要求,分别进行结构设计和有限元分析。结果表明,当实验条件达到预设极限值(加热温度130℃,摩擦力500 N)时悬臂梁和活塞环专用夹具均能满足使用要求。试验台使用二维力测力传感器,通过特殊装配设计,可同时测量摩擦力和法向负载。通过摩擦性能实验验证,缸套-活塞环在较低负荷(61.7、92.6、123.4 N)条件下,摩擦因数随转速的增大而急剧减小;在较高负荷(250.8、322.5 N)条件下,摩擦因数随转速的增大有所减小并逐渐趋于稳定状态。     

一种用于振动测量的新型PVDF传感器

PVDF(Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯)是一种新型压电高分子聚合物材料，它具有独特的压电效应，近年来应用十分广泛。通过设计正弦和余弦形状PVDF传感器，用来测量结构的振动参数，并以一维悬臂梁结构位移和功率流的测量为例进行了验证，实验结果表明：这种新型PVDF传感器测量方便、数据精确，同时还可以测量角位移、弯矩、剪力等其他振动量，功能齐全、应用广泛，具有重要的理论研究和应用推广价值。     

适用于智能机械手的Galfenol悬臂梁式力传感器设计

为提高智能机械手抓握目标物体的可靠性,结合铁镓合金(Galfenol)的磁致伸缩逆效应,设计了一种新型悬臂梁式力传感器。基于霍尔效应、铁镓合金非线性磁化模型与欧拉-伯努利梁理论,建立了力传感器输出模型。搭建了实验平台,研究了偏置磁场对传感器输出特性的影响,并验证了输出模型。为降低磁滞效应引起的动态谐波干扰,基于巴特沃斯低通滤波原理,设计了力传感器数字滤波系统。结果表明,适合力传感器工作的最佳偏置磁场为3 kA/m,测力范围为0～2 N,动态响应范围为0～12 Hz,能够满足智能机械手工作的需要。     

压电微夹钳的位移自感知反馈复合控制*

采用自感知方法获取压电微夹钳钳指位移,构成自感知反馈复合控制系统。根据反映钳指位移、表面电荷、夹持力、驱动电压之间关系的压电悬臂梁Smits方程,提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;引入死区算子对传统PI模型进行改进,建立了压电微夹钳钳指位移的迟滞模型;以对偏差的抛物线积分、对输出的先行微分分别代替常规PID控制器中的积分项和微分项,设计出了压电微夹钳的改进PID反馈控制器;将前馈控制器与PID反馈控制器相结合,并采用自感知反馈方式,设计出了压电微夹钳的闭环控制系统。实验结果表明:在自感知反馈复合控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.24 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.7μm的变幅值三角波参考位移以及最大位移为14.1μm的任意波形参考位移作用下,压电微夹钳的自感知反馈复合控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.02~0.04μm之间变化。自感知反馈控制的实验结果与传感器反馈控制基本相同,从而表明压电微夹钳的自感知反馈控制是有效的。     

基于 PVDF 三维力传感器设计

在现代机器人技术和柔性电子应用中,迫切需要具有高灵敏度、良好灵活性和三维力测量能力的柔性触觉传感器。本文提出了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的触觉传感器,实现动态三维力测量。传感器由3个夹角为120°的PVDF压电敏感单元构成3个压力敏感区,3个压电敏感单元安置在聚二甲基硅氧烷(PDMS)半球型结构的底面。从PDMS半球顶部传递的三轴接触力引起3个压电敏感单元的电荷分量发生变化,从而计算出接触力的方向和大小。本文推导了基于3个压电敏感单元触觉传感器的三维力算法,对所制备的传感器进行了标定,实现了三维动态力的测试。结果表明,角θ的平均误差为7.75%,角■的平均误差为12.17%,力F的平均误差为7.48%。该三维力触觉传感器在穿戴式电子产品、健康医疗、人机交互等领域拥有很好的应用潜力。     

微力学测试仪在MEMS键合强度测试中的应用

研制微力学测试仪,对微电子机械系统中键合结构的强度进行测试。最大载荷为1．4N,在载荷量程为450mN时仪器的最高分辨力为10μN。采用键合在玻璃基底上的硅悬臂梁作为试样。为模拟横力剪切破坏和扭转破坏工况,用微力学测试仪分别在悬臂梁的固定端和自由端施加载荷至试样破坏。测得相应的破坏载荷并计算出最大剪应力。对破坏残骸的显微观察发现,存在玻璃开裂和硅开裂2种失效模式。该技术为微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)键合结构的强度表征提供一种有效方法,并可用来进行微悬臂梁或微桥的强度测试。     

基于三层悬臂梁结构的电容式风速传感器设计

为解决传统电容式测风传感器的输出非线性,设计了一种基于MEMS微机械加工技术的电容式风速传感器.传感器的敏感结构创新性地采用了一个三层结构的悬臂梁,这种三层结构的悬臂梁构成了一个平行板电容器.风力作用于传感器敏感结构引起电容器的极板面积、极板间距以及绝缘层介电常数的变化,从而引起电容器输出电容的变化,通过测量传感器输出电容的变化值可以实现风速的测量.基于流体力学原理和多层悬臂梁理论对传感器进行了理论分析,并为传感器设计了制作工艺流程.     

用于微创外科手术机器人的多维力传感器解耦方法研究

在微创外科手术机器人系统中,力反馈功能的实现可以提高外科医生在手术中的灵活性,降低患者组织和器官损伤的风险。为实现手术过程中力的检测,设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的微创外科手术机器人多维力传感器并研究其解耦方法。该多维力传感器由3条间隔120°的光纤布拉格光栅沿轴向粘贴于手术工具杆末端构成。首先在对传感器应力分析的基础上使用最小二乘法解耦,但由于装配等因素使传感器输入输出之间增加了非线性成分,因此使用前馈神经网络对多维力传感器进行非线性解耦。其次从理论和实验两方面分析了穿刺器的平移对解耦之后的力的影响。实验结果表明,前馈神经网络解耦多维力传感器的效果较好,3个相互垂直方向上的平均误差分别为0.05, 0.07和0.18 N;穿刺器平移后力检测的最大平均误差为0.036 N,可以忽略不计。设计的传感器、解耦方法以及对穿刺器平移影响的分析均具有很强的实用性。