Design and analysis of micro-mass sensor based on I-shaped cross-section cantilever

压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度.本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构,提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法,并设计了一种高精度谐振式微质量传感器.建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型,并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响.与矩形截面结构进行了仿真与实验对比,结果表明,相同几何尺寸参数下,槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz,矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz,相应的传感器灵敏度则分别为3.12×104 Hz/g和1.5×104 Hz/g,前者是后者的2倍.该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路.     

基于槽式悬臂梁结构的微质量传感器设计

压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度。本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构,提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法,并设计了一种高精度谐振式微质量传感器。建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型,并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响。与矩形截面结构进行了仿真与实验对比,结果表明,相同几何尺寸参数下,槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz,矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz,相应的传感器灵敏度则分别为3.12×10⁴ Hz/g和1.5×10⁴ Hz/g,前者是后者的2倍。该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路。     

PZT压电式微传感器的结构优化

压电式微传感器的灵敏度除与悬臂梁的尺寸、加工工艺和压电材料本身有关外,还与悬臂梁的截面形状有关。讨论了PZT压电式压力微传感器的灵敏度与悬臂梁变截面长度和偏转角度的关系,给出在给定外力F和压电材料用量的前提下,建立含有约束的数学优化模型,并用遗传算法计算出最优变量值,使产生的感应电荷最大,从而提高微传感器的灵敏度。     

梯形变截面悬臂梁式质量传感器设计与分析EI北大核心CSCD

谐振式微质量传感器的灵敏度取决于弹性元件的几何尺寸和结构形式。单纯依靠结构尺寸微型化方法已难以满足传感器工程实用性的要求,因而需要探索新的改善传感器性能的方法。在保证传感器外形尺寸不变的基础上,提出通过改变弹性梁的表面形状(梯形)和截面构型(槽型)来进一步提升传感器灵敏度的新方法,建立了基于槽型变截面弹性梁的传感器灵敏度分析模型,分析了影响传感器灵敏度的关键设计因素,得到了结构设计参数、自振频率及灵敏度之间的关系表达式。仿真结果表明,在相同外形尺寸参数下,矩形截面悬臂梁传感器的自振频率和质量检测灵敏度为1 254.2 Hz和9.8×103Hz/g,槽型变截面悬臂梁传感器的自振频率和灵敏度为1 776.1 Hz和38.0×103Hz/g。相对于矩形截面梁传感器,灵敏度提高了287.8%,从而验证了提出的灵敏度提升方法的有效性和可行性。     

阶梯结构微梁传感器优化设计

为了实现微悬臂梁传感器的自驱动自感知功能,设计了嵌套式阶梯结构微悬臂梁传感器。采用有限元分析的方法对其微梁的自由端弯曲位移和固有频率进行了仿真,研究了阶梯结构对微悬臂梁传感器性能的改善,确定了微悬臂梁传感器的阶梯结构参数。结果表明,经优化设计后的微梁传感器,微悬臂梁自由端弯曲位移可达566 nm,提高了2倍;固有频率可达385 k Hz,提高了1. 45倍。阶梯式微梁的成功设计为传感器的集成与小型化奠定了基础。     

压电双晶片传感器灵敏度特性分析

文中用模态分析法详细分析了压电双晶片力、振动、粗糙度传感器的位移特性及灵敏度特性,并给出了灵敏度与压电材料参数及晶片几何尺寸的关系。     

含多个压电元件智能悬臂梁的横向振动特性

本文以含多个压电元件的悬臂梁为例,基于Bernoulli-Euler梁的阶梯折算法,结合压电智能悬臂梁段的等效弹性模量理论,计算了多个压电元件的悬臂梁的固有频率和振型,并与有限元和等截面梁的计算结果进行比较。计算分析表明,压电材料尺寸和位置变化对智能悬臂梁结构的横向振动特性具有显著的影响,分析结论对高速飞行器结构设计和主动振动控制中压电元件的优化布置有实用价值。     

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.     

谐振式MEMS温度传感器设计

为了实现以频率输出为信号的气象温度测量,提出了一种基于双层悬臂梁的谐振式微温度传感器。基于双悬臂梁不同材料热膨胀系数的差异会导致悬臂梁谐振频率偏移的原理,采用压电方式同时实现悬臂梁的驱动及其谐振频率的检测,从而实现温度的测量。根据硅基传感器的正面腐蚀工艺,设计了谐振悬臂梁的双层结构,采用有限元方法分析了悬臂梁的谐振模态、可利用的振型及其温度与各模态谐振频率的关系,并利用多普勒振动系统对悬臂梁的谐振特性进行了研究。实验发现悬臂梁的二阶弯曲振型Q值相对于其它振型是最大的,其Q值约为150;高阶振型特别是二阶弯曲振型适合用于以ZnO为压电材料的温度传感器的频率检测,并且具有相对较高的灵敏度(约为20Hz/℃)和频率温度系数(1.9×10-4/℃)。结果表明,微型温度传感器能够满足气象温度检测的要求,并具有抗干扰能力强、灵敏度高、信号传输接口简单等优点。     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

Coupled lateral bending-torsional vibration sensitivity of atomic force microscope cantilever

We study the influence of the contact stiffness and the ration between cantilever and tip lengths on the resonance frequencies and sensitivities of lateral cantilever modes. We derive expressions to determine both the effective resonance frequency and the mode sensitivity of an atomic force microscope (AFM) rectangular cantilever. Once the contact stiffness is given, the resonance frequency and the sensitivity of the vibration modes can be obtained from the expression. The results show that each mode has a different resonant frequency to variations in contact stiffness and each frequency increased until it eventually reached a constant value at very high contact stiffness. The low-order vibration modes are more sensitive to vibration than the high-order mode when the contact stiffness is low. However, the situation is reversed when the lateral contact stiffness became higher. Furthermore, increasing the ratio of tip length to cantilever length increases the vibration frequency and the sensitivity of AFM cantilever.     

压电智能悬臂梁的压电片位置、尺寸及控制融合优化设计

对压电智能悬臂梁振动控制中的压电片的位置、尺寸及其控制参数进行研究.在对压电片和基板的耦合特性进行分析的基础上,建立智能悬臂梁的压电传感、致动方程及基于闭环控制系统的状态方程,并以系统的存留能量作为目标函数,建立压电智能悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数的优化模型及一阶灵敏度分析表达式,并采用移动渐进线法(Method of moving asymptotes,MMA)对模型进行求解.采用Simulink对优化结果的动态响应特性进行仿真分析,仿真结果表明,采用提出的优化模型及算法对悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数进行优化是合理的.     

表面对称电极含金属芯聚偏二氟乙烯纤维的简谐振动传感器

模仿蜘蛛毛发感受器的结构和功能,设计制备了表面对称电极含金属芯聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)的简谐振动传感器。用挤压拉伸的方法制备纤维胚体,将纵向表面涂镀形状完全对称的导电胶作为外部电极,经过极化后,制备成SMPF简谐振动传感器。基于压电方程和振动理论,建立了悬臂梁结构的SMPF简谐振动传感器的理论模型,分析了传感信号与简谐振动角度和幅值的关系。将SMPF简谐振动传感器固定在基体上,搭建了实验系统,测试了SMPF简谐振动传感器对简谐振动的响应,验证了理论模型。结果表明,SMPF简谐振动传感器能够准确感知简谐振动的频率,传感信号和简谐振动的幅值呈线性关系,和振动方向成"8"字形关系,共振频率为15.6Hz,灵敏度为0.019pC/mm。该SMPF传感器能够测量简谐振动频率、幅值或方向,具有广泛的工程应用前景。     

Improving tapping mode atomic force microscopy with piezoelectric cantilevers

This article summarizes improvements to the speed, simplicity and versatility of tapping mode atomic force microscopy (AFM). Improvements are enabled by a piezoelectric microcantilever with a sharp silicon tip and a thin, low-stress zinc oxide (ZnO) film to both actuate and sense deflection. First, we demonstrate self-sensing tapping mode without laser detection. Similar previous work has been limited by unoptimized probe tips, cantilever thicknesses, and stress in the piezoelectric films. Tests indicate self-sensing amplitude resolution is as good or better than optical detection, with double the sensitivity, using the same type of cantilever. Second, we demonstrate self-oscillating tapping mode AFM. The cantilever's integrated piezoelectric film serves as the frequency-determining component of an oscillator circuit. The circuit oscillates the cantilever near its resonant frequency by applying positive feedback to the film. We present images and force-distance curves using both self-sensing and self-oscillating techniques. Finally, high-speed tapping mode imaging in liquid, where electric components of the cantilever require insulation, is demonstrated. Three cantilever coating schemes are tested. The insulated microactuator is used to simultaneously vibrate and actuate the cantilever over topographical features. Preliminary images in water and saline are presented, including one taken at 75.5 μm/s—a threefold improvement in bandwidth versus conventional piezotube actuators.     

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.     

Study of the sensitivity of the first four flexural modes of an AFM cantilever with a sidewall probe

The resonant frequency and sensitivity of flexural vibration for an atomic force microscope (AFM) cantilever with a sidewall probe have been analyzed. A closed-form expression for the sensitivity of vibration modes has been obtained using the relationship between the resonant frequency and contact stiffness of cantilever and sample. The results show that a sidewall scanning AFM is more sensitive when the contact stiffness is lower and that the first mode is the most sensitive. However, the high-order modes become more sensitive than the low-order modes as the contact stiffness increases. The resonance frequency of an AFM cantilever is low when contact stiffness is small. However, the frequency rapidly increases as contact stiffness increases. In addition, it can be found that the effects of the vertical extension on the sensitivity and the resonant frequency of an AFM cantilever are significant. Decreasing the length of vertical extension can increase the resonance frequency and sensitivity of mode 1 when the contact stiffness is small. However, the situation is reverse when the contact stiffness becomes large.     

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统（MEMS）的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频（小于200 Hz）振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示：采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18 V/g和1.33 V/g）,使系统工作频率降得更低,50 Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。