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.     

微压阻式传感器有限元模拟及线性度优化设计

薄膜结构微压阻式传感器在提高灵敏度过程中容易引入非线性误差,导致传感器输出性能变差。通过分析微压阻式传感器核心敏感元件结构,利用Ansys软件建立硅杯薄膜有限元分析模型,并通过弹性力学方法对有限元模拟的精确度进行验证。针对薄膜结构传感器非线性误差随灵敏度提升而急剧增加的问题,为了提高传感器的线性性能,通过在敏感薄膜下方集成双岛结构,并分析优化岛长和岛宽等结构参数,得到了一种输出线性度优良的双岛结构传感器模型。模型输出结果表明:双岛结构挠度线性度为0.8%,相比薄膜结构8.6%有了较大的改善,电压输出线性度为0.9%,能满足使用要求,且实现了高灵敏度下线性输出优良的传感器模型设计。     

弱磁场AMR薄膜磁传感优化分析与测试

文中针对微型AMR传感器对弱磁场测量灵敏度及线性度低的问题,对微磁传感器磁电阻形状进行了分析,利用ANSYS软件仿真设计了相应的磁传感器并试验验证。仿真试验表明:设计的微型AMR薄膜传感器具有很好的线性度和灵敏度,可用于提高弱磁场的测量精度。改变电极结构,采用Barber偏置电极,AMR传感器的线性度在偏置角为45°时最优;将磁阻两端设计为尖角模型,使得磁电阻条沿薄膜表面长度方向的磁各向异性增强,提高了传感器的灵敏度。     

Ansys在PZT压电薄膜微传感器压电分析中的应用

研究的PZT压电薄膜微传感器采用的弹性敏感元件为微悬臂梁结构,在压电原理和材料力学理论的基础上,采用简化的等效微器件结构建立了数学分析模型,将有限元方法发展应用于压电材料的结构分析中,并运用有限元软件Ansys7.0对PZT压电薄膜微悬臂梁结构的传感性能和线性度进行了模拟,同时分析了微悬臂梁结构的几何参数对输出电压的影响,这些分析结果和解析预测是一致的。     

MEMS压力传感器新型膜结构设计与优化

提出了一种新型的压力膜结构来实现MEMS压力传感器的高灵敏度与低非线性度。通过在压力膜上设计出短窄梁结构来形成高应力集中区域及将方形压力膜改为椭圆弧瓣状压力膜的方法来提高传感器的灵敏度；通过在压力膜的受压表面上边缘处设计出方岛结构及在压力膜背面设计十字架梁结构来降低传感器的非线性度。最后，利用有限元方法对新型压力膜的力学性能进行仿真分析，建立了膜结构尺寸与力学性能之间的关系模型并完成了膜结构优化，通过与其他膜结构对比表明：文中提出的膜结构具有最大的薄膜应力能实现高灵敏度，较低的薄膜最大变形可保证高线性度。     

压电薄膜微传感器的动态特性分析

论述了压电薄膜微传感器的结构和工作原理,应用有限元方法对压电膜微传感器进行了动力学分析。利用有限元软件ANSYS7．0对压电薄膜微传感器结构的振动模态进行了仿真,并拟合了感应电压和动态外力幅度、频率以及结构几何参数之间的关系,这些分析为此类微传感器的设计提供了理论依据。     

脉冲压力条件下PVDF压电薄膜的动态响应特性

通过脉冲压力发生装置产生脉冲压力,研究PVDF压电薄膜的动态特性.使用PVDF压电薄膜制作一种测试脉冲压力的传感器,借助标准压阻传感器,测得PVDF压力传感器的灵敏度,计算出灵敏度的不确定度,并将PVDF压力传感器的线性度与压电传感器和压阻传感器作出对比,发现PVDF压力传感器输出稳定.通过比较PVDF压力传感器和标准的压阻传感器输出信号在时域和频域上的相关参数,证实PVDF压电薄膜具备测试动态压力的能力.     

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.     

压电复合薄膜传感器的制备与应用性研究

为了进一步优化压电薄膜传感器的制备工艺,探究压电薄膜传感器在建筑工程领域的应用前景,采用流延工艺制备了碳纳米管改性的0-3型压电复合薄膜,并使用该薄膜制成了压电复合薄膜传感器,将制得的压电薄膜传感器和传统的电阻式应变片同时贴在等强度悬臂钢梁上,通过采用2组不同频率的正弦荷载和1组随机荷载对悬臂梁进行激励,对比研究了压电传感器和应变片在动态荷载激励下的响应。研究结果表明:压电复合薄膜传感器具有更快的反应能力和更高的灵敏度,压电薄膜传感器可以有效地对结构的应力和应变进行实时监测。     

微机械压力传感器结构稳健优化与实验研究

以一种液压用微机械压力传感器为研究对象,在分析其结构和工作原理基础上,提出了固有频率对加工误差的灵敏度分析方法,得到了对微机械压力传感器固有频率影响较大的尺寸参数,为后续优化和实际加工提供了可控参考.为提高微机械压力传感器的加工稳定性和性能指标,进行了微机械压力传感器结构稳健优化设计,推导了稳健性能约束条件,提出了设计变量、目标函数、尺寸约束条件和模态性能约束条件,建立了微机械压力传感器结构稳健优化的数学模型.稳健优化结果表明,微机械压力传感器的加工稳定性和灵敏度都有了较大提高.进行了实际加工和测试,测试结果表明稳健优化后的微机械压力传感器具有较高的灵敏度.     

硅基PZT压电功能结构研究

PZT压电薄（厚）膜是制备MEMS传感元件和执行元件重要的功能材料,对近年PZT薄（厚）膜在MEMS领域的研究现状进行了分析,提出了一种新型的双杯PZT/Si膜片式功能结构;采用有限元方法对双杯PZT/Si膜片进行了结构优化,得到PZT和上、下硅杯的结构优化值为DPZT: D1:D2 =0.75:1.1:1;一阶模态谐振频率为13.2KHz;以氧化、双面光刻、各向异性刻蚀,以及PZT厚膜丝网印刷等工艺技术制作了双杯硅基PZT压电厚膜膜片,该膜片具有压电驱动功能。双杯PZT/Si膜片式功能结构的MEMS技术兼容性好,对芯片内其它元件或电路的影响小,适合作为MEMS片内执行元件的驱动机构。     

PVDF传感器在整体叶盘叶片模态试验中的应用

为了研究某型发动机整体叶盘涡轮叶片的动态特性,分别采用了聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)压电薄膜传感器、小质量加速度传感器以及非接触式的电涡流传感器进行了模态试验分析和频率检验,并通过有限元软件进行了仿真计算.试验结果与仿真计算结果表明,PVDF压电薄膜传感器具有附加质量小、灵敏度高、频响宽,易于安装、操作简便和成本低等特点.对于单个轻质薄壁构件或是零件分布较密集的复杂结构进行模态试验分析时,采用PVDF压电薄膜传感器具有明显的优越性.     

新型电容式微型压力传感器

文中从应用开发ＭＥＭＳ产品的实用角度出发,着力介绍一种新型的电容式微型压力传感器的结构组成和它的ＭＥＭＳ制造工艺。文中详细给出了这种电容式微型压力传感器的结构组成图、组成尺寸和它各部分部件的材料构成以及在硅材料加工过程中存在的主技术难题,最后,详细给出了电容式微型压力传感器的加工工艺过程。     

Residual strain measurement of piezoelectric multilayers by spiral structure

A new structure is described to measure the residual strain of thin film of piezoelectric multi-layers. The spiral shaped structure consists of the four fixed-guided beams. Piezoelectric multilayers consisting of SiOx/Pt/PZT/Pt on SiNx substrate are used to evaluate the suggested structure. Finite element analysis predicts that the out-of-plane displacement of the spiral structure by residual stress depends linearly on the beam length, but there is little difference depending on the beam width. PZT is prepared by sol-gel method and multilayered spiral structures are released by microfabrication technique. Sensitivity analysis of the spiral structure with various layer stack shows that the high displacement of piezoelectric multilayers can be decreased by the application of SiOx layer with compressive stress over the piezoelectric multilayers.     

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.     

基于微型氨气敏感单元的氨氮检测系统研究

设计并制备了一种具有微池薄液层结构的安培型氨气微传感器,并以此微传感器构建了氨氮检测系统,探索了使用安培型氨气微传感器检测氨氮的方法.该微传感器为采用MEMS工艺制备的微电极芯片.在微传感器的设计中,将传统的薄层电解液与腔体两结构融为一体,省去了腔体结构,有效减小了体积.氨敏感材料选用铂黑,通过电化学方法修饰于微电极表面.薄层电解液选用保湿性较好的LiCl溶液.使用自行设计的氨氮检测系统对不同浓度氨氮样品进行检测,线性范围0.4～5(mg/L),线性相关系数0.992,检测下限0.2(mg/L),达到90％响应信号所需的时间在2min以内.结果表明,使用安培型氨气微传感器检测氨氮的方法是可行的.微池薄液层的设计使传感器结构简单、便于加工,同时使氨气可以迅速扩散到电极表面,保证了传感器的响应速度.     

悬臂压电叠层复合梁的弯曲振动固有频率

压电叠层复合梁是一种三叠片对称结构。这里以压电陶瓷-金属-压电陶瓷复合结构为研究对象,给出了悬臂式对称压电复合结构的压电振子弯曲振动共振频率表达式,并建立了相应的有限元模型;计算分析了压电陶瓷-金属复合梁弯曲振动的固有频率值与几何尺寸之间的关系,并与相应的有限元模态分析结果进行了比较。结果表明,两种分析方法得到的压电振子的固有频率值基本符合,计算公式和模型是精确有效的;压电叠层复合梁愈细长则表达式的计算结果愈准确。