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3.7μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量。

一种集成三维微力传感器的微夹持器研制

微操作中力的检测与控制是实现无损伤操作的关键。因此,该文提出了一种以压阻检测技术为基础,集成三维微力传感器的微夹持器。传感器标定实验结果表明,该传感器具有耦合小,测量分辨率高,线性度好的优点。传感器量程为-10^+10 mN,在x、y向的分辨率均为2.4μN,z向的分辨率为4.2μN。微夹持器采用压电陶瓷驱动两级柔性放大机构,实现张合量300μm,完成了微夹持实验。

基于MEMS技术的三维微力传感器

开发了一种基于MEMS技术制作的三维微力传感器,传感器为完全对称结构,由4根垂直放置和1根悬臂放置的硅梁连接而成。每根硅梁上设计了一个利用MEMS工艺制作的惠斯通电桥,该种电桥应变系数大,在很大程度上简化了电桥处理电路的设计。在弹性力学和材料力学基础上,利用SOLIDWORK软件对传感器进行了应变分析,得出了力和输出电压之间的关系。设计了传感器信号检测电路,确定了减小温度对检测精度影响的方法。测试表明:该传感器检测量程为±0.5 N,重复定位精度优于9.1 mN,分辨力优于0.95 mN.

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。

用于微摩擦测试的微力传感器及其制作

微构件表面的摩擦状况和磨损机理与宏观构件有较大的区别,需一种能够测量微米尺度样品摩擦特性的专用仪器。给出了一种新型硅微力传感器的设计原理、结构、制作工艺及其弱信号采集方法。静态性能测试结果表明,传感器最大输出电压2000μV,重复性约为1 3%,灵敏度约为65V/N,分辨率为46μN,总精度为2 3%,基本上满足了微摩擦测试的需要。实验及计算表明,通过优化微力传感器的结构,改进芯片的封装,可以大大减少其体积,并提高其各项性能指标。

基于探针形式的三维硅微力传感器

为满足三维微力测量的需求,以MEMS体硅压阻工艺技术为基础,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半导体压阻式三维微力硅微集成传感器。传感器采用相互迟滞的4个单端固支硅悬臂梁,支撑中间的与微力学探针结合在一起的质量悬块的结构形式,在4mm×4mm的硅基半导体芯片上用MEMS体硅工艺集成而成。通过ANSYS数值仿真的方法分析了三维硅微力传感器结构的应力特点,解决了三维微力之间的相互干扰问题,并对传感器性能进行了测试。结果表明,其X、Z方向的线性灵敏度分别为0.1682、0.0106mV/μN,最大非线性度分别为0.19%FS和1.1%FS。该传感器具有高灵敏度、高可靠性、小体积、低成本等特点。

用于微装配的三维微力传感器的研究

采用硅基应变片设计了一种可用于精密微装配作业过程,检测x、y、z方向微接触力的三维微力传感器;经微小改动后,该传感器可成为五维微力传感器。分析了力传感器测量原理,建立其测量模型,并设计了传感器信号放大电路。测试了微力传感器的性能指标,在x、y、z3个方向的微力测量分辨率为0.001 N,测量精度可达0.005 N,测量范围为-0.5^+0.5 N。最后设计了微装配作业控制系统,并利用该传感器实现力位移混合控制,顺利完成了180μm微型轴与200μm微型孔间的精密微装配实验研究。

基于光子晶体微腔和光纤环形衰荡的微力传感器

提出一种基于光子晶体微腔的高灵敏度的微力测量方法.首先,提出一种M型结构的梁作为传感探头,使系统在受到微力作用时,仅有光子晶体微腔的空气孔折射率发生变化而引起谐振波长的漂移,极大地提高了传感器的线性度和测量范围.然后,对微纳环结构的光子晶体微腔结构进行优化设计,获得了品质因子高达7 100的微腔.最后,选择合适的实验器件及其特性参数,搭建基于光纤环形衰荡的波长解调系统,实验结果表明该系统的波长解调灵敏度为90μs/nm,所设计的微力测量系统的灵敏度可达194.616μs/μN.

仿生湿吸二维微力传感器设计与试验研究

设计了一种L型的二维微力传感器,该二维微力传感器采用悬臂梁式结构。在弹性力学和材料力学基础上,利用Solidworks三维建模软件和ANSYS仿真软件对传感器分别进行模型建立和有限元应变分析。对该二维微力传感器的实体进行标定,得出了力和输出电压之间的关系。然后,在设计与分析二维微力传感器的基础上,研制了二维微力传感器阵列测试系统。最后,在测试系统实施了不同预压力下的湿吸力测试试验,验证了传感器和系统的可靠性。

电化学腐蚀技术在制作硅谐振式微力传感器中的应用

一、引言 微力传感器在微量称重、液体表面张力分析以及生物体微组织力测量等领域具有广阔的应用前景.我国以前自主研制的微力传感器基本上都是采用半导体应变片和扩散硅制成的压阻式传感器,其主要缺点是漂移较大,要实现高精度测量与长期监测较为困难.而谐振式传感器由于具有频率输出、高稳定性和高分辨率等优点,被看作是力敏传感器的发展趋势之一.国外已研制出力、压力、加速度等多种谐振式固态传感器,其中荷兰Twente理工大学研制出一种硅谐振式微力传感器,其量程仅为0～0.4牛顿.该传感器的核心敏感元件是一个6×0.4×0.02mm3的双端固支谐振硅梁,由各向异性腐蚀技术加工而成.

基于硅基PZT微力传感器标定系统的初步研究

采用双晶片探头和电子天平对PZT微力传感器进行静态力标定,进而利用双晶片探头和电荷放大器对PZT微力传感器进行准静态标定,微小信号检测通过锁相放大器来实现.PZT薄膜在基体Pt/Ti/SiO2/Si<100>上用溶胶-凝胶法制备,然后在600℃下退火.PZT微力传感器完全由MEMS体硅加工工艺来实现.

PVDF微力传感器的设计

基于一种压电材料——PVDF压电薄膜,设计了一种新型的微力传感器,从PVDF微力传感器的原理、设计、标定等过程进行详细研究。采用电荷放大器对PVDF受力产生的感应电荷进行放大,经过电荷放大器后产生电压信号,再经过第二级电压放大电路对信号进行进一步放大,采用MATLAB/Simulink模块通过PCI-6221对数据进行采集,通过用MATLAB对采集的数据进行最小二乘拟合。经过实验测试,验证了该微力传感器测试系统具有较高的精度和灵敏度。

声表面波微力传感器信号处理电路的设计与仿真

随着声表面波微力传感的应用领域不断扩展,其测量性能的要求随之提高。针对高频信号稳定性、噪声干扰抑制以及测量灵敏度方面的问题,基于反馈原理设计声表面波振荡电路;针对高频信号难以测量的问题,采用混频检测法实现高频-中频信号的转化;针对混频后高频谐波分量干扰问题,基于Ⅱ型切比雪夫滤波器设计具有平稳增益、衰减带下降快的低通滤波电路;并搭建整形电路以供处理器对敏感参数进行识别。仿真分析表明,该研究优化了声表面波微力传感器的测量性能,对其应用领域的拓展具有一定的意义。

一种新型微力传感器设计

设计了一种新型微力传感器,利用电阻式应变原理,采用柱式结构,量程小,灵敏度高,灵敏度可达0.0575V/N,适用于微力测量。对其弹性元件进行有限元静力分析和模态分析,传感器弹性元件的纵向应变量高于一般的力传感器,固有频率远高于常见的外部动态力频率,几乎不会发生共振现象;最后对微力传感器进行静态标定和误差分析。

基于PVDF的微力传感器设计

目前微装配领域还没有可靠的亚微牛(sub-μN)分辨率的传感器。针对这一实际难题,设计了一个基于PVDF的微力传感器,使其能够提供高精度、高可靠性的微小力测量。首先基于压电效应和材料力学中悬臂梁结构,设计了PVDF传感器悬臂梁模型。其次由于PVDF产生的电荷很少且为sub-pc量级,设计了一个信号调理电路把电荷量转换为电压量。最后在New Focus公司生产的3D智能运动平台上进行实验,实验结果表明,所设计的PVDF传感器分辨力可以达到在sub-μN范围,从而为自动化生产过程中的批量制造和微装配中微接触力的反馈控制提供了理论上的解决方法。

利用微力传感器定量探究安培力的大小

在现行教材中测量安培力大小的实验大多停留在定性描述阶段,大多不精确或不够严谨.通过滑动变阻器改变电流,以抽离磁铁的方式控制导线在磁场中的长度,用电磁铁代替普通磁铁,通过调节电压改变磁场强度,设计旋转磁场改变磁场与导线之间的角度,利用微力传感器精确测定安培力的大小,推导出安培力与通电电流、导体长度、磁感应强度,以及导体磁场间角度的正弦值成正比例关系.实验的改进有利于学生科学探究、科学态度与责任等物理学科核心素养的培养.

一种用于MEMS样品测试的六轴微力传感器

本文研制了一种用于MEMS样品测试的六轴微力传感器。首先采用有限元法对特定结构的传感器进行了静力学分析 ,确定了其布片方案 ;然后通过软件实现对传感器输出进行六轴力 /力矩的解耦 ,这大大简化了后置解耦电路的设计并降低了成本 ;最后本文给出了六轴微力传感器的标定曲线 ,证明其可用于MEMS做样品力学特性测试。

基于SAW微力传感器的GRNN拟合研究

针对传统方法拟合声表面波(SAW)微力传感器输入-输出曲线的算法为最小二乘法,但无法进行全局搜索,易获得局部最优解的不足,基于SAW微力传感器实测数据,采用广义回归神经网络(GRNN)进行曲线拟合。选取以铌酸锂为压电基底的SAW微力传感器,对其施加微压并通过网络分析仪测量输出频率数据,依据GRNN和最小二乘法基本原理采用MATLAB R2016b分别对频率-压力数据进行拟合并对比。仿真结果表明:与最小二乘法相比,GRNN误差明显减小,约一个数量级,能有效提高拟合精度。

PT种子层对微力传感器性能的影响

为了提高微牛顿量级微力传感器的灵敏度,比较了有PT种子层和无PT种子层的PZT压电薄膜对微力传感器性能的影响。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PZT和PT/PZT/PT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,用半导体参数测试仪测试了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的漏电流。结果表明,在同为600℃退火温度下,两种薄膜均具有钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向。当外加电压增加时,PZT薄膜的漏电流基本保持不变;PT/PZT/PT薄膜的漏电流变化在1nA左右。最后应用MEMS工艺分别制作了基于PZT,PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器,并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,添加PT种子层对微悬臂梁的弹性系数基本没有影响,但微悬臂梁的灵敏度显著增加。

声表面波微力传感器的研究

论述了以X-1280Y LiNbO3(铌酸锂)作为基底材料的声表面波力传感器的输入换能器和输出换能器的设计,并对其性能进行测试分析。其中输入换能器采用余弦平方函数进行加权设计,输出换能器采用均匀换能器。在制作成品后,对其性能进行实验测量,并对实验数据进行分析,发现所施加的张力与频率漂移之间的线性度很好,误差为1%左右。