[發(fā)明專利]基于同步共振的高靈敏度壓電壓阻電容疊加力敏傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610171506.8
• 申請(qǐng)日: 2016-03-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105628264B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王東方;杜旭;王昕;楊旭;劉欣;劉歡;鄭果文;毛夢(mèng)元
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/00
• 分類號(hào): G01L1/00
• 代理公司: 吉林長(zhǎng)春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司22100
• 代理人: 魏征驥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可實(shí)現(xiàn)壓電、壓阻、電容疊加的同步共振懸臂梁力敏傳感器。

背景技術(shù)

近年來(lái)，力敏傳感器作為檢測(cè)物質(zhì)質(zhì)量、力的大小的主要手段，廣泛的應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)，工業(yè)生產(chǎn)，食品安全等多個(gè)方面。諧振式傳感器件體積小，諧振頻率高，因而具有較高的靈敏度，如諧振式氣體傳感器等。懸臂梁作為微系統(tǒng)中最經(jīng)典，簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)，對(duì)質(zhì)量變化敏感，且易于微小制造。諧振式懸臂梁型力敏傳感器利用質(zhì)量敏感薄膜特異性的吸附物質(zhì)分子，將梁的質(zhì)量變化轉(zhuǎn)變?yōu)橹C振頻率的偏移，獲取偏移量并通過(guò)電信號(hào)輸出，即可獲得所測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量。在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)高靈敏度的力敏傳感器是國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者所關(guān)心的重點(diǎn)問(wèn)題。

目前已有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)為獲得高靈敏度的力敏傳感器，對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索和設(shè)計(jì)。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1994年首先論證了微懸臂梁諧振式傳感器可用于氣體檢測(cè)且可以獲得較高的靈敏度；英國(guó)劍橋大學(xué)通過(guò)驅(qū)動(dòng)懸臂梁使其處于強(qiáng)非線性振動(dòng)(第5諧振模態(tài))，從而增大物質(zhì)吸附、解吸時(shí)頻率偏移量，提高傳感器的靈敏度；法國(guó)波爾多大學(xué)利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)設(shè)計(jì)了自激勵(lì)、自讀出的甲苯氣體傳感器，通過(guò)縱向諧振模式獲得了高諧振頻率，具有更高的靈敏度。韓國(guó)仁荷大學(xué)研究了相同表面積的矩形、三角形、階梯型梁在相同表面應(yīng)力的作用下?lián)隙?、諧振頻率的大小比較。相比于矩形結(jié)構(gòu)，懸臂梁的三角形、階梯型結(jié)構(gòu)的撓度分別提高了257％、79％，頻率分別提高了31％、19％；臺(tái)灣清華大學(xué)研究了不同縱橫比的三角形，半圓形，矩形及內(nèi)切圖形諧振頻率的比較，發(fā)現(xiàn)高縱橫比的內(nèi)切圖形，低縱橫比的懸臂梁兩者結(jié)合可以使懸臂梁具有更高的靈敏度；大連理工大學(xué)提出通過(guò)改變彈性梁的表面形狀(梯形)和截面構(gòu)型(槽型)來(lái)進(jìn)一步提升傳感器靈敏度的新方法，相對(duì)于矩形截面梁傳感器，靈敏度提高了287.8％；德國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)研究所通過(guò)對(duì)梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并在金屬計(jì)拾振器中設(shè)計(jì)溫補(bǔ)結(jié)構(gòu)，提高了傳感器的靈敏度；大連理工大學(xué)設(shè)計(jì)了雙層和雙片壓電PZT薄膜微懸臂梁結(jié)構(gòu)，雙層串聯(lián)接法壓電PZT薄膜懸臂梁式微力傳感器，獲得了較高的靈敏度。上述研究結(jié)果均在一定成度上提高了傳感器的靈敏度。然而，并未有研究機(jī)構(gòu)能夠利用多種機(jī)制疊加設(shè)計(jì)同時(shí)大幅提高傳感器的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種基于同步共振的高靈敏度壓電壓阻電容疊加力敏傳感器，實(shí)現(xiàn)多種機(jī)制疊加設(shè)計(jì)，進(jìn)而大幅提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：C型支撐結(jié)構(gòu)下部與壓電激振結(jié)構(gòu)固定連接，該C型支撐結(jié)構(gòu)的中部與U型梁、T型梁、同步耦合梁相連，T型梁的兩側(cè)與同步耦合梁相連，U型梁的內(nèi)側(cè)亦與同步耦合梁相連，T型梁上表面沉積多片壓電拾振結(jié)構(gòu)，固定端表面設(shè)置有壓阻拾振結(jié)構(gòu)，T型梁自由端上表面沉積電極，與上支撐部分表面電極共同組成上電容拾振結(jié)構(gòu)，T型梁自由端下表面沉積電極，與下支撐部分表面電極共同組成下電容拾振結(jié)構(gòu)，兩電容拾振結(jié)構(gòu)組成差動(dòng)式電容拾振結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所述的U型梁、T型梁、同步耦合梁和C型支撐結(jié)構(gòu)均由同一基底加工而成。

本發(fā)明所述的U型梁、T型梁、同步耦合梁共同組成同步共振結(jié)構(gòu)，根據(jù)同步共振物理原理，若低頻梁固有頻率為ω₁，高頻梁固有頻率為ω₂，其固有頻率滿足如下公式：

mω₁＝nω₂

其中，m、n均為整數(shù)，m/n即為頻率的放大倍數(shù)，其中低頻梁為U型梁，高頻梁為T型梁。

本發(fā)明所述的U型梁自由端處表面涂覆質(zhì)量敏感薄膜用于選擇性吸附物質(zhì)分子。

進(jìn)一步，所述的U型梁相比于單根矩形梁，結(jié)構(gòu)更緊湊，封裝后體積更小，但除U型外亦可使用其他可實(shí)現(xiàn)同步共振的梁結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所述的T型梁上表面通過(guò)氧化或其他工藝設(shè)計(jì)有上絕緣層，下表面通過(guò)氧化或其他工藝設(shè)計(jì)有下絕緣層；

本發(fā)明所述的壓電拾振結(jié)構(gòu)為上電極、壓電層、下電極的三明治結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所述的多片壓電結(jié)構(gòu)可按振動(dòng)模態(tài)、應(yīng)用領(lǐng)域的不同使用縱向、橫向等不同的排布方法。各片上下電極依次串聯(lián)，形成壓電拾振結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明將所述的壓電、壓阻、電容疊加，三種拾振結(jié)構(gòu)均可以將諧振振幅及頻率以電壓信號(hào)輸出，通過(guò)控制壓電材料的極化方向等，可使三種拾振結(jié)構(gòu)的疊加輸出電壓最大化。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎，其有益效果體現(xiàn)在：

(1)將同步共振物理原理應(yīng)用于諧振式懸臂梁傳感結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)頻率倍增，提高傳感器的靈敏度。

(2)U型梁端部面積較大，吸附分子量更多，頻率變化較大，可提高傳感器靈敏度。