[發明專利]一種線型微納材料扭轉性能測量用MEMS諧振式扭矩傳感器

有效

• 申請號: 201611141574.6
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106525304B
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 韋學勇;王曙東;翁寅生;任娟;蔣莊德
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01L3/04
• 分類號: G01L3/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種線型微納材料扭轉性能測量用MEMS諧振式扭矩傳感器，包括單晶硅基底、二氧化硅絕緣層和單晶硅結構層，單晶硅結構層包括兩個“Z”字形微放大梁，其杠桿梁頂部與輸入梁連接，杠桿梁底部與輸出梁的一端連接，杠桿梁中下部通過支點梁與兩個杠桿梁之間的第五錨點連接，輸入梁通過連接梁固定于第四錨點上，兩個相對的輸入梁之間連接的鍵上安裝有待測線型微納材料，輸出梁的另一端和雙端固定諧振音叉連接，雙端固定諧振音叉與第三錨點連接，雙端固定諧振音叉的平板電容組固定于第一、第二錨點上，除錨點外的結構處于懸空狀態；通過第一、第二、第三錨點上濺射的金屬電極板，整個傳感器被置于一個自激振蕩電路中，本發明體積小、靈敏度高、測量范圍大。

技術領域

本發明涉及扭矩傳感器技術領域，特別涉及一種線型微納材料扭轉性能測量用MEMS諧振式扭矩傳感器。

背景技術

近年來，隨著納米技術的發展，微納材料被廣泛用于航空航天、軍事工業、生物醫學、自動控制等領域。材料的微觀力學性能與宏觀的經典力學性能存在很大的差異，所以微納材料的力學性能測試是一個重要的研究課題，其中已有較為成熟的測試方法如單軸拉伸法、梁彎曲實驗等，針對線型微納材料的拉伸和彎曲變形有了較深入的研究，但對材料在扭轉服役下的力學性能測試關注較少。

目前已經公開的專利中，有大量發明專利名為扭矩傳感器，但多數針對宏觀尺度下的材料扭轉性能測試，只有少數試驗臺可以實現微納尺度材料的原位扭轉測試與觀察，例如中國專利CN 105606459、CN 102788727A，以上專利都僅提供了一種對微納材料進行夾持、原位扭轉并在掃描電鏡下觀察的裝置，并未涉及扭轉力的定量測試；少數發明專利提及了微納材料扭矩力的定量測試，例如中國專利CN 103293066、CN105021338A，但主要發明內容仍在于原位扭轉測試臺，未提及扭矩傳感器的具體設計或測試測量方法；還有的發明專利提及了微納材料扭矩的具體測試方法，例如中國專利CN102128752A，但未采用應變式傳感器，而是根據旋轉臺中電流的大小直接計算扭矩。綜上，目前國內的發明專利中尚未有用于微納材料扭轉性能測量用的MEMS諧振式傳感器。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種線型微納材料扭轉性能測量用MEMS諧振式扭矩傳感器，體積小、靈敏度高、穩定性好，適用于50nm-500um直徑的線型微納材料的扭轉力學性能測試中的扭矩測量。

為達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種線型微納材料扭轉性能測量用MEMS諧振式扭矩傳感器，包括單晶硅基底1，單晶硅基底1上生長一層二氧化硅絕緣層2，二氧化硅絕緣層2上設有單晶硅結構層3；

單晶硅結構層3包括兩個相對的“Z”字形微放大梁，每個“Z”字形微放大梁包括輸入梁10-1、杠桿梁10-2、支點梁10-3和輸出梁10-4，杠桿梁10-2頂部與輸入梁10-1連接，杠桿梁10-2底部與輸出梁10-4的一端連接，杠桿梁10-2中下部與支點梁10-3的一端連接，輸入梁10-1通過連接梁11固定于第四錨點12-4上，兩個相對的輸入梁10-1上刻蝕出孔，兩個孔共同組成鍵槽16并安裝有鍵17，鍵17安裝有待測線型微納材料17-1，支點梁10-3的另一端與兩個杠桿梁10-2之間的第五錨點12-5連接；

輸出梁10-4的另一端和雙端固定諧振音叉13的底部連接，雙端固定諧振音叉13的頂部與第三錨點12-3連接，雙端固定諧振音叉13由兩根豎長諧振梁構成，雙端固定諧振音叉13的兩側連接有第一平板電容組14-1和第二平板電容組14-2，第一平板電容組14-1的另一側固定于第一錨點12-1上，第二平板電容組14-2的另一側固定于第二錨點12-2上；

除了所述錨點以外，其余結構下方的二氧化硅絕緣層2和單晶硅基底1都被刻蝕掉，即都處于懸空狀態；在第一錨點12-1、第二錨點12-2、第三錨點12-3上設有濺射的金屬電極板，分別為第一金屬電極板15-1、第二金屬電極板15-2和第三金屬電極板15-3；