低刚度高谐振频率的新型微压电悬臂梁探针的结构设计
悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的研究
悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的研究苏莹;闫树斌;张志东;汤跃;王瑞兵;陈慧斌【摘要】针对传统微压传感器灵敏度低、体积大的问题,提出了一种新型悬臂梁式环形谐振腔微压传感器.首先理论分析了悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的工作原理,然后对悬臂梁结构进行了建模仿真,同时也确定了悬臂梁和环形谐振腔的最佳结构参数,最后利用MEMS工艺在SOI材料上制备了该新型传感器.利用光学耦合测试平台,对所加工的环形谐振腔进行性能测试,实验测得环形谐振腔的Q值为7.75×104,传感器的灵敏度为31 pm/kPa,可以满足微压传感器高灵敏度的要求.%In view of traditional micro pressure sensor has low sensitivity and big volume,a new type sensor of the ring resonator integrated on cantilever was presented.Firstly the working principle of micro pressure sensor of cantilever beam circular resonant cavity was theoreticallyanalyzed.Meanwhile,the mechanical property of cantilever was simulated and the structural parameters of cantilever and micro-ring resonator were set up,finally the ring resonator and cantilever were manufactured on SOI using MEMS technology.The coupling testing system was built to test the transmission properties of the ring resonator.The experiment shows that the Q value of the ring resonator is 7.75×104 and the sensitivity of the sensor is 31 pm/kPa.The result can meet the requirement of micro-pressure sensor with high sensitivity.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P9-12,16)【关键词】微压传感;绝缘体上硅;悬臂梁;环形谐振腔;灵敏度;品质因数【作者】苏莹;闫树斌;张志东;汤跃;王瑞兵;陈慧斌【作者单位】中北大学,电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051;中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;中北大学,电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051;中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;中北大学,电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051;中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;中北大学,电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051;中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;中北大学机电工程学院,山西太原 030051;中北大学机电工程学院,山西太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TN256传统压力传感器核心敏感单元为机械结构，以弹性元件的形变来表征压力变化，但此类传感器质量重、尺寸大，输出的电信号精度难以达到要求。
低刚度高谐振频率的新型微压电悬臂梁探针的结构设计
（ ｐ ｒｍｅｔ ｆＰｒｃｓ ｎＭａ ｈｎ ｒ ｎ ｒｃｓ ｎＩｓｒｍｅ ｔｔ ｎ， ｉｅｓ ｙｏ ｃｅｃ ｎ ｃｎ ｌｇ ｆＣ ｉａ， ｆ ｉ ３ ０ ７ Ｃ ｉａ） Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｅｉｉ ｃｉｅｙａ ｄ Ｐ ｅｉｉ ｎｔｕ ｎａｉ Ｕｎｖ ｒｉ ｆＳ ｉｎｅ ｄＴｅｈ ｏｏ ｙｏ ｈｎ Ｈｅ ｅ ２ ０ ２ ， ｈｎ ｏ ｏ ｏ ｏ ｔ ａ
ｙｎ ｈ ｆｅ ｔ ｆｃ ｎ ｉ ｖ ｒ Ｓｇ ｏ ｔｉ ａ ａ ｔｒ ｎ ｍｅ ｈ ｎｃ ｌｐ ｒｏ ｍａ ｃ ，ｔ ｅｃ ｎ ｉ ｖ ｒｓ ｒ ｃ ｕ ｅｉ ｉｇ ｔ ｅｅ ｆｃｓｏ ａ ｔ ｅ ｅ ’ ｅ ｍｅ ｒｃｐ ｒ ｍｅｅ ｓｏ ｃ ａ ｉａ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｈ ａ ｔ ｅ ｅ ｔｕ ｔ ｒ ｓ ｌ ｌ
维普资讯
第１ ９卷
第 ５期
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＩＥ Ｅ Ｊ Ｕ ￣Ａ Ｆ Ｓ Ｎ Ｏ Ｓ Ａ Ｄ Ａ Ｔ Ａ Ｏ Ｓ ＨＮ Ｓ Ｏ Ｐ Ｌ Ｏ Ｅ Ｓ Ｒ Ｎ Ｃ Ｕ Ｔ Ｒ
Ｖｏ ． ９ ＮＯ ５ １１ ． ０ｃ ． ０ ６ ｔ２ ０
ｖ ｒｍ ｏ ｅ ｓ ｆ ｕ ｄ ｄ，ｆ ｒ ｕ ａ ｆｅ ａ ｔ ｏ ｓ ａ ｔ ａ ｄ ｒ ｓ ｎ ｎ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ａ ｅ ｅ ｕ ｅ ｏ ｏ — ｅ ｔ ｎ ｌ ｅ ｄ ｌｉ ｏ ｎ ｅ ｏ ｍ ｌ ｓ ｏ ｌ ｓ ｉ ｃ ｎ ｔ ｎ ｎ ｅ ｏ ａ ｃ ｒ ｑ ｅ ｃ ｒ ｄ ｃ ｄ ｆ ｒ ｎ ｎ ｒ ｃ ａ ｇ ｅ ｃ
ａ ｄｒｓ ｎ ｎ ｅｆｅ ｕ ｎ ｙｏ ｅｄ ｓ ｎ ｄｃｎ ｉ ｖ ｒｐ ｏ ｅａｅ４Ｎ／ ｎ ４ Ｈｚ ｅｐ ｃｉｅｙ ｙｓｕ — ｎ ｅｏ ａ ｃ ｒｑ ｅ ｃ ｆｔ ｅｉ ｅ ａ ｔｅ ｅ ｒｂ ｒ ｍ ａ ｄ２ ５ｋ ，ｒｓ ｅｔ ｌ．Ｂ ｔｄ ｈ ｇ ｌ ｖ
悬臂梁加速度传感器设计
~
三、悬臂梁与质量块设计
梁结构设计 根据设计指标估计如下结构参数 梁长度为16.5mm,伸出部分为12.5mm，固定端为8mm
梁厚度为1mm，体积约为95mm3
~ 材料初选为 普通碳钢，密度������ = 7.8������/cm3
普通碳钢性能表
三、悬臂梁与质量块设计
~
三、悬臂梁与质量块设计
目录
CONTENTS
设计思路 设计任务及技术指标 悬臂梁与质量块设计 设计结果
二、设计任务及技术指标
测量范围：800g
精度：1%
频响：1~1000HZ
~ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
重量：不大于200g
电桥电压：5V
目录
CONTENTS
设计思路 设计任务及技术指标 悬臂梁与质量块设计 设计结果
三、悬臂梁与质量块设计
整体结构图
梁零件图
~
三、悬臂梁与质量块设计
质量块设计 质量块分为上下两个质量块，材料选择铍青铜，密度 ������ = 8������/cm3
~
铍青铜性能表
三、悬臂梁与质量块设计
上下质量块零件图
~
三、悬臂梁与质量块设计
计算梁的最大绕度 绕度反映了梁与质量块的活动空间
~
三、悬臂梁与质量块设计
有限元分析
通过算出质量块的等效质 位移图
四、设计结果
梁材料 普通碳钢 质量块材料 铍青铜 壳体材料 透明硬质塑料 阻尼材料 甲基硅油，阻尼比������ = ������. ~ ������ 应变片 硅应变片，基底尺寸������ × ������mm������ ，硅片尺寸������ × ������. ������ × ������. ������������mm������
低频微振检测MEMS传感器悬臂结构设计及仿真
低频微振检测MEMS传感器悬臂结构设计及仿真【摘要】：针对传统有线微振检测传感器故障几率高、测试成本高的问题，基于MEMS制造技术，设计并制造了无线微振检测传感器。
设计实验系统研究其动态特性，实验结果表示，该检测传感器的动态响应速度比较快，并且具备良好的重复稳定性、良好线性度，能够实现低频振动测试。
【关键词】：低频微振检测；MEMS传感器；悬臂结构；仿真低频微振检测MEMS传感器以梁结构作为核心部分，具有较高的过载功率和在线检测功能。
本文分析其谐振特性，给出MEMS仿真加工工艺，为实际生产加工[1]提供理论依据。
1工作原理为了使谐振器能够不断振动，要使用合适的激励方式。
在传感器设计中的激励方式包括静电激励、电磁激励、电热激励、压电激励、光热激励等。
为了能够对梁振动频率进行实时检测，拾振方式包括电磁、电容、压电、光信号和压阻等。
本文使用电热激励驱动，压阻拾振方式进行检测。
电热激励的方法比较容易被控制、结构简单，是基于梁的热膨胀原理。
激振电阻能够产生热量，在梁长度和法向构成温度梯度，法向温度梯度导致梁在法向上膨胀梯度，能够使梁产生弯曲变形。
所以，对热激励电阻施加变焦电压，梁能够产生交变温度应力，从而使悬臂梁出现振动，梁上的幅值和应力是最大化。
在悬臂梁根部表面实现拾振电桥的设计，对悬臂谐振器谐振导致的应力变化检查，从而检测谐振信号[2]，微悬臂梁谐振频率为：公式中的E指的是梁的杨氏模量，指的是梁密度，I指的是梁的截面惯量矩，A指的是梁的横截面积，L为梁的长度。
2结构设计2.1微热板的制备工艺在单晶硅表面通过低压化学气相沉积技术和热氧化技术制作Si3N4和SiO2薄膜，对两者进行控制，使微热板压力得到降低。
然后实现铂薄膜的制作，刻蚀图形化铂薄膜加热电阻，通过等离子体使化学气相沉积（PECVD）在硅片正面实现SiO2钝化层的沉积，并且制作引出电极。
通过背面湿法去除异性腐蚀多余的硅材料，固支边和微热板利用相同材料的微型梁相互连接，制作工艺为：（1）热氧化SiO2。
悬臂梁式纬纱张力传感器结构优化
定义需要求解的结构问题
的加工难度,忽略颜色较浅的部分,直接采用挖空 的 形
式来去除材料,结果如图 6 所示。可以看出,主 要 去 除
选择合理的优化单元类型
的材料集中在自 由 端 和 中 间 部 分,其 中 材 料 实 际 裁 剪
的位置和拓扑优 化 的 位 置 存 在 差 异,所 以 两 者 最 终 的
析,计算出悬臂梁在不同频率下的滞后相位角,并 根 据
主轴的转速计算出滞后的时间。
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纺织科技进展
· 34 ·
2021 年第 2 期
比为 0
.3,密度为 7
.9kg/m3 。
2 悬臂梁的模态拓扑优化
2
.1 模态拓扑优化
根据单自由度弹簧阻尼系统计算无阻尼固 有 频 率
公式 ω0 = k/m 可知,模态分析模型的固有频率与刚
[(
119a2 +952ab +1785b2 -
度k 正相关,与质量 m 负相关。 当体积模型发生变化
时,不仅存在质量的变化,还存在刚度的变化。这 就 导
l
ane
2和
结论:当b =0 时,
B 函数取得最大值,并随着悬臂梁自
P
l
ane
82 单 元、三 维 模 型 的 s
o
l
i
d92 和 s
o
l
i
d95 单 元,进
由端宽度与固定端宽度的比值b/
a 上升而下降。
行拓扑 优 化 时 要 选 择 正 确 的 单 元 类 型。 在 优 化 过 程
当等强度梯 形 悬 臂 梁 自 由 端 宽 度 b =0 时,由 式
低刚度高谐振频率的新型微压电悬臂梁探针的结构设计
传 感 技 术 学 报
CHIN ES E J OU RNAL O F S ENSORS AND ACTUA TORS
Vol . 19 No. 5 Oct . 2006
Structural Design of Novel Micro Piezoelectric Cantilevers with Lo w Stiffness and High Resonance Frequency
1350
传 感 技 术 学 报
2006 年
对于不等截面的悬臂梁 , 可先将其分成若干个 等截面的梁 ,图 2 中的悬臂梁可简化为由两个等截 面梁组成的悬臂梁 , 其中自由端三角形部分简化为 矩形 ,如图 4 所示 ; 在单独计算每个等截面梁的抗弯 刚度后 ,再综合计算整个复合梁的弹性常数 .
图1 新型压电探针阵列单元结构示意图
与传统的压电探针相比 , 新型探针由两部分组 成 ,便于分开加工 , 减少工序之间的相互制约 . 在以 往的 探 针 中 , 针 尖 和 压 电 层 位 于 悬 臂 梁 的 同 一 侧
[ 1 ,8 ]
图2 探针阵列单元结构及悬臂梁自由端放大图
1. 2 新型压电探针加工工艺安排
Abstract :Based o n t he applicatio ns in ult ra2high2densit y data storage , a novel micro piezoelect ric cantilever is designed , and t he p ro be fabricatio n p rocess arrangement is made as well . Af ter a mo re accurate cantile2 ver model is fo unded , formulas of elastic co nstant and reso nance f requency are educed fo r no n2rectangle cro ss2sectio ned multi2layered co mpo sed cantilever s. Calculated wit h t hese formulas , t he elastic co nstant and reso nance f requency of t he designed cantilever p ro be are 4 N/ m and 245 k Hz , respectively. By st ud2 ying t he effect s of cantilever ’ s geo met ric parameter s o n mechanical performance , t he cantilever st ruct ure is op timized for ult ra2high2densit y data storage. Key words :ult ra2high2densit y data storage ; micro piezoelect ric cantilever ; st ruct ural design ; stiff ness ; res2 o nant f requency EEACC :2575 ;2860
ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究
ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究张敏亮;谭晓兰;王峰【摘要】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.%When pressure is applied on the piezoelectric micro-cantilever with ZnO thin film, the sensitivity of the sensor can be directly determined by the generated charge. This paper deduces the equation, which is used to consider the relationship between the F and the Q, of the multi-layer micro-cantilever by the method of equivalent cross section. It provides the theoretical basis for the force measurement of the sensor. As compared with the micro-cantilever structure size, its sensitivity and resolution are improved. This study gives a reference to the design and optimization of the piezoelectric micro-cantilever pressure sensor.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2013(042)001【总页数】3页(P31-32,62)【关键词】微压力传感器;微悬臂梁;ZnO薄膜;力-电荷量方程【作者】张敏亮;谭晓兰;王峰【作者单位】北方工业大学机电工程学院,北京100144;北方工业大学机电工程学院,北京100144;北方工业大学机电工程学院,北京100144【正文语种】中文【中图分类】TH12本文介绍采用MEMS技术制作的压电薄膜应用于微传感器、微驱动器和微执行器等。
具有激振和测振的新型压电微悬臂梁设计(精)
675
图 1 压电微悬臂梁结构示意图 Fig. 1 Cross section of piezoelect ric microcantilever
复合微悬臂梁固有频率可以表示为[16] :
fi
=
λ2i 2πL 2
∑Ei I i Aρc
=
λ2i 2πL 2
∑ ∑ Ei I i
mc/ L
,
ρc hc
美国明尼苏达大学曾设计了一种双层 PZT 压电材料的复合微悬臂梁[13] ,具有激振和敏感功能 ,其结 构复杂 ,制作难度高. 荷兰团特大学 ( U niver sit y of Twente) 对压电激振作了电学模拟[14] . Weinberg 则对 与压电激振和敏感相关的工作方程进行了较为充分的研究[15] .
;
(5)
式中 , h 为微悬臂梁的总厚度 , Ep , vp , hp , zp 分别是 PZT 的杨氏模量 、泊松比 、PZT 薄膜的厚度及其厚度中
心至微悬臂梁中平面的距离.ε3T3 和 k31 是 PZT 薄膜的自由介电常数和耦合系数 , d31 为 PZT 的压电系数 ,
A
a e
为激振电极面积
n
∑ ∑ Y (jω)
= Io Ui
=
jωA
s e
εT 33
(1 hp
k231 )
+
∞ n=1
4 (1
jω
- vp ) 2 hp
A
a e
Ep2
d231
zp
h{
[ <′n ( xi1 ) - <′n ( x i2 ) ]} 2
i =1
ω2n [ 1 + (jω/ωn) 2 + (jω/ωn) / Qn ] M n