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压电微悬臂梁传感技术的研究

作　者: 唐洁
导　师: 李艳宁
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 压电微悬臂梁微悬臂梁压电薄膜共振频率微弱信号检测
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

原子力显微镜的发明和发展为我们提供了一种高灵敏度的传感器件-微悬臂梁。微悬臂梁有两种工作模式,即弯曲模式和共振模式。弯曲模式测量微悬臂梁在外力作用下的静态形变,共振模式测量微悬臂梁共振频率的变化。理论上,微悬臂梁的共振频率与其有效质量的1/2次幂成倒数关系,当被测物质吸附于微悬臂梁上后,微悬臂梁的共振频率减小,通过检测微悬臂梁共振频率的变化可以进行被测物质的定量分析。利用这个原理可以构建以微悬臂梁为传感元件的传感器,在汽车、航空航天、生物、化学、环保、军事等领域有广泛的应用前景。本课题从微悬臂梁共振频率传感原理出发,提出了一种新型的压电微悬臂梁传感技术。微悬臂梁表面利用微加工技术制备的压电薄膜不仅可以作为激励元件,同时也可以作为传感元件。本文结合所设计的激励电路以及两种微悬臂梁共振频率检测电路,对压电微悬臂梁进行了检测实验。实验结果表明,差模放大电路能够基本检测出空气中压电微悬臂梁的共振频率,而另一种电路与前一种相比需要优化。本文的主要研究内容包括:1.通过对微悬臂梁高频机械振动的理论分析,推倒出微悬臂梁共振频率与被测质量变化之间的关系,奠定了微悬臂梁传感元件的共振法信号检测基础;2.研究微悬臂梁振动时压电薄膜产生的压电电流变化规律,为共振频率检测电路的设计提供了理论依据,并在此基础上设计并调试了压电微悬臂梁共振频率检测电路;3.设计并调试了压电微悬臂梁扫频激励的模拟电路,可使微悬臂梁从0～80kHz实现扫频,为数字化扫频激励电路提供了技术基础;4.设计并加工了压电微悬臂梁支架,为构建微悬臂梁生物传感器的测头提供了初步模型。同时,该支架可用到DI的多功能SPM中,补充目前SPM支架的不足。另外,该支架还可以应用到MEMS动态检测系统中,用于微悬臂梁的激振和检测;5.设计并调试了压电微悬臂梁共振频率检测系统软件,结合设计的电路对压电微悬臂梁进行检测实验,并对实验结果做了分析和讨论。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-7
第一章绪论  7-18
  1.1 微悬臂梁概述  7-10
    1.1.1 微悬臂梁结构  7-8
    1.1.2 微悬臂梁的两种工作模式  8-10
  1.2 微悬臂梁传感技术的发展现状及应用  10-14
    1.2.1 基于微悬臂梁的气体传感器  11
    1.2.2 基于微悬臂梁的生物传感器  11-13
    1.2.3 基于微悬臂梁阵列的微传感器  13-14
  1.3 压电微悬臂梁传感技术的发展现状  14-16
    1.3.1 压电微悬臂梁加速度计  14-15
    1.3.2 压电微悬臂梁应力传感器  15-16
  1.4 选题背景、主要工作及意义  16-18
第二章微悬臂梁共振频率传感及检测原理  18-26
  2.1 微悬臂梁共振频率的理论分析  18-22
    2.1.1 空气中微悬臂梁共振频率的理论分析  18-20
    2.1.2 液体中微悬臂梁共振频率的分析  20-22
  2.2 微悬臂梁激励与检测方法  22-26
    2.2.1 微悬臂梁的激励方法  22
    2.2.2 微悬臂梁检测方法  22-26
第三章压电微悬臂梁传感系统设计  26-34
  3.1 系统结构  26-28
  3.2 压电微悬臂梁结构及支架设计  28-30
    3.2.1 压电微悬臂梁参数  28-29
    3.2.2 微悬臂梁支架设计  29-30
  3.3 压电微悬臂梁传感原理  30-31
    3.3.1 正压电效应  30
    3.3.2 逆压电效应  30-31
    3.3.3 压电微悬臂梁自激自检的工作原理  31
  3.4 压电微悬臂梁振动产生的压电电流分析  31-34
第四章压电微悬臂梁检测电路及软件实现  34-48
  4.1 正弦波激励电路  34-35
  4.2 压电薄膜等效电路分析  35-37
    4.2.1 压电薄膜等效电路  35-36
    4.2.2 电压放大器和电荷放大器  36-37
  4.3 压电微悬臂梁检测电路设计  37-42
    4.3.1 电流-电压转换电路  37-38
    4.3.2 前置运算放大器  38-39
    4.3.3 压电微悬臂梁前置放大电路  39-41
    4.3.4 电压跟随器和二级放大电路  41-42
  4.4 压电微悬臂梁共振频率检测系统软件实现  42-48
    4.4.1 系统软件总体结构  42-43
    4.4.2 总程序  43-44
    4.4.3 各部分程序设计  44-48
第五章实验及结果讨论  48-60
  5.1 正弦激励电路实验  48-49
  5.2 压电薄膜漏电阻及等效电容测量  49-55
    5.2.1 放大器性能测试  49-52
    5.2.2 压电薄膜漏电阻及等效电容测量  52-55
  5.3 增加抵偿支路后的电路调节  55-58
    5.3.1 增加抵偿支路后的电路  55-56
    5.3.2 电路调节结果与讨论  56-58
  5.4 电路中的抗干扰技术  58-60
第六章结论与展望  60-62
参考文献  62-66
硕士期间科研及发表论文、专利情况  66-67
致谢  67

压电微悬臂梁传感技术的研究

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