CN111896150A - 基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，包括压电传感层、结构层、压电驱动层和基座；所述压电传感层、结构层和压电驱动层均为矩形梁结构，并依次相互粘合形成压电悬臂梁；压电悬臂梁的端部与基座连接；所述压电传感层与压电驱动层的极化方向相反；所述结构层接地。本发明还提供一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法。本发明可抑制电荷泄露对静态微尺度力检测精度的影响，实现分辨率高、响应速度快的鲁棒微尺度力检测，适合应用于精密定位、微纳操作等领域的力感知。同时，传感器的高频颤振可有效降低微尺度物体与末端执行器间黏滞力对微纳操作的干扰，提高微纳操作的效率。

Description

基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器及其测量方法
技术领域
本发明涉及压电微尺度力传感器，更具体地说，涉及一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器及其测量方法。
背景技术
压电材料是一种能实现机械能和电能相互转化的智能材料。压电材料具有正压电效应与逆压电效应。其中，正压电效应是指压电材料沿一定方向受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它两个相对表面上出现正负相反电荷的现象，可实现机械能向电能的转换，主要用于设计传感器；逆压电效应是指在压电材料极化方向上施加电场时，压电材料会发生变形的现象，可实现电能向机械能的转换，主要用于设计驱动器。压电传感器分辨率高、响应速度快、信噪比低，已广泛应用于精密定位、微纳操作等领域的力与位移测量。
压电悬臂梁是指含有压电材料且一端固定一端自由的梁，可在紧凑的结构中将末端受力转换为压电层感应电压，实现正压电效应；或在紧凑的结构中将压电层驱动电压转换为梁的挠曲变形，实现逆压电效应。压电悬臂梁可通过微细加工技术制造，是精密定位与微纳操作领域压电驱动器与压电传感器主要的实现形式之一。
现有的压电微尺度力传感器(包括压电悬臂梁微尺度力传感器)仅采用正压电效应，由于压电材料存在电荷泄露现象，传感器难以获得稳定精确的静态微尺度力测量值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器及其测量方法；本发明可抑制电荷泄露对静态微尺度力检测精度的影响，实现分辨率高、响应速度快的鲁棒微尺度力检测，适合应用于精密定位、微纳操作等领域的力感知。同时，传感器的高频颤振可有效降低微尺度物体与末端执行器间黏滞力对微纳操作的干扰，提高微纳操作的效率。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其特征在于：包括压电传感层、结构层、压电驱动层和基座；所述压电传感层、结构层和压电驱动层均为矩形梁结构，并依次相互粘合形成压电悬臂梁；压电悬臂梁的端部与基座连接；所述压电传感层与压电驱动层的极化方向相反；所述结构层接地。
所述压电传感层、结构层和压电驱动层的轴向长度均相等；所述压电传感层、结构层和压电驱动层的厚度均相等。
所述压电传感层和压电驱动层的平面内宽度相等。
所述压电悬臂梁的厚度小于等于压电悬臂梁的轴向长度。
所述压电悬臂梁的轴向长度与其最小径向特征尺寸的比值不小于10。压电悬臂梁满足平面假设和小变形假设。
一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：设置压电传感层、结构层、压电驱动层和基座，将压电传感层、结构层和压电驱动层依次相互粘合形成压电悬臂梁；压电悬臂梁的端部与基座连接；所述压电传感层与压电驱动层的极化方向相反；所述结构层接地；
在测量时，沿压电驱动层极化方向施加平均值为零的高频低幅值周期***变电压，在逆压电效应下使压电悬臂梁发生高频颤振，为压电传感层提供持续能量输入，抑制电荷泄露对微尺度力测量精度的影响；在正压电效应作用下，压电悬臂梁高频颤振将转化为沿压电传感层极化方向的交变感应电压；
同时在压电传感层的自由端作用集中微尺度力，使得在正压电效应作用下对交变感应电压平均值产生影响；通过检测交变感应电压平均值的变化可以实现压电悬臂梁的微尺度力的测量；所述自由端为压电传感层远离基座的端部。
当加载于压电驱动层的高频低幅值交变电压和加载于压电传感层自由端的集中微尺度力复合作用时，压电悬臂梁的感应电压平均值与集中微尺度力之间的关系式为：
Figure BDA0002576520960000031
式中，hz＝(hm/2)+hp，
Figure BDA0002576520960000032
为感应电压平均值，g31为压电驱动层和压电传感层的压电电压常数，L为压电悬臂梁轴向长度，F为集中微尺度力大小，b为压电悬臂梁的厚度，Ep为压电驱动层和压电传感层材料的弹性模量，Es为结构层材料的弹性模量，hm为结构层的平面内宽度，hp为压电驱动层和压电传感层的平面内宽度。
本发明微尺度力传感器为防止因压电悬臂梁颤振幅值过大引起的微纳操作或精密定位分辨率不足及误操作，加载于压电驱动层的高频交变电压幅值Uin需满足：
Figure BDA0002576520960000033
式中，α＝(hm+hp)/hp，fp为压电传感层在压电传感层和结构层构成的复合结构中所占的体积分数，d31为压电驱动层和压电传感层的压电应变常数，
Figure BDA0002576520960000034
为压电悬臂梁自由端的许用挠度。
本发明微尺度力传感器为防止所述微尺度力传感器压电传感层电压测量仪器噪声对传感器测量精度的影响，加载于压电驱动层的高频交变电压幅值Uin还需满足：
Figure BDA0002576520960000035
式中，
Figure BDA0002576520960000036
u为所述微尺度力传感器压电传感层电压测量仪器噪声信号的幅值。
本发明微尺度力传感器工作过程与驱动交变电压的类型、相位无关。
本发明基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的原理如下：
其一，对传感器沿压电驱动层极化方向施加平均值为零的高频低幅值周期***变电压，在逆压电效应下使压电悬臂梁发生高频颤振，为压电传感层提供持续能量输入，抑制电荷泄露对微尺度力测量精度的影响；传感器在正压电效应作用下，压电悬臂梁高频颤振将转化为沿压电传感层极化方向的交变感应电压；压电传感层自由端受集中微尺度力作用，在正压电效应作用下对交变感应电压平均值产生影响，通过检测交变感应电压平均值的变化可以实现微尺度力的精确测量。
其二，当传感器受加载于压电驱动层的高频低幅值交变电压和加载于压电传感层自由端的集中微尺度集中力复合作用时，依据线性电路叠加原理可得压电传感层感应电压平均值与微尺度集中力间的函数关系，构成基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的原理式。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明在逆压电效应下使压电悬臂梁发生高频颤振，为压电传感层提供持续能量输入，抑制电荷泄露对静态微尺度力检测精度的影响，并在集中微尺度力作用下通过正压电效应改变交变感应电压的平均值，实现分辨率高、响应速度快的鲁棒微尺度力检测，适合应用于精密定位、微纳操作等领域的力感知。同时，传感器的高频颤振可有效降低微尺度物体与末端执行器间黏滞力对微纳操作的干扰，提高微纳操作的效率。
附图说明
图1是本发明基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的主视图；
图2是本发明基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的立体图；
图3是本发明基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器受交变驱动电压和集中微尺度力复合作用时的变形图(实线区为初始状态；虚线区域为变形后的状态)；
其中，1为压电传感层；2为结构层；3为压电驱动层；4为基座。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1至图3所示，本发明一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其包括压电传感层1、结构层2、压电驱动层3和基座4，其中，压电传感层1、结构层2和压电驱动层3均为矩形梁结构，并依次相互粘合形成压电悬臂梁，压电悬臂梁的端部与基座4连接；压电传感层1与压电驱动层3的极化方向相反，结构层2接地。
本实施例的压电传感层1、结构层2和压电驱动层3的轴向长度L均相等，即为压电悬臂梁轴向长度L。压电传感层1、结构层2和压电驱动层3的厚度b均相等，即为压电悬臂梁的厚度b。压电悬臂梁的厚度b小于等于压电悬臂梁的轴向长度L。而压电传感层1和压电驱动层3的平面内宽度hp相等。该压电悬臂梁的轴向长度L与其最小径向特征尺寸S的比值不小于10，该压电悬臂梁满足平面假设和小变形假设。
本发明基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法是这样的：沿压电驱动层3极化方向施加平均值为零的高频低幅值周期***变电压，在逆压电效应下使压电悬臂梁发生高频颤振，为压电传感层1提供持续能量输入，抑制电荷泄露对微尺度力测量精度的影响；在正压电效应作用下，压电悬臂梁高频颤振将转化为沿压电传感层1极化方向的交变感应电压；同时在压电传感层1的自由端作用集中微尺度力F，在正压电效应作用下对交变感应电压平均值产生影响，通过检测交变感应电压平均值的变化可以实现微尺度力的精确测量。上述的自由端为压电传感层1远离基座4的端部。
本实施例的传感器受加载于压电驱动层3的高频低幅值交变电压和加载于压电传感层1自由端的集中微尺度力复合作用，依据线性电路叠加原理，反映传感器工作原理的感应电压平均值与集中微尺度力间关系式为：
Figure BDA0002576520960000051
式中，hz＝(hm/2)+hp，
Figure BDA0002576520960000061
为感应电压平均值，g31为压电驱动层3和压电传感层1的压电电压常数，L为压电悬臂梁轴向长度，F为集中微尺度力大小，b为压电悬臂梁的厚度，Ep为压电驱动层3和压电传感层1材料的弹性模量，Es为结构层2材料的弹性模量，hm为结构层2的平面内宽度，hp为压电驱动层3和压电传感层1的平面内宽度。
本实施例的传感器为防止因压电悬臂梁颤振幅值过大引起的微纳操作或精密定位分辨率不足及误操作，加载于压电驱动层3的高频交变电压幅值Uin需满足：
Figure BDA0002576520960000062
式中，α＝(hm+hp)/hp，fp为压电传感层1在压电传感层1和结构层2构成的复合结构中所占的体积分数，d31为压电驱动层3和压电传感层1的压电应变常数，
Figure BDA0002576520960000063
为压电悬臂梁自由端的许用挠度。
本实施例的传感器为防止所述微尺度力传感器压电传感层电压测量仪器噪声对传感器测量精度的影响，加载于压电驱动层的高频交变电压幅值Uin还需满足：
Figure BDA0002576520960000064
式中，
Figure BDA0002576520960000065
u为所述微尺度力传感器压电传感层电压测量仪器噪声信号的幅值。
本实施例的微尺度力传感器工作过程与驱动交变电压的类型、相位无关。
本实施例基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的原理是：
其一，对传感器沿压电驱动层3极化方向施加平均值为零的高频低幅值周期***变电压，在逆压电效应下使压电悬臂梁发生高频颤振，为压电传感层1提供持续能量输入，抑制电荷泄露对微尺度力测量精度的影响；传感器在正压电效应作用下，将压电悬臂梁高频颤振转化为沿压电传感层1极化方向的交变感应电压；压电传感层1自由端受集中微尺度力作用，在正压电效应作用下对交变感应电压平均值产生影响，通过检测交变感应电压平均值的变化可以实现微尺度力的精确测量。
其二，当传感器受加载于压电驱动层3的高频低幅值交变电压和加载于压电传感层1自由端的集中微尺度集中力复合作用时，依据线性电路叠加原理可得压电传感层1感应电压平均值与微尺度集中力间的函数关系，构成基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的原理式。
本实施例在逆压电效应下使压电悬臂梁发生高频颤振，为压电传感层1提供持续能量输入，抑制电荷泄露对静态微尺度力检测精度的影响，并在集中微尺度力作用下通过正压电效应改变交变感应电压的平均值，实现分辨率高、响应速度快的鲁棒微尺度力检测，适合应用于精密定位、微纳操作等领域的力感知。同时，传感器的高频颤振可有效降低微尺度物体与末端执行器间黏滞力对微纳操作的干扰，提高微纳操作的效率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其特征在于：包括压电传感层、结构层、压电驱动层和基座；所述压电传感层、结构层和压电驱动层均为矩形梁结构，并依次相互粘合形成压电悬臂梁；压电悬臂梁的端部与基座连接；所述压电传感层与压电驱动层的极化方向相反；所述结构层接地。
2.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其特征在于：所述压电传感层、结构层和压电驱动层的轴向长度均相等；所述压电传感层、结构层和压电驱动层的厚度均相等。
3.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其特征在于：所述压电传感层和压电驱动层的平面内宽度相等。
4.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其特征在于：所述压电悬臂梁的厚度小于等于压电悬臂梁的轴向长度。
5.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其特征在于：所述压电悬臂梁的轴向长度与其最小径向特征尺寸的比值不小于10。
6.一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：设置压电传感层、结构层、压电驱动层和基座，将压电传感层、结构层和压电驱动层依次相互粘合形成压电悬臂梁；压电悬臂梁的端部与基座连接；所述压电传感层与压电驱动层的极化方向相反；所述结构层接地；
在测量时，沿压电驱动层极化方向施加平均值为零的高频低幅值周期***变电压，在逆压电效应下使压电悬臂梁发生高频颤振，为压电传感层提供持续能量输入，抑制电荷泄露对微尺度力测量精度的影响；在正压电效应作用下，压电悬臂梁高频颤振将转化为沿压电传感层极化方向的交变感应电压；
同时在压电传感层的自由端作用集中微尺度力，使得在正压电效应作用下对交变感应电压平均值产生影响；通过检测交变感应电压平均值的变化可以实现压电悬臂梁的微尺度力的测量；所述自由端为压电传感层远离基座的端部。
7.根据权利要求6所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：当加载于压电驱动层的高频低幅值交变电压和加载于压电传感层自由端的集中微尺度力复合作用时，压电悬臂梁的感应电压平均值与集中微尺度力之间的关系式为：
Figure FDA0002576520950000021
式中，hz＝(hm/2)+hp，
Figure FDA0002576520950000022
为感应电压平均值，g31为压电驱动层和压电传感层的压电电压常数，L为压电悬臂梁轴向长度，F为集中微尺度力大小，b为压电悬臂梁的厚度，Ep为压电驱动层和压电传感层材料的弹性模量，Es为结构层材料的弹性模量，hm为结构层的平面内宽度，hp为压电驱动层和压电传感层的平面内宽度。
8.根据权利要求6所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：加载于压电驱动层的高频交变电压幅值Uin需满足：
Figure FDA0002576520950000023
式中，α＝(hm+hp)/hp，fp为压电传感层在压电传感层和结构层构成的复合结构中所占的体积分数，d31为压电驱动层和压电传感层的压电应变常数，
Figure FDA0002576520950000026
为压电悬臂梁自由端的许用挠度。
9.根据权利要求8所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：加载于压电驱动层的高频交变电压幅值Uin还需满足：
Figure FDA0002576520950000024
式中，
Figure FDA0002576520950000025
u为所述微尺度力传感器压电传感层电压测量仪器噪声信号的幅值。
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