壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)論文課件

1、 本科畢業(yè)論文開題報(bào)告報(bào)告人:徐彪指導(dǎo)老師:王海200.壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)可行性研究及基本工作思路論文工作計(jì)劃文獻(xiàn)綜述(一)文獻(xiàn)綜述(二)預(yù)期結(jié)果及合理化設(shè)想可行性研究及基本工作思路1.可行性研究: 壓電微懸臂梁是一種利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)微懸臂梁使其振動(dòng),并利用壓電元件的壓電效應(yīng)來檢測(cè)梁的變形量的集成微驅(qū)動(dòng)器和微傳感器。 微懸臂梁是一種在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)中常用到的結(jié)構(gòu),其多用于微小力檢測(cè)、加速度檢測(cè)、生物化學(xué)檢測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面。微懸臂梁具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍,其諧振頻率可從數(shù)十赫茲做到數(shù)兆赫茲,適于多種場(chǎng)合。同時(shí)微懸臂梁有很高的分辨率,以微小力檢測(cè)為例:原子力顯

2、微鏡能檢測(cè)到10-12N的微小作用力。微懸臂梁諧振時(shí)其自由端在垂直方向振幅為10nm甚至更小,因此其變形檢測(cè)方法要有很高的分辨率。 目前檢測(cè)微懸臂梁變形量的方法主要有隧道電流法、電容法、光學(xué)檢測(cè)法及壓電、壓阻效應(yīng)法。在這幾種檢測(cè)方法中,壓電效應(yīng)檢測(cè)法以其體積小,裝置簡(jiǎn)單,分辨率高, 靈敏度高，并且由于壓電效應(yīng)的可逆性，易于與壓電微執(zhí)行器集成，且壓電元件可兼做驅(qū)動(dòng)元件等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。.基本工作思路:(1)、調(diào)研國(guó)內(nèi)外已有研究成果，掌握其原理，吸收其經(jīng)驗(yàn)；(2)、對(duì)壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路；(3)、將壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)進(jìn)行放大、處理、降低信

3、號(hào)的信噪比，檢出。論文的工作計(jì)劃第五周第六周（4月2日15日）：調(diào)研國(guó)內(nèi)外已有研究成果，并整理相關(guān)資料進(jìn)行初步的研究。第七周第八周（4月16日29日）：對(duì)壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)進(jìn)行研究，掌握其原理和基本的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路。第十周第十一周（5月7日5月20日）：研究壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)處理，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、處理，降低信號(hào)的信噪比，檢出。第十二周第十三周（5月21日6月3日）：撰寫論文。第十四周（6月4日10日）：對(duì)畢業(yè)論文進(jìn)行整理、修改和補(bǔ)充。一、壓電微懸臂梁微弱壓電信號(hào)檢測(cè) 李 磊、褚家如、平志明 (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系,合肥230026

4、)1、要點(diǎn): 壓電微懸臂梁是一種利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)微懸臂梁使其振動(dòng), 壓電微懸臂的機(jī)械諧振頻率是由其形狀、尺寸、材料等決定的。壓電微懸臂梁的工作原理是:在壓電層的上下電極之間施加交變電壓,由于逆壓電效應(yīng),在壓電層上將產(chǎn)生相應(yīng)的變形從而帶動(dòng)微懸臂梁振動(dòng)。同時(shí),由于正壓電效應(yīng),微懸臂梁的振動(dòng)在壓電層上將產(chǎn)生電荷的積聚。利用壓電元件的壓電效應(yīng)來檢測(cè)梁的變形量的集成微驅(qū)動(dòng)器和微傳感器。 文中討論了壓電微懸臂梁中的壓電元件的兩種等效電路模型,并且提出了檢測(cè)微壓電信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)（檢測(cè)系統(tǒng)主要包括前置放大器、函數(shù)發(fā)生器、鎖相放大器以及計(jì)算機(jī)）以及兩種前放電路。在測(cè)試系統(tǒng)中分別使用了以上兩種放大電路

5、進(jìn)行壓電信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn),檢測(cè)樣品為自制的壓電微懸臂梁，并且在檢測(cè)微懸臂梁頻率響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)中得到了較好的結(jié)果。 2、綜合分析: 文中討論了壓電微懸臂梁中的壓電元件的兩種等效電路模，并且提出了檢測(cè)微壓電信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)以及兩種放大電路。在檢測(cè)微懸臂梁頻率響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)中用了他們自行設(shè)計(jì)的差動(dòng)電荷放大電路和差動(dòng)電流放大電路以及整個(gè)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)出壓電微懸臂梁的壓電信號(hào)。兩種電路都能較好的檢測(cè)出微懸臂梁在諧振狀態(tài)卜的幅度和相位。兩種前放電路中，差動(dòng)電荷放大電路靈敏度較高，但是其原件較多，差動(dòng)調(diào)平衡較難，噪聲引入環(huán)節(jié)較多;差動(dòng)電流放大電路元件少，電路簡(jiǎn)單，適于集成。 通過比較可知，使用兩路差動(dòng)檢測(cè)

6、的方法能夠較好的去除激勵(lì)信號(hào)以及漂移和干擾信號(hào)的影響，可以用于微懸臂梁的進(jìn)一步應(yīng)用。 二、壓電薄膜微力傳感器特性研究盧曉光 （大連理工大學(xué)物理電子學(xué)系）1、要點(diǎn): 基于壓電PZT薄膜的微力傳感器的性能主要依賴于PZT薄膜的性能、微力傳感器結(jié)構(gòu)和基于微系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)三個(gè)因素，本文對(duì)基于雙壓電PZT薄膜單元的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，搭建了微力系統(tǒng)測(cè)試的通用平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上對(duì)微懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感和執(zhí)行性能的測(cè)試和PZT薄膜的橫向壓電系數(shù)d31測(cè)量進(jìn)行了深入研究. 基于電子天平，電荷放大器和鎖相放大器為核心的通用微系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。微力傳感器系統(tǒng)本身尺寸在m量級(jí)，N級(jí)小力的產(chǎn)生和控制又比較困難，在N級(jí)微小力作用下壓

7、電材料產(chǎn)生的電荷信號(hào)非常微弱，微力傳感器系統(tǒng)的測(cè)試和校準(zhǔn)較宏觀傳感器難度更大。所以開展適用于微力傳感器系統(tǒng)測(cè)試的方法研究，搭建實(shí)用、可靠的微結(jié)構(gòu)性能參數(shù)測(cè)試平臺(tái)十分關(guān)鍵。2、綜合分析: PZT薄膜的壓電性能是壓電微力傳感器以及其它壓電MEMS器件性能優(yōu)劣的關(guān)鍵，以提高PZT薄膜的壓電性能為目標(biāo)，需進(jìn)一步完善PZT薄膜制備工藝:根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及本文的實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)力或者應(yīng)變對(duì)鐵電薄膜的壓電性能有一定影響，仍需要做深入研究。 從壓電微力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝以及信號(hào)檢測(cè)等方面進(jìn)一步探討提高微力傳感器靈敏度的方法;具體的應(yīng)用環(huán)境下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要有些特殊性。 針對(duì)本文設(shè)計(jì)的具有雙壓電單元的壓電薄膜微懸臂梁

8、，需進(jìn)一步探索其應(yīng)用模式。本文在雙層和雙片PZT壓電薄膜微懸臂梁測(cè)量和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了很多有意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 需從鐵電PZT薄膜材料和微懸臂梁結(jié)構(gòu)角度深入探討其理論機(jī)理。將雙層和雙片PZT壓電薄膜微懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于具體的微操作及生物力學(xué)等測(cè)量環(huán)境中，開展更為廣闊的應(yīng)用研究。合理化設(shè)想 微懸臂梁是一種在微電子機(jī)械系統(tǒng)(M EM S) 中常用到的結(jié)構(gòu), 其多用于微小力檢測(cè)、加速度檢測(cè)、生物化學(xué)檢測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面。通過檢測(cè)微懸臂的振動(dòng)變化情況就能得到所需要的被測(cè)量。微懸臂梁具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍, 其諧振頻率可從數(shù)十赫茲做到數(shù)兆赫茲, 適于多種場(chǎng)合。同時(shí)微懸臂梁有很高的分辨率, 因此其變形檢測(cè)方法要有很高的分辨率。目前檢測(cè)微懸臂梁變形量的方法主要有隧道電流法、電容法、光學(xué)檢測(cè)法及壓電、壓阻效應(yīng)法。在這幾種檢測(cè)方法中, 壓電效應(yīng)檢測(cè)法以其體積小, 裝置簡(jiǎn)單, 分辨率高,對(duì)信號(hào)檢測(cè)的要求更是嚴(yán)格。所以以下就對(duì)壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)提出幾點(diǎn)拙劣的建議。1：進(jìn)一步深入地研究壓電效應(yīng)，根據(jù)壓電薄膜的材料選擇壓電信號(hào)檢測(cè)的手段、方法，設(shè)計(jì)最優(yōu)的檢測(cè)電路，更好更精確的檢測(cè)信號(hào)，提高檢