CN106525304B - 一种线型微纳材料扭转性能测量用mems谐振式扭矩传感器 - Google Patents
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Abstract
一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,包括单晶硅基底、二氧化硅绝缘层和单晶硅结构层,单晶硅结构层包括两个“Z”字形微放大梁,其杠杆梁顶部与输入梁连接,杠杆梁底部与输出梁的一端连接,杠杆梁中下部通过支点梁与两个杠杆梁之间的第五锚点连接,输入梁通过连接梁固定于第四锚点上,两个相对的输入梁之间连接的键上安装有待测线型微纳材料,输出梁的另一端和双端固定谐振音叉连接,双端固定谐振音叉与第三锚点连接,双端固定谐振音叉的平板电容组固定于第一、第二锚点上,除锚点外的结构处于悬空状态;通过第一、第二、第三锚点上溅射的金属电极板,整个传感器被置于一个自激振荡电路中,本发明体积小、灵敏度高、测量范围大。
Description
技术领域
本发明涉及扭矩传感器技术领域,特别涉及一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器。
背景技术
近年来,随着纳米技术的发展,微纳材料被广泛用于航空航天、军事工业、生物医学、自动控制等领域。材料的微观力学性能与宏观的经典力学性能存在很大的差异,所以微纳材料的力学性能测试是一个重要的研究课题,其中已有较为成熟的测试方法如单轴拉伸法、梁弯曲实验等,针对线型微纳材料的拉伸和弯曲变形有了较深入的研究,但对材料在扭转服役下的力学性能测试关注较少。
目前已经公开的专利中,有大量发明专利名为扭矩传感器,但多数针对宏观尺度下的材料扭转性能测试,只有少数试验台可以实现微纳尺度材料的原位扭转测试与观察,例如中国专利CN 105606459、CN 102788727A,以上专利都仅提供了一种对微纳材料进行夹持、原位扭转并在扫描电镜下观察的装置,并未涉及扭转力的定量测试;少数发明专利提及了微纳材料扭矩力的定量测试,例如中国专利CN 103293066、CN105021338A,但主要发明内容仍在于原位扭转测试台,未提及扭矩传感器的具体设计或测试测量方法;还有的发明专利提及了微纳材料扭矩的具体测试方法,例如中国专利CN102128752A,但未采用应变式传感器,而是根据旋转台中电流的大小直接计算扭矩。综上,目前国内的发明专利中尚未有用于微纳材料扭转性能测量用的MEMS谐振式传感器。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供了一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,体积小、灵敏度高、稳定性好,适用于50nm-500um直径的线型微纳材料的扭转力学性能测试中的扭矩测量。
为达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,包括单晶硅基底1,单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2,二氧化硅绝缘层2上设有单晶硅结构层3;
单晶硅结构层3包括两个相对的“Z”字形微放大梁,每个“Z”字形微放大梁包括输入梁10-1、杠杆梁10-2、支点梁10-3和输出梁10-4,杠杆梁10-2顶部与输入梁10-1连接,杠杆梁10-2底部与输出梁10-4的一端连接,杠杆梁10-2中下部与支点梁10-3的一端连接,输入梁10-1通过连接梁11固定于第四锚点12-4上,两个相对的输入梁10-1上刻蚀出孔,两个孔共同组成键槽16并安装有键17,键17安装有待测线型微纳材料17-1,支点梁10-3的另一端与两个杠杆梁10-2之间的第五锚点12-5连接;
输出梁10-4的另一端和双端固定谐振音叉13的底部连接,双端固定谐振音叉13的顶部与第三锚点12-3连接,双端固定谐振音叉13由两根竖长谐振梁构成,双端固定谐振音叉13的两侧连接有第一平板电容组14-1和第二平板电容组14-2,第一平板电容组14-1的另一侧固定于第一锚点12-1上,第二平板电容组14-2的另一侧固定于第二锚点12-2上;
除了所述锚点以外,其余结构下方的二氧化硅绝缘层2和单晶硅基底1都被刻蚀掉,即都处于悬空状态;在第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3上设有溅射的金属电极板,分别为第一金属电极板15-1、第二金属电极板15-2和第三金属电极板15-3;
第三金属电极板15-3和直流电源连接,第一金属电极板15-1依次通过放大器18-1、带通滤波器18-2、移相电路18-3、比较器18-4、增益调节电路18-5和第二金属电极板15-2连接,放大器18-1、带通滤波器18-2、移相电路18-3、比较器18-4和增益调节电路18-5形成自激振荡电路,比较器18-4的输出还连接有频率测量装置18-6。
所述的杠杆梁10-2长度范围为500um-1500um,支点梁10-3到输入梁10-1的距离与其到输出梁10-4的距离比值范围达10-100倍。
所述的双端固定谐振音叉13长度范围为100um-300um,双端固定谐振音叉13的谐振梁宽度范围为2um-5um,每一平板电容组中的两个电容平板都静电耦合,平板电容的长度范围为70um-150um。
所述的第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3、第四锚点12-4都为正方形,其边长范围为180um-600um,第五锚点12-5为长方形,其长范围为250um-1500um,宽范围为180um-600um,金属电极板都为略小于锚点的正方形,边长范围为150um-250um。
所述的键17外形为圆柱体,键17的底部设有与键槽16形状相同的凸块17-2,键17的顶部开圆柱形孔,在应用时与线型微纳材料17-1粘接配合,孔的直径与所采用的线型微纳材料17-1直径相适应。
本发明的有益效果为:
基于硅微谐振器的振荡器频率稳定、噪音低、易于集成,依此设计的力传感器体积小、灵敏度高、测量范围大;利用键17与键槽16的配合,将扭矩测量转化为轴向力测量,实现了线型微纳材料扭转性能的定量测试;利用两个“Z”字形微放大梁,进一步增大传感器的灵敏度,提高测量精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的单晶硅结构层3的俯视图。
图3为本发明的测量电路原理图。
图4为键17的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
参见图1,一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,包括单晶硅基底1,其厚度范围为400um-1000um,单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2,生长厚度范围为2-3um,二氧化硅绝缘层2上设有单晶硅结构层3,其厚度范围为10-25um。
参见图2,所述的单晶硅结构层3包括两个相对的“Z”字形微放大梁,每个“Z”字形微放大梁包括输入梁10-1、杠杆梁10-2、支点梁10-3和输出梁10-4,杠杆梁10-2顶部与输入梁10-1连接,杠杆梁10-2底部与输出梁10-4的一端连接,杠杆梁10-2中下部与支点梁10-3的一端连接,输入梁10-1通过连接梁11固定于第四锚点12-4上,两个相对的输入梁10-1上刻蚀出孔,两个孔共同组成键槽16并安装有键17,键17安装有待测线型微纳材料17-1,支点梁10-3的另一端与两个杠杆梁10-2之间的第五锚点12-5连接。
输出梁10-4的另一端和双端固定谐振音叉13的底部连接,双端固定谐振音叉13的顶部与第三锚点12-3连接,双端固定谐振音叉13由两根竖长谐振梁构成,双端固定谐振音叉13的两侧连接有第一平板电容组14-1和第二平板电容组14-2,第一平板电容组14-1的另一侧固定于第一锚点12-1上,第二平板电容组14-2的另一侧固定于第二锚点12-2上。
所述的第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3、第四锚点12-4、第五锚点12-5是扭矩传感器的支撑,除了所述锚点以外,其余结构下方的二氧化硅绝缘层2和单晶硅基底1都被刻蚀掉,即都处于悬空状态;在第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3上设有溅射的金属电极板,分别为第一金属电极板15-1、第二金属电极板15-2和第三金属电极板15-3。
参照图3,第三金属电极板15-3和直流电源连接,第一金属电极板15-1依次通过放大器18-1、带通滤波器18-2、移相电路18-3、比较器18-4、增益调节电路18-5和第二金属电极板15-2连接,放大器18-1、带通滤波器18-2、移相电路18-3、比较器18-4和增益调节电路18-5形成自激振荡电路,比较器18-4的输出还连接有频率测量装置18-6,调整电路参数使双端固定谐振音叉13与振荡电路形成自激振荡,且振荡频率为双端固定谐振音叉13的固有频率,该频率通过频率测量装置18-6读取。
所述的杠杆梁10-2长度范围为500um-1500um,支点梁10-3到输入梁10-1的距离与其到输出梁10-4的距离比值范围达10-100倍。
所述的双端固定谐振音叉13长度范围为100um-300um,双端固定谐振音叉13的谐振梁宽度范围为2um-5um,每一平板电容组中的两个电容平板都静电耦合,平板电容的长度范围为70um-150um。
所述的第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3、第四锚点12-4都为正方形,其边长范围为180um-600um,第五锚点12-5为长方形,其长范围为250um-1500um,宽范围为180um-600um,金属电极板都为略小于锚点的正方形,边长范围为150um-250um。
参照图4,所述的键17外形为圆柱体,键17的底部设有与键槽16形状相同的凸块17-2,键17的顶部开圆柱形孔,在应用时与线型微纳材料17-1粘接配合,孔的直径与所采用的线型微纳材料17-1直径相适应。
本发明的工作原理为:
线型微纳材料17-1与键17顶部的孔同轴粘接配合,键17底部垂直插入键槽16,凸块17-2与键槽16紧密配合,键17的重量由两个输入梁10-1共同承担,避免对线型微纳材料17-1产生预应力;当线型微纳材料17-1的另一端被施加扭转力,驱使其进行原位扭转时,该扭转力通过键17作用于两个输入梁10-1;输入梁10-1传递该作用力于杠杆梁10-2,该作用力经杠杆梁10-2放大后施加于输出梁10-4并作用于双端固定谐振音叉13;双端固定谐振音叉13此时被置于具有增益控制的振荡电路中,适当调整电路参数之后,双端固定谐振音叉13与振荡电路形成自激振荡,且振荡频率为双端固定谐振音叉13的固有频率,当双端固定谐振音叉13受到或压或拉的作用力时,其固有频率发生改变,进而振荡电路中的自激振荡频率也发生改变,该频率变化可通过频率测量装置18-6读取;分析两个双端固定谐振音叉13的频率改变,即可计算出二者受到力的大小,并反推出材料受到扭矩大小。
两个双端固定谐振音叉13具有相同的结构,所以二者未受力时的特征频率也相同;根据理论,双端固定谐振音叉13受到的轴向力可以表示为:
式中P为作用在双端固定谐振音叉上的轴向力,P取正值时代表轴向力为拉力,P取负值时代表轴向力为压力,f为施加扭矩时测得双端固定谐振音叉13的频率,f0为未施加扭矩时测得双端固定谐振音叉13的频率,E为硅材料的弹性模量,l、w、t分别为双端固定谐振音叉13谐振梁的长度、宽度和厚度。
两个“Z”字形微放大梁有着相近的结构,二者的力放大倍数也相近;根据理论,微放大梁对于轴向力的放大倍数可以表示为:
式中Fout为输出的轴向力,Fin为输入的轴向力,kvp为支点梁10-3的轴向刚度,kθp为支点梁10-3的转动刚度,kvo为输出梁10-4的轴向刚度,kθo为输出梁10-4的转动刚度,l1为支点梁10-3到输出梁10-4的距离,l2为支点梁10-3到输入梁10-1的距离。
在传感器工作时,线型微纳材料17-1受到原位扭转,其受到的扭矩通过键17与键槽16传递于两个“Z”字形微放大梁上并最终施加于两个双端固定谐振音叉13,当材料被顺时针扭转时,两个双端固定谐振音叉13同时受到压力,其谐振频率同时减小;当材料被逆时针扭转时,两个双端固定谐振音叉13同时受到拉力,其谐振频率同时增大。
根据测得数据,线型微纳材料17-1受到的扭矩可以由以下公式得出:
式中,L为键槽16的长度,P1、P2分别为两个双端固定谐振音叉13受到的轴向力,A1、A2分别为两个“Z”字形微放大梁的放大倍数。
在应用中,本发明应与微纳材料原位扭转装置相互配合使用,传感器应被置于真空中以保证谐振器的Q值,材料被扭转时应有形貌观察装置实时记录材料的力学表现。
Claims (5)
1.一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,包括单晶硅基底(1),单晶硅基底(1)上生长一层二氧化硅绝缘层(2),二氧化硅绝缘层(2)上设有单晶硅结构层(3),其特征在于:
单晶硅结构层(3)包括两个相对的“Z”字形微放大梁,每个“Z”字形微放大梁包括输入梁(10-1)、杠杆梁(10-2)、支点梁(10-3)和输出梁(10-4),杠杆梁(10-2)顶部与输入梁(10-1)连接,杠杆梁(10-2)底部与输出梁(10-4)的一端连接,杠杆梁(10-2)中下部与支点梁(10-3)的一端连接,输入梁(10-1)通过连接梁(11)固定于第四锚点(12-4)上,两个相对的输入梁(10-1)上刻蚀出孔,两个孔共同组成键槽(16)并安装有键(17),键(17)安装有待测线型微纳材料(17-1),支点梁(10-3)的另一端与两个杠杆梁(10-2)之间的第五锚点(12-5)连接;
输出梁(10-4)的另一端和双端固定谐振音叉(13)的底部连接,双端固定谐振音叉(13)的顶部与第三锚点(12-3)连接,双端固定谐振音叉(13)由两根竖长谐振梁构成,双端固定谐振音叉(13)的两侧分别设置有第一平板电容组(14-1)和第二平板电容组(14-2),第一平板电容组(14-1)的另一侧固定于第一锚点(12-1)上,第二平板电容组(14-2)的另一侧固定于第二锚点(12-2)上;
除了所述锚点以外,其余结构下方的二氧化硅绝缘层(2)和单晶硅基底(1)都被刻蚀掉,即都处于悬空状态;在第一锚点(12-1)、第二锚点(12-2)、第三锚点(12-3)上设有溅射的金属电极板,分别为第一金属电极板(15-1)、第二金属电极板(15-2)和第三金属电极板(15-3);
第三金属电极板(15-3)和直流电源连接,第一金属电极板(15-1)依次通过放大器(18-1)、带通滤波器(18-2)、移相电路(18-3)、比较器(18-4)、增益调节电路(18-5)和第二金属电极板(15-2)连接,放大器(18-1)、带通滤波器(18-2)、移相电路(18-3)、比较器(18-4)和增益调节电路(18-5)形成自激振荡电路,比较器(18-4)的输出还连接有频率测量装置(18-6)。
2.根据权利要求1所述的一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,其特征在于:所述的杠杆梁(10-2)长度范围为500um-1500um,支点梁(10-3)到输入梁(10-1)的距离与其到输出梁(10-4)的距离比值范围达10-100倍。
3.根据权利要求1所述的一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,其特征在于:所述的双端固定谐振音叉(13)长度范围为100um-300um,双端固定谐振音叉(13)的谐振梁宽度范围为2um-5um,每一平板电容组中的两个电容平板都静电耦合,平板电容的长度范围为70um-150um。
4.根据权利要求1所述的一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,其特征在于:所述的第一锚点(12-1)、第二锚点(12-2)、第三锚点(12-3)、第四锚点(12-4)都为正方形,其边长范围为180um-600um,第五锚点(12-5)为长方形,其长度范围为250um-1500um,宽度范围为180um-600um,金属电极板都为略小于锚点的正方形,边长范围为150um-250um。
5.根据权利要求1所述的一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器,其特征在于:所述的键(17)外形为圆柱体,键(17)的底部设有与键槽(16)形状相同的凸块(17-2),键(17)的顶部开圆柱形孔,在应用时与线型微纳材料(17-1)粘接配合,孔的直径与所采用的线型微纳材料(17-1)直径相适应。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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