CN110095210A - 一种用于微纳尺度材料的硅基石英mems谐振式扭矩传感器 - Google Patents
一种用于微纳尺度材料的硅基石英mems谐振式扭矩传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底层，单晶硅基底层上生长二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层设有单晶硅结构层，单晶硅结构层包括线型微纳材料夹持机构的键槽，键槽两侧和输出梁、V型致动梁顶端连接，V型致动梁固定在锚点上，输出梁通过限位梁固定在锚点上，输出梁的两端分别与二阶放大梁的输入端连接，二阶放大梁通过支点梁固定在锚点上，二阶放大梁的输出端与悬空平台连接，悬空平台连接石英双端固定音叉一端，石英双端固定音叉另一端固定在锚点上，锚点以外结构均处于悬空状态；对V型致动梁施加控制电压，由于热应力发生位移，从而夹紧线型微纳材料一端的花键；本发明具有精度高，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)传感器技术领域，特别涉及一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器。
背景技术
近年来，随着微纳米技术的发展，材料在微纳尺度下的性能逐渐成为科学研究的热点课题，由于尺度效应的影响，材料在微观尺度下的力学性能如拉伸、弯曲、扭转等与宏观的经典力学性能有着很大的差异。在一些微纳操纵领域，材料在进行原位扭转时的力学性能亟需进一步的研究，以揭示其变形的本质机理。
目前已经公开的文献中，可以对微纳尺度材料的原位扭转进行精准测试与观察的文献较少，中国专利CN 105606459B(名称为用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置和观察装置)和CN 102788727B(名称为扫描电镜下多用途原位微尺度力学性能测试方法)，公开了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，但是未涉及扭转力的定量测量；中国专利CN 103293066B(名称为精密材料微观力学性能原位扭转测试平台)、CN105021338B(名称为一种用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量装置及方法)，其提及了微纳材料扭转力的定量测试，但是主要仍在于测试台层面的研究，未提及具体的扭矩传感器设计；在中国专利CN 106525304B(名称为一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器)中，其设计了一款MEMS谐振式扭矩传感器，但是其谐振器选用硅音叉结构，无法在大气环境下工作，并且其本身没有压电特性，需要复杂的激励和检测手段，容易引入噪声干扰，限制了精度的进一步提高以及与其他微器件的集成。
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用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，将成熟的硅微加工工艺、石英晶体的固有压电特性和良好的谐振器材料特性相结合，传感器可在大气环境下工作，并且具有精度高，成本低等优点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底层1，单晶硅基底层1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2设有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3上胶粘有石英双端固定音叉4；
所述的单晶硅结构层3包括线型微纳材料夹持机构，线型微纳材料夹持机构包括键槽10-2，键槽10-2用于安装线型微纳材料17一端的花键17-1，键槽10-2的一侧和输出梁10-3的中部连接，键槽10-2的另一侧和V型致动梁10-5中部顶端连接，V型致动梁10-5一端与第七锚点11-7连接，V型致动梁10-5另一端和第八锚点11-8连接；
输出梁10-3的一侧通过第一限位梁10-1和第一锚点11-1连接，输出梁10-3的另一侧通过第二限位梁10-4和第二锚点11-2连接，输出梁10-3的两端分别与一个二阶放大梁13的输入端连接；
二阶放大梁13通过第一支点梁12-1、第二支点梁12-2、第三支点梁12-3、第四支点梁12-4和第二锚点11-2、第三锚点11-3、第五锚点11-5、第六锚点11-6连接，二阶放大梁13的输出端与悬空平台16连接，悬空平台16连接石英双端固定音叉4一端，石英双端固定音叉4另一端连接在第四锚点11-4上，石英双端固定音叉4的轴向方向为敏感方向；
第四锚点11-4一侧通过第一连接梁14-1和第三锚点11-3连接，第四锚点11-4另一侧通过第二连接梁14-2和第五锚点11-5连接，除上述锚点外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层2和单晶硅基底层1都被刻蚀掉，即均处于悬空状态；
第四锚点11-4上溅射的第一金属电极板15-1、第二金属电极板15-2通过金丝球焊机打线分别与石英双端固定音叉4端部的电极连接，从而将石英双端固定音叉4与外部振荡电路连接，通过第七锚点11-7、第八锚点11-8上溅射的第三金属电极板15-3、第四金属电极板15-4，对V型致动梁10-5施加控制电压，V型致动梁10-5顶点处由于热应力发生位移，从而夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1。
在第三金属电极板15-3、第四金属电极板15-4间施加控制电压，V型致动梁10-5顶点处由于热应力发生位移夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1，当线型微纳材料17产生扭转时，扭转力通过花键17-1传递给输出梁10-3，并经二阶放大梁13放大后作用于石英双端固定音叉4，石英双端固定音叉4轴向受力后，谐振频率发生变化，由外部振荡电路进行检测，从而实现对线型微纳材料17扭矩的测量。
通过优化V型致动梁10-5的尺寸参数、斜梁倾角以及施加的控制电压调节夹紧力，实现定量调控。
通过优化二阶放大梁13的尺寸参数调节力的放大倍数，实现传感器分辨率和量程的定量调控。
所述的MEMS谐振式扭矩传感器采用对称式结构，线型微纳材料夹持机构的键槽10-2处于对称中心。
所述的键槽10-2设有断口，为夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1预留空间。
所述的石英双端固定音叉4的两端端头4-1、4-2通过环氧树脂胶固定在悬空平台16、第四锚点11-4上。
本发明的有益效果为：
本发明采用硅微加工工艺制造单晶硅结构层，具有精度高，可批量生产等优点；采用石英双端固定音叉4作为谐振器元件，可在大气环境下工作，并且具有易激励、高品质因数等优点；利用线型微纳材料夹持机构，可自行夹持线型微纳材料并将扭矩转化为石英双端固定音叉4的轴向力测量，实现了线型微纳材料17扭转性能的定量测试；利用二阶放大梁结构，提高了传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的四层结构示意图。
图2为本发明单晶硅结构层的俯视图。
图3为本发明线型微纳材料夹持机构的俯视图。
图4为本发明线型微纳材料的结构示意图。
图5为本发明石英双端固定音叉的结构示意图。
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1，一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底层1，单晶硅基底层1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2设有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3上胶粘有石英双端固定音叉4；
参见图2、图3和图4，单晶硅结构层3包括线型微纳材料夹持机构，线型微纳材料夹持机构包括键槽10-2，键槽10-2用于安装线型微纳材料17一端的花键17-1，键槽10-2的一侧和输出梁10-3的中部连接，键槽10-2的另一侧和V型致动梁10-5中部顶端连接，V型致动梁10-5一端与第七锚点11-7连接，V型致动梁10-5另一端和第八锚点11-8连接；
输出梁10-3的一侧通过第一限位梁10-1和第一锚点11-1连接，输出梁10-3的另一侧通过第二限位梁10-4和第二锚点11-2连接，输出梁10-3的两端分别与一个二阶放大梁13的输入端连接；
二阶放大梁13通过第一支点梁12-1、第二支点梁12-2、第三支点梁12-3、第四支点梁12-4和第二锚点11-2、第三锚点11-3、第五锚点11-5、第六锚点11-6连接，二阶放大梁13的输出端与悬空平台16连接，悬空平台16连接石，英双端固定音叉4一端，石英双端固定音叉4另一端连接在第四锚点11-4上，石英双端固定音叉4的轴向方向为敏感方向；第一限位梁10-1、第二限位梁10-4用于限制输出梁10-3在石英双端固定音叉4敏感方向的垂直方向上移动；
第四锚点11-4一侧通过第一连接梁14-1和第三锚点11-3连接，第四锚点11-4另一侧通过第二连接梁14-2和第五锚点11-5连接，除上述锚点外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层2和单晶硅基底层1都被刻蚀掉，即均处于悬空状态；
第四锚点11-4上溅射的第一金属电极板15-1、第二金属电极板15-2通过金丝球焊机打线分别与石英双端固定音叉4端部的电极连接，从而将石英双端固定音叉4与外部振荡电路连接，通过第七锚点11-7、第八锚点11-8上溅射的第三金属电极板15-3、第四金属电极板15-4，对V型致动梁10-5施加控制电压，V型致动梁10-5顶点处由于热应力发生位移，从而夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1。
固定V型致动梁10-5的第七锚点11-7和第八锚点11-8与周围单晶硅结构分离，并且下面为二氧化硅绝缘层2，保证在第三金属电极板15-3、第四金属电极板15-4间施加控制电压时，V型致动梁10-5与其余单晶硅结构绝缘。
所述的键槽10-2设有断口，为夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1预留空间。
参见图4，所述的线型微纳材料17的一端加工出花键17-1，花键17-1与线型微纳材料夹持机构的键槽10-2相配合，用于传感器自行夹持线型微纳材料17，并将扭矩转化为石英双端固定音叉4的轴向力测量。
参见图5，所述的石英双端固定音叉4的两端端头4-1、4-2通过环氧树脂胶固定在悬空平台16、第四锚点11-4上，扭转力经输出梁10-3输出，由二阶放大梁13放大，再经悬空平台16传递给石英双端固定音叉4的端头4-1，导致石英双端固定音叉4谐振频率发生变化，可由外部振荡电路进行测量。
本发明的工作原理为：
线型微纳材料17一端的花键17-1直接插入夹持机构的键槽10-2并紧密配合，在第三金属电极板15-3、第四金属电极板15-4间施加控制电压，V型致动梁10-5顶点处由于热应力发生位移，第一限位梁10-1、第二限位梁10-4限制输出梁10-3在石英双端固定音叉4敏感方向的垂直方向上移动，从而夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1；当线型微纳材料17的另一端被施加扭转力，驱使其进行原位扭转时，扭转力通过花键17-1传递给输出梁10-3，输出梁10-3将力传递给二阶放大梁13进行放大，然后借助悬空平台16传递给石英双端固定音叉4，石英双端固定音叉4与外部振荡电路连接，当石英双端固定音叉4受到拉力或者压力时，其谐振频率发生变化，并且可通过外部振荡电路进行测量；分析两个石英双端固定音叉4的谐振频率改变，即可计算出二者受力大小，并通过推算得到材料受到的扭矩大小。
两个石英双端固定音叉4具有相同的结构，所以二者未受力时的谐振频率也相同；根据理论计算可得到，石英双端固定音叉4受力时的谐振频率与轴向力的关系可以表示为：
式中fp为石英双端固定音叉4受力时的谐振频率，f0为石英双端固定音叉4未受力时的谐振频率，P为作用在石英双端固定音叉4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，l为音叉梁的长度，E为石英材料的弹性模量，I为音叉梁的截面惯性矩。
两个二阶放大梁13具有相同的结构，二者的力放大倍数也相同；每个二阶放大梁13由两个微杠杆组成，微杠杆利用杠杆原理对力进行放大；根据理论计算可得到，二阶放大梁13对于轴向力的放大倍数A可以表示为两个一阶放大梁放大倍数A1和A2的乘积：
A＝A1×A2
上式中kvp，1、kθp，1分别为第一个微杠杆的支点梁12-1的轴向刚度和转动刚度；kvp，2、kθp，2分别为第二个微杠杆的支点梁12-2的轴向刚度和转动刚度；kθo，1和kvo，1分别为第一个微杠杆输出的轴向刚度和转动刚度；kθo，2和kvo，2分别为第二个微杠杆输出的轴向刚度和转动刚度；l1和l2分别为两个微杠杆的阻力臂；L1和L2分别为两个微杠杆的动力臂。通过优化以上参数，可以调节二阶放大梁13的放大倍数，从而定量调控传感器的分辨率和量程。
在实际应用中，本发明应与微纳材料原位扭转装置配合使用，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 (7)
1.一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：包括单晶硅基底层(1)，单晶硅基底层(1)上生长一层二氧化硅绝缘层(2)，二氧化硅绝缘层(2)设有单晶硅结构层(3)，单晶硅结构层(3)上胶粘有石英双端固定音叉(4)；
所述的单晶硅结构层(3)包括线型微纳材料夹持机构，线型微纳材料夹持机构包括键槽(10-2)，键槽(10-2)用于安装线型微纳材料(17)端部的花键(17-1)，键槽(10-2)的一侧和输出梁(10-3)的中部连接，键槽(10-2)的另一侧和V型致动梁(10-5)中部顶端连接，V型致动梁(10-5)一端与第七锚点(11-7)连接，V型致动梁(10-5)另一端和第八锚点(11-8)连接；
输出梁(10-3)的一侧通过第一限位梁(10-1)和第一锚点(11-1)连接，输出梁(10-3)的另一侧通过第二限位梁(10-4)和第二锚点(11-2)连接，输出梁(10-3)的两端分别与一个二阶放大梁(13)的输入端连接；
二阶放大梁(13)通过第一支点梁(12-1)、第二支点梁(12-2)、第三支点梁(12-3)、第四支点梁(12-4)和第二锚点(11-2)、第三锚点(11-3)、第五锚点(11-5)、第六锚点(11-6)连接，二阶放大梁(13)的输出端与悬空平台(16)连接，悬空平台(16)连接石英双端固定音叉(4)一端，石英双端固定音叉(4)另一端连接在第四锚点(11-4)上，石英双端固定音叉(4)的轴向方向为敏感方向；
第四锚点(11-4)一侧通过第一连接梁(14-1)和第三锚点(11-3)连接，第四锚点(11-4)另一侧通过第二连接梁(14-2)和第五锚点(11-5)连接，除上述锚点外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层(2)和单晶硅基底层(1)都被刻蚀掉，即均处于悬空状态；
第四锚点(11-4)上溅射的第一金属电极板(15-1)、第二金属电极板(15-2)通过金丝球焊机打线分别与石英双端固定音叉(4)端部的电极连接，从而将石英双端固定音叉(4)与外部振荡电路连接，通过第七锚点(11-7)、第八锚点(11-8)上溅射的第三金属电极板(15-3)、第四金属电极板(15-4)，对V型致动梁(10-5)施加控制电压，V型致动梁(10-5)顶点处由于热应力发生位移，从而夹紧线型微纳材料(17)一端的花键(17-1)。
2.根据权利要求1所述的一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：在第三金属电极板(15-3)、第四金属电极板(15-4)间施加控制电压，V型致动梁(10-5)顶点处由于热应力发生位移夹紧线型微纳材料(17)一端的花键(17-1)，当线型微纳材料产生扭转时，扭转力通过花键(17-1)传递给输出梁(10-3)，并经二阶放大梁(13)放大后作用于石英双端固定音叉(4)，石英双端固定音叉(4)轴向受力后，谐振频率发生变化，由外部振荡电路进行检测，从而实现对线型微纳材料(17)扭矩的测量。
3.根据权利要求2所述的一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：通过优化V型致动梁(10-5)的尺寸参数、斜梁倾角以及施加的控制电压调节夹紧力，实现定量调控。
4.根据权利要求2所述的一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：通过优化二阶放大梁(13)的尺寸参数调节力的放大倍数，实现传感器分辨率和量程的定量调控。
5.根据权利要求1所述的一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：所述的MEMS谐振式扭矩传感器采用对称式结构，线型微纳材料夹持机构的键槽(10-2)处于对称中心。
6.根据权利要求1所述的一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：所述的键槽(10-2)设有断口，为夹紧线型微纳材料(17)一端的花键(17-1)预留空间。
7.根据权利要求1所述的一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：所述的石英双端固定音叉(4)的两端端头(4-1、4-2)通过环氧树脂胶固定在悬空平台(16)、第四锚点(11-4)上。
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| CN110095210B (zh) | 2020-11-17 |
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Legal Events
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