CN114018393A - 一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微弱信号测试技术领域，尤其涉及一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法，所采用的测试设备包括函数发生器、直流电源、上位机、锁相放大器、电荷放大器、偏置器和功分器。本发明克服了纳米尺度谐振梁驱动与检测困难的问题，实现了纳米压电梁谐振式传感器的测量，并提高了微弱信号的检测能力与待测信号的信噪比等。
Description
技术领域
本发明涉及微弱信号测试技术领域，尤其涉及一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法。
背景技术
谐振式传感器通过被测量调制敏感元件的谐振频率、幅值或者相位进行测量。由于谐振式传感器测量动态范围大、灵敏度高、滞后性小、重复性好等优点，广泛应用于压力、加速度、力等多种物理量的测量。
名称为“一种MEMS压阻传感器的内建自测试装置及测试方法”的发明专利(CN111238698A)，该专利中的MEMS压阻传感器的敏感元件为敏感薄膜，受加工工艺限制无法达到极小尺度，因而该谐振系统无法做到对微弱信号的测试。名称为“一种谐振式传感器的频率特性测试系统及实现方法”的发明专利(CN106092175A)，由于多频扫描的叠加信号较多，使之对待测传感器的噪声影响较大，信噪比较低。
敏感元件是谐振式传感器的关键部件，敏感元件的性能及尺寸决定了谐振式传感器的灵敏度、量程、抗冲击性等。谐振梁元件具有较高的谐振频率及灵敏度，广泛应用于谐振式传感器，当谐振梁元件的截面尺寸为纳米级、长度为几十微米时，与目前微米级谐振梁相比，灵敏度将提升数个数量级。然而，纳米尺度纳米梁谐振式传感器也正因为其极小的尺度，使得谐振梁的驱动和信号检测成为一个难点。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提出了一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法。纳米压电梁谐振式传感器采用交流信号通过静电激励的方式驱动纳米压电梁振动。基于压电效应，纳米压电梁振动会产生极化电荷，当纳米压电梁的振动频率达到其谐振频率时，纳米压电梁的振幅最大，产生的电荷量也急剧增大。利用电荷放大器对压电纳米谐振梁产生的极化电荷进行放大，同时采用锁相放大测量电路测试电荷放大器放大后电压的变化获取压电纳米梁的幅频特性曲线。
本发明的技术方案：
一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法，所采用的测试设备包括函数发生器、直流电源、上位机、锁相放大器、电荷放大器、偏置器和功分器，具体步骤如下：
以纳米压电梁的一阶共振频率作为扫频信号频率范围的参考，用函数发生器产生一个包含纳米压电梁谐振式传感器敏感元件纳米压电梁固有频率的扫频信号，通过功分器将扫频信号分成两路，一路接偏置器，另一路接锁相放大器作为锁相放大器的参考信号；偏置器的另一个输入口接直流电源，函数发生器产生的小幅值的交流和直流电源产生的大幅值的直流信号混合后，接入纳米压电梁谐振式传感器的栅极；纳米压电梁振动产生的电荷信号接入电荷放大器，电荷放大器将电荷积分并放大，转化为电压量输出，同时也将高阻抗输入信号变为低阻抗的输出信号，以实现与锁相放大器的阻抗匹配；电荷放大器的输出信号接入锁相放大器的输入口，锁相放大器的输入信号和参考信号始终频率相同，而输入信号的幅值会随着纳米压电梁振幅的变化而改变，当纳米压电梁在共振点振动时，锁相放大器会检测到一个电压峰值，即为纳米压电梁的谐振频率及纳米压电梁谐振时纳米压电梁形变产生的极化电荷的大小，采集锁相放大器的数值，获得纳米压电梁谐振时函数发生器扫频信号的频率值，实现纳米压电梁谐振测量。
所述的函数发生器提供有效值为0.01～5V的交流电压。
所述的直流电源提供0.5～30V的直流电压。
所述的电荷放大器的灵敏度为4V/pC。
本发明的工作原理：纳米压电梁具有压电效应，在外力作用下变形时会产生极化电荷，通过测量极化电荷的变化可以实现物理量的测量。纳米压电梁谐振式传感器的敏感元件纳米压电梁在静电力的作用下上下振动，纳米压电梁的振动产生的形变会产生极化电荷。通过函数发生器在纳米压电梁谐振器的源极施加一个交流信号，同时该交流信号通过偏置器与直流信号混合施加在纳米压电梁谐振器的栅极，激励敏感元件纳米压电梁上下振动，并通过电荷放大器对振动形变产生的极化电荷进行放大，通过同轴电缆将电荷放大器产生的电压信号输入锁相放大器的测量端口，实现纳米压电梁振动形变产生的极化电荷的测量，获得纳米压电梁谐振式传感器的谐振特性曲线。
本发明的有益效果为：本发明克服了纳米尺度谐振梁驱动与检测困难的问题，实现了纳米压电梁谐振式传感器的测量，并提高了微弱信号的检测能力与待测信号的信噪比等。
附图说明
图1为纳米压电梁谐振式传感器的测试电路示意图；
图2为纳米压电梁谐振式传感器测试设备连接图；
图3为一种典型纳米压电梁谐振式传感器纳米梁结构。
图中：1函数发生器；2直流电源；3计算机；4锁相放大器；5电荷放大器；6纳米压电梁谐振式传感器；7偏置器；8功分器；9基底；10源极；11纳米压电梁；12栅极；13漏极。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本发明的一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法，测试电路如图1所示，测试设备连接示意图如图2所示，测试用纳米压电梁谐振式传感器结构如图3所示(包括基底9、源极10、纳米压电梁11、栅极12和漏极13)、纳米压电梁结构如图3所示；具体如下：
以纳米压电梁的一阶共振频率作为扫频信号频率范围的参考，用函数发生器1产生一个包含纳米压电梁谐振式传感器6敏感元件纳米压电梁固有频率的扫频信号，通过功分器8将扫频信号分成两路，一路接偏置器7，另一路接锁相放大器4作为锁相放大器4的参考信号。偏置器7的另一个输入口接直流电源2产生的直流信号，函数发生器1产生的小幅值的交流信号和直流电源产生的大幅值的直流信号混合后，接入纳米压电梁谐振式传感器的栅极12。纳米压电梁梁11振动产生的电荷信号通过漏极13接入电荷放大器5，电荷放大器5将电荷积分并放大，转化为电压量输出，同时也将高阻抗输入信号变为低阻抗的输出信号，以实现与锁相放大器4的阻抗匹配。电荷放大器5的输出信号接入锁相放大器4的输入口，锁相放大器4的输入信号和参考信号始终频率相同，而输入信号的幅值会随着纳米压电梁振幅的变化而改变，当纳米压电梁在共振点振动时，锁相放大器会检测到一个电压峰值，即为纳米压电梁的谐振频率及纳米压电梁谐振时纳米压电梁形变产生的极化电荷的大小，计算机3采集锁相放大器4的数值，可以获得纳米压电梁谐振时函数发生器扫频信号的频率值，实现纳米压电梁谐振测量。
本实施例纳米压电梁谐振式传感器拟采用蓝宝石衬底，激励电极与信号接收电极正对面积小、间距大的设计，降低激励信号的干扰，易于捕捉纳米压电梁产生的微弱信号；具体如下：
采用光刻、干法刻蚀等MEMS工艺在蓝宝石衬底加工出所需尺寸和形状的沟道，用于形成梁结构，沟道深度为500nm～10μm。采用磁控溅射等工艺，通过剥离的方法分别在沟道底部制作激励电极、在上表面制作检测电极，激励电极与检测电极的水平间距为10～100μm，电极厚度为40～500nm。通过划片机将包含若干个衬底的晶圆切开，再用丙酮、乙醇、去离子水清洗干净。
所述的纳米压电梁，采用鞘液聚焦电流体喷印技术在蓝宝石衬底上喷印双层液体线状结构，外层液体硅油作为内部PZT溶胶的支撑。打印平台加热促进PZT线的固化，便于形成梁结构。使用60～100℃的异丙醇浸泡打印样品10～30min，去掉外层溶液。在马弗炉里以1～10℃/min的升温梯度从室温加热样品到650～850℃，在650～850℃保温20～50min，随炉冷却，形成钙钛矿结构。
利用同轴线缆将纳米压电梁谐振式传感器的源极接地，同时，函数发生器产生包含上述制备的纳米压电梁谐振式传感器纳米梁固有频率的正弦信号扫频输出，通过功分器将信号发生器产生的信号分成两路，一路通过偏置器与直流电压混合施加在纳米压电梁谐振式传感器的栅极，激励纳米压电梁上下振动，纳米压电梁振动变形产生的电荷通过连接在纳米压电梁谐振式传感器漏极的同轴电缆输入到电荷放大器中，将电荷信号转化为电压信号，输入到锁相放大器测测试端。功分器产生的另一路信号接入锁相放大器的参考信号输入端作为锁相放大器测试的参考信号。利用通选电缆连接锁相放大器与上位机，实时读取记录锁相放大器的测试数据。
Claims (5)
1.一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法，其特征在于，所采用的测试设备包括函数发生器、直流电源、上位机、锁相放大器、电荷放大器、偏置器和功分器；具体步骤如下：
以纳米压电梁的一阶共振频率作为扫频信号频率范围的参考，用函数发生器产生一个包含纳米压电梁谐振式传感器敏感元件纳米压电梁固有频率的扫频信号，通过功分器将扫频信号分成两路，一路接偏置器，另一路接锁相放大器作为锁相放大器的参考信号；偏置器的另一个输入口接直流电源，函数发生器产生的小幅值的交流和直流电源产生的大幅值的直流信号混合后，接入纳米压电梁谐振式传感器的栅极；纳米压电梁振动产生的电荷信号接入电荷放大器，电荷放大器将电荷积分并放大，转化为电压量输出，同时也将高阻抗输入信号变为低阻抗的输出信号，以实现与锁相放大器的阻抗匹配；电荷放大器的输出信号接入锁相放大器的输入口，锁相放大器的输入信号和参考信号始终频率相同，而输入信号的幅值会随着纳米压电梁振幅的变化而改变，当纳米压电梁在共振点振动时，锁相放大器会检测到一个电压峰值，即为纳米压电梁的谐振频率及纳米压电梁谐振时纳米压电梁形变产生的极化电荷的大小，采集锁相放大器的数值，获得纳米压电梁谐振时函数发生器扫频信号的频率值，实现纳米压电梁谐振测量。
2.根据权利要求1所述的一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法，其特征在于，所述的函数发生器提供有效值为0.01～5V的交流电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法，其特征在于，所述的直流电源提供0.5～30V的直流电压。
4.根据权利要求1或2所述的一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法，其特征在于，所述的电荷放大器的灵敏度为4V/pC。
5.根据权利要求3所述的一种纳米压电梁谐振式传感器的测试方法，其特征在于，所述的电荷放大器的灵敏度为4V/pC。
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