CN1603845A - 谐振式压电微传感器谐振频率的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属压电微传感器技术领域，具体为一种谐振式压电微传感器谐振频率的检测方法。该方法根据激励信号在一定范围内的直流偏置电压与压电微结构的谐振频率存在线性对应关系，在非探测环境和探测环境中，分别用激励信号激励压电微结构，利用数据采集卡比较分别获得最大幅值，以及对应于最大幅值的直流偏置电压V_DC和V_DC1，再根据V_DC和V_DC1的差值求解得传感器的谐振频率改变值。使用本发明可实现一种简单的，易于芯片集成的谐振式压电微传感器专用的信号检测系统，而且检测灵敏度高。

Description

谐振式压电微传感器谐振频率的检测方法

技术领域

本发明属谐振式压电微传感器技术领域，具体涉及一种谐振式压电微传感器谐振频率的检测方法。

背景技术

压电式微传感器最早被采用于测量微力，比如加速度传感器、角速度传感器和原子力显微镜(AFM)。近年来，谐振式压电微传感器由于有极高的灵敏度，其在探测化学气体分子的应用越来越受到关注。谐振式压电微传感器的探测原理一般是，当压电微结构吸附了化学气体分子之后微结构的谐振频率也随之改变，所以探测出微结构的谐振频率变化也就探测出了化学气体分子的浓度。通常谐振式压电微传感器的信号检测系统为了检测微结构的谐振频率的变化，需要一些大型复杂的分析设备，比如网络分析仪或是阻抗分析仪等等。这些大型设备比较难以集成到微传感器芯片上，要实现芯片上的分析系统(SOC)的设想存在一定的难度。

参考文献

[1]K.S.Aleksandrov，M.P.Zaitseva，A.M.Sysoev，Yu.I.Kokorin，The piezoelectric resonqantor in adc electric field[J]，Ferroelectrics 41(1982)3-8.

[2]Qing-Ming Wang，Tao Zhang，Effect of DC bias field on the complex materials coefficients ofpiezoelectric resonantors[J].Sensors and actuators A 109(2003)149-155

发明内容

本发明的目的在于提出一种针对谐振式压电微传感器的谐振频率的检测方法，即使用扫描直流偏置电压来检测微结构的谐振频率的变化。这样谐振式压电微传感器的信号检测系统可以省去频谱分析电路，使得检测系统更为简化，更容易实现系统在芯片上集成。

K.S.Aleksandrov[1]等人在1982年从理论的角度发现压电材料的机电的特性会受到直流偏置电压的影响，Qing-Ming Wang[2]等人2003年发表论文公布了直流偏置电压对谐振状态下的PZT的阻抗以及内在应力的影响。本发明的发明人在对自行制作的谐振式PZT微悬臂梁传感器检测时发现了直流偏置电压和微悬臂梁的谐振频率存在线性关系。实验数据显示线性区存在于直流偏置电场小于1×10⁷V/m的范围内。该线性区对应的微结构的谐振频率的变化足够适用于探测气体分子的微传感器的高灵敏度的要求。

本发明提出的检测方法，其相应的检测系统如图1所示。它由正弦信号发生电路、数据采集卡和微处理器、激光干涉仪组成。

谐振式压电微传感器的激励信号由正弦信号发生电路产生。激光干涉仪被用于检测微传感器中微结构的简谐振动。激光干涉仪的输出信号被输入一个数据采集卡中。以上这几个部分构成的系统就可以用扫描直流偏置电压的方法来检测微传感器振动频率。需要说明的是这里用到的正弦信号发生器是可以产生带有扫描直流电压的正弦信号的。也就是说产生的激励信号V_in中包括没有直流偏置的正弦信号V_sin和一个在一定范围扫描的直流偏置电压信号V_DC-scan(比如一定幅度范围的斜波信号就可以作为V_DC-scan)，即：

V_in＝V_sin+V_DC-scan，

见图2，其中正弦信号V_in的频率值应该是稍稍低于压电微结构的谐振基频(没有直流偏置影响时的基频)，这样当扫描直流偏置的时候，正好可以发现微结构谐振时对应的直流偏置电压。

谐振式微传感器的工作原理一般是首先检测非探测环境中的初始谐振频率f₀，然后再探测环境中，由于微结构的质量发生变化或者受到某种力的作用，其谐振频率变化为f₀+Δf。探测出谐振频率的变化量Δf后，就可以对应知道微结构的质量变化或是受到的力了。根据研究得知，激励信号中在一定范围内的直流偏置电压与压电微结构的谐振频率存在线性对应关系。所以本发明的理论依据就是检测压电微传感器在谐振状态下的直流偏置电压来获知微传感器的谐振频率的变化，进而可以获知微传感器的质量变化或是受到的力。

本发明提出的检测谐振式压电微传感器的谐振频率的方法，具体步骤如下：

1、在非探测环境中，用激励信号V_in激励压电微结构。由于压电微结构只有在谐振时振幅最大，所以在一组扫描直流偏置电压的过程后，利用数据采集卡中比较获得最大幅值，再找到对应这一最大幅值的直流偏置电压V_DC0。V_DC0就是对应微传感器初始谐振状态的直流偏置电压。

2、当微传感器处于探测环境中，同样用激励信号V_in激励压电微结构。利用数据采集卡比较获得最大的幅值，再找到对应这一最大幅值的直流偏置电压V_DC1。V_DC1就是对应微传感器谐振频率改变后谐振状态对应的直流偏置电压。

3、利用V_DC0和V_DC1差值求解传感器的谐振频率改变值。即V_DC1-V_DC0＝AΔf。A是直流偏置电压变化量和谐振频率变化量的一个线性系数，它是由压电微传感器的尺寸，其内部各薄膜的刚度以及PZT的压电系数等等机电特性决定的。各种不同的压电微传感器的A的具体数值可以通过实验测得。在后面列举的例子中，发明人对自行制备的压电微传感器的A值进行了测定。

一般来说产生扫描直流电压的电路和数据采集卡相比较大型的分析系统(网络分析仪或是阻抗分析仪)是相当简易的，而且比较容易用集成电路实现。使用该发明方法可以实现一种简单的，易于芯片集成的谐振式压电微传感器专用的信号检测系统，而且检测的灵敏度高。

附图说明

图1.是谐振式PZT微悬臂梁传感器的激励和监测系统的结构框图。

图2.是带有扫描直流电压的正弦激励信号。

其中A是没有直流偏置的正弦信号V_sin；B是在一定范围扫描的直流偏置电压信号；C是由A和B合成的带有扫描直流电压的正弦激励信号。

图3.是本发明人对自行研制的谐振式PZT微悬臂梁传感器进行了检测，发现直流偏置电压和PZT微梁的谐振频率存在线性变化区域。图中，实心方块是对应于扫描0.5伏到2.5伏直流电压获得的谐振基频的点；实线是把这些数据点线性拟合获得的一阶直线。

图中标号：1是数据采集卡以及微处理器；2是光纤干涉仪和激光头；3是正弦信号发生器；4是含有PZT薄膜层的微悬臂梁传感器。

具体实施方式

运用本发明方法对自行研制的谐振式PZT微悬臂梁传感器进行了检测。PZT微梁结构的尺寸是长860微米，宽300微米，厚2微米。PZT材料是选用韩国INOSTEK^公司的商用产品，用sol-gel工艺制备的，微梁中PZT层的精确厚度是210nm。激励信号进行直流偏置电压的扫描后发现，直流偏置电压和PZT微梁的谐振频率是二阶函数关系。当直流偏置电场小于1×10⁷V/m时，直流偏置电压和PZT微梁的谐振频率存在线性区域。见图3。

试验测得的两者的关系式是：

f＝3.06598-0.04167U

f是谐振频率(kHz)，U是加在PZT上的直流偏置电压(V)。由这个测量结果可以知道不加直流偏置电压时微梁的原始谐振频率是3.06598kHz；直流偏置电压变化量和谐振频率变化量的系数A是-0.04167。

在直流偏置电压和PZT微梁的谐振频率的线性变化范围内，扫描直流偏置电压0～2V。可以使得PZT微梁的谐振频率线性变化大约80Hz。

实验证明谐振式PZT微悬臂梁传感器的谐振频率和直流偏置电压的确存在非常好的线性关系区域。对于要求高灵敏度的PZT微梁传感器，只要提供足够精细的扫描直流电压，就可以探测高精度的谐振频率的变化。此结论证明本发明专利有着很好的实用性。

本发明方法的理论依据如下：

在一维近似下，压电振子的连续性方程可以写成

$S_1=s_{11}^E{T}_1+d_{31}{E}_3---\left(1a\right)$

$D_3=d_{31}{T}_1+{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{E}_3---\left(1b\right)$

其中T是应力，E是电场，S是应变，D是电位移，d是压电系数，s₁₁ ^E是在常电场下的刚度，ε₃₃ ^T是在常应力下的介电常数，下标1、3分别表示沿长度方向和沿厚度方向。

在Alexsandrov[4]等人提出的关于直流偏置电压对压电振子的影响的研究中，把非线性的机电常数引入考虑之后，压电振子的连续性方程可以写为

$S_1=s_{11}^E{T}_1+s_{111}^E{T}_1^2+d_{31}{E}_3+d_{311}{E}_3{T}_1+M_{31}{E}_3^2---\left(2a\right)$

$D_3=d_{31}{T}_1+d_{311}{T}_1^2+{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{E}_3+M_{31}{E}_3{T}_1+{\mathrm{\ϵ}}_{333}^T{E}_3^2---\left(2b\right)$

d₃₁₁，M₃₁和ε₃₃₃ ^T分别是非线性的压电系数，电致伸缩系数和介电系数。

通常压电材料上所加的电场包括直流偏置电场 E₃和很小的交流偏置电场

电场 $E_3={\stackrel{\‾}{E}}_3+{\tilde{E}}_3.$ 同样应变和电位移量也存在直流和交流两组分量， $S_1={\stackrel{\‾}{S}}_1+{\tilde{S}}_1,D_3={\stackrel{\‾}{D}}_3+{\tilde{D}}_3.$ 然而由于静态机械应力为零，所以应力量只存在交流分量， $T_1={\tilde{T}}_1.$

对照一阶近似的连续性方程(1a)(1b)，(2a)(2b)式也可以相似地改写为

${\tilde{S}}_1=s_{11}^{\mathrm{eff}}{\tilde{T}}_1+d_{31}^{\mathrm{eff}}{\tilde{E}}_3---\left(3a\right)$

${\tilde{D}}_3=d_{31}^{\mathrm{eff}}{\tilde{T}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_{33}^{\mathrm{eff}}{\tilde{E}}_3---\left(3b\right)$

其中

$s_{11}^{\mathrm{eff}}=s_{11}^E+d_{311}{\stackrel{\‾}{E}}_3---\left(4a\right)$

$d_{31}^{\mathrm{eff}}=d_{31}+M_{31}{\stackrel{\‾}{E}}_3---\left(4b\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{33}^{\mathrm{eff}}={\mathrm{\ϵ}}_{33}^T+{\mathrm{\ϵ}}_{333}^T{\stackrel{\‾}{E}}_3---\left(4c\right)$

在(4a)中可以看到d₃₁₁ E₃是直流偏置电场引起的等效的刚度的变化。同样在直流偏置电场下，由于压电材料的体积发生变化，压电材料的密度ρ也会发生变化。

$\mathrm{\ρ}=\frac{m}{V}\≈{\mathrm{\ρ}}_0[1-(d_{31}+d_{32}+d_{33}){\stackrel{\‾}{E}}_3],$ 其中m和V分别是压电体的质量和体积，ρ₀是直流偏置电压为零时，压电体的密度。

由于压电系数d₃₁＝d₃₂，所以ρ≈ρ₀[1-(2d₃₁+d₃₃) E₃]            (5)

单端固定的悬臂梁的谐振基频可以近似写为[6]

$f_0=0.1693\frac{h}{L^2}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{s\ρ}}}---\left(6\right)$

将(4a)和(5)式代入(6)式，直流偏置电场引起的压电材料的刚度和密度乘积sρ的改变可以写为

$\mathrm{s\ρ}=s_{11}^E{\mathrm{\ρ}}_0-(2d_{31}+d_{33})s_{11}^E{\mathrm{\ρ}}_0{\stackrel{\‾}{E}}_3+d_{311}{\mathrm{\ρ}}_0{\stackrel{\‾}{E}}_3-(2d_{31}+d_{33})d_{311}{\mathrm{\ρ}}_0{\stackrel{\‾}{E}}_3^2---\left(7\right)$

假设 $\mathrm{\Δ\χ}=[-(2d_{31}+d_{33})+\frac{d_{311}}{s_{11}^E}]{\stackrel{\‾}{E}}_3+\frac{-(2d_{31}+d_{33})d_{311}}{s_{11}^E}{\stackrel{\‾}{E}}_3^2---\left(8\right)$

将(7)(8)代入谐振基频的表达式(6)，并做一阶Taylor展开，得到

$f_1=f_0(1-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ\χ})---\left(9\right)$

(8)和(9)揭示了压电材料的谐振基频随着受到所加的直流偏置电场的变化而改变的关系。当压电材料所受到的垂直于长度方向的直流偏置电场不太大时，直流偏置电场对谐振基频的影响是线性的，而随着直流偏置电场的增加，其影响也转变为二阶效应。

Claims (1)

1、一种谐振式压电微传感器谐振频率的检测方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)在非探测环境中，用激励信号V_in激励压电微结构，在一组扫描直流偏置电压的过程后，利用数据采集卡中比较获得最大幅值，再找到对应这一最大幅值的直流偏置电压V_DC0，V_DC0就是对应微传感器初始谐振状态的直流偏置电压；

(2)在探测环境中，同样用激励信号V_in激励压电微结构，利用数据采集卡比较获得最大的幅值，再找到对应这一最大幅值的直流偏置电压V_DC1，V_DC1就是对应微传感器谐振频率改变后谐振状态对应的直流偏置电压；

(3)利用V_DC0和V_DC1差值求解传感器的谐振频率改变值Δf；V_DC1-V_DC0＝AΔf，

这里，A是直流偏置电压变化量和谐振频率变化量的一个线性系数，通过实验测得。

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