壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號的檢測論文課件

1、 本科畢業(yè)論文開題報告報告人:徐彪指導(dǎo)老師:王海200.壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號的檢測可行性研究及基本工作思路論文工作計劃文獻綜述(一)文獻綜述(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)動微懸臂梁使其振動,并利用壓電元件的壓電效應(yīng)來檢測梁的變形量的集成微驅(qū)動器和微傳感器。 微懸臂梁是一種在微電子機械系統(tǒng)(MEMS)中常用到的結(jié)構(gòu),其多用于微小力檢測、加速度檢測、生物化學(xué)檢測及數(shù)據(jù)存儲等方面。微懸臂梁具有很寬的動態(tài)范圍,其諧振頻率可從數(shù)十赫茲做到數(shù)兆赫茲,適于多種場合。同時微懸臂梁有很高的分辨率,以微小力檢測為例:原子力顯

2、微鏡能檢測到10-12N的微小作用力。微懸臂梁諧振時其自由端在垂直方向振幅為10nm甚至更小,因此其變形檢測方法要有很高的分辨率。 目前檢測微懸臂梁變形量的方法主要有隧道電流法、電容法、光學(xué)檢測法及壓電、壓阻效應(yīng)法。在這幾種檢測方法中,壓電效應(yīng)檢測法以其體積小,裝置簡單,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)動元件等優(yōu)點得到越來越廣泛的應(yīng)用。.基本工作思路:(1)、調(diào)研國內(nèi)外已有研究成果，掌握其原理，吸收其經(jīng)驗；(2)、對壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號的檢測進行研究，設(shè)計信號檢測電路；(3)、將壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號進行放大、處理、降低信

3、號的信噪比，檢出。論文的工作計劃第五周第六周（4月2日15日）：調(diào)研國內(nèi)外已有研究成果，并整理相關(guān)資料進行初步的研究。第七周第八周（4月16日29日）：對壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號的檢測進行研究，掌握其原理和基本的設(shè)計方法，并設(shè)計信號檢測電路。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的檢測處理，并對信號進行放大、處理，降低信號的信噪比，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）：對畢業(yè)論文進行整理、修改和補充。一、壓電微懸臂梁微弱壓電信號檢測 李 磊、褚家如、平志明 (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系,合肥230026

4、)1、要點: 壓電微懸臂梁是一種利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動微懸臂梁使其振動, 壓電微懸臂的機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)的變形從而帶動微懸臂梁振動。同時,由于正壓電效應(yīng),微懸臂梁的振動在壓電層上將產(chǎn)生電荷的積聚。利用壓電元件的壓電效應(yīng)來檢測梁的變形量的集成微驅(qū)動器和微傳感器。 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,并且提出了檢測微壓電信號的檢測系統(tǒng)（檢測系統(tǒng)主要包括前置放大器、函數(shù)發(fā)生器、鎖相放大器以及計算機）以及兩種前放電路。在測試系統(tǒng)中分別使用了以上兩種放大電路

5、進行壓電信號檢測實驗,檢測樣品為自制的壓電微懸臂梁，并且在檢測微懸臂梁頻率響應(yīng)特性的實驗中得到了較好的結(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，并且提出了檢測微壓電信號的檢測系統(tǒng)以及兩種放大電路。在檢測微懸臂梁頻率響應(yīng)特性的實驗中用了他們自行設(shè)計的差動電荷放大電路和差動電流放大電路以及整個信號檢測系統(tǒng)，可以檢測出壓電微懸臂梁的壓電信號。兩種電路都能較好的檢測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，差動電荷放大電路靈敏度較高，但是其原件較多，差動調(diào)平衡較難，噪聲引入環(huán)節(jié)較多;差動電流放大電路元件少，電路簡單，適于集成。 通過比較可知，使用兩路差動檢測

6、的方法能夠較好的去除激勵信號以及漂移和干擾信號的影響，可以用于微懸臂梁的進一步應(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: 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)的測試系統(tǒng)三個因素，本文對基于雙壓電PZT薄膜單元的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，搭建了微力系統(tǒng)測試的通用平臺，在此基礎(chǔ)上對微懸臂梁結(jié)構(gòu)進行傳感和執(zhí)行性能的測試和PZT薄膜的橫向壓電系數(shù)d31測量進行了深入研究. 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)測試平臺。微力傳感器系統(tǒng)本身尺寸在m量級，N級小力的產(chǎn)生和控制又比較困難，在N級微小力作用下壓

7、電材料產(chǎn)生的電荷信號非常微弱，微力傳感器系統(tǒng)的測試和校準(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)測試的方法研究，搭建實用、可靠的微結(jié)構(gòu)性能參數(shù)測試平臺十分關(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)，需進一步完善PZT薄膜制備工藝:根據(jù)相關(guān)文獻及本文的實驗研究，應(yīng)力或者應(yīng)變對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、制作工藝以及信號檢測等方面進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)計時要有些特殊性。 針對本文設(shè)計的具有雙壓電單元的壓電薄膜微懸臂梁

8、，需進一步探索其應(yīng)用模式。本文在雙層和雙片PZT壓電薄膜微懸臂梁測量和標(biāo)定實驗中，發(fā)現(xiàn)了很多有意義的實驗結(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、加速度檢測、生物化學(xué)檢測及數(shù)據(jù)存儲等方面。通過檢測微懸臂的振動變化情況就能得到所需要的被測量。微懸臂梁具有很寬的動態(tài)范圍, 其諧振頻率可從數(shù)十赫茲做到數(shù)兆赫茲, 適于多種場合。同時微懸臂梁有很高的分辨率, 因此其變形檢測方法要有很高的分辨率。目前檢測微懸臂梁變形量的方法主要有隧道電流法、電容法、光學(xué)檢測法及壓電、壓阻效應(yīng)法。在這幾種檢測方法中, 壓電效應(yīng)檢測法以其體積小, 裝置簡單, 分辨率高,對信號檢測的要求更是嚴(yán)格。所以以下就對壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號進行檢測提出幾點拙劣的建議。1：進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檢測的手段、方法，設(shè)計最優(yōu)的檢測電路，更好更精確的檢測信號，提高檢