專利名稱：諧振式壓電微傳感器諧振頻率的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬諧振式壓電微傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種諧振式壓電微傳感器諧振頻率的檢測方法。
背景技術(shù)：
壓電式微傳感器最早被采用于測量微力，比如加速度傳感器、角速度傳感器和原子力顯微鏡(AFM)。近年來，諧振式壓電微傳感器由于有極高的靈敏度，其在探測化學(xué)氣體分子的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。諧振式壓電微傳感器的探測原理一般是，當(dāng)壓電微結(jié)構(gòu)吸附了化學(xué)氣體分子之后微結(jié)構(gòu)的諧振頻率也隨之改變，所以探測出微結(jié)構(gòu)的諧振頻率變化也就探測出了化學(xué)氣體分子的濃度。通常諧振式壓電微傳感器的信號檢測系統(tǒng)為了檢測微結(jié)構(gòu)的諧振頻率的變化，需要一些大型復(fù)雜的分析設(shè)備，比如網(wǎng)絡(luò)分析儀或是阻抗分析儀等等。這些大型設(shè)備比較難以集成到微傳感器芯片上，要實現(xiàn)芯片上的分析系統(tǒng)(SOC)的設(shè)想存在一定的難度。
參考文獻[1]K.S.Aleksandrov，M.P.Zaitseva，A.M.Sysoev，Yu.I.Kokorin，The piezoelectric resonqantor in adc electric field[J]，F(xiàn)erroelectrics 41(1982)3-8. 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發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種針對諧振式壓電微傳感器的諧振頻率的檢測方法，即使用掃描直流偏置電壓來檢測微結(jié)構(gòu)的諧振頻率的變化。這樣諧振式壓電微傳感器的信號檢測系統(tǒng)可以省去頻譜分析電路，使得檢測系統(tǒng)更為簡化，更容易實現(xiàn)系統(tǒng)在芯片上集成。
K.S.Aleksandrov[1]等人在1982年從理論的角度發(fā)現(xiàn)壓電材料的機電的特性會受到直流偏置電壓的影響，Qing-Ming Wang[2]等人2003年發(fā)表論文公布了直流偏置電壓對諧振狀態(tài)下的PZT的阻抗以及內(nèi)在應(yīng)力的影響。本發(fā)明的發(fā)明人在對自行制作的諧振式PZT微懸臂梁傳感器檢測時發(fā)現(xiàn)了直流偏置電壓和微懸臂梁的諧振頻率存在線性關(guān)系。實驗數(shù)據(jù)顯示線性區(qū)存在于直流偏置電場小于1×107V/m的范圍內(nèi)。該線性區(qū)對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)的諧振頻率的變化足夠適用于探測氣體分子的微傳感器的高靈敏度的要求。
本發(fā)明提出的檢測方法，其相應(yīng)的檢測系統(tǒng)如圖1所示。它由正弦信號發(fā)生電路、數(shù)據(jù)采集卡和微處理器、激光干涉儀組成。
諧振式壓電微傳感器的激勵信號由正弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生。激光干涉儀被用于檢測微傳感器中微結(jié)構(gòu)的簡諧振動。激光干涉儀的輸出信號被輸入一個數(shù)據(jù)采集卡中。以上這幾個部分構(gòu)成的系統(tǒng)就可以用掃描直流偏置電壓的方法來檢測微傳感器振動頻率。需要說明的是這里用到的正弦信號發(fā)生器是可以產(chǎn)生帶有掃描直流電壓的正弦信號的。也就是說產(chǎn)生的激勵信號Vin中包括沒有直流偏置的正弦信號Vsin和一個在一定范圍掃描的直流偏置電壓信號VDC-scan(比如一定幅度范圍的斜波信號就可以作為VDC-scan)，即Vin＝Vsin+VDC-scan，見圖2，其中正弦信號Vin的頻率值應(yīng)該是稍稍低于壓電微結(jié)構(gòu)的諧振基頻(沒有直流偏置影響時的基頻)，這樣當(dāng)掃描直流偏置的時候，正好可以發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)諧振時對應(yīng)的直流偏置電壓。
諧振式微傳感器的工作原理一般是首先檢測非探測環(huán)境中的初始諧振頻率f0，然后再探測環(huán)境中，由于微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量發(fā)生變化或者受到某種力的作用，其諧振頻率變化為f0+Δf。探測出諧振頻率的變化量Δf后，就可以對應(yīng)知道微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量變化或是受到的力了。根據(jù)研究得知，激勵信號中在一定范圍內(nèi)的直流偏置電壓與壓電微結(jié)構(gòu)的諧振頻率存在線性對應(yīng)關(guān)系。所以本發(fā)明的理論依據(jù)就是檢測壓電微傳感器在諧振狀態(tài)下的直流偏置電壓來獲知微傳感器的諧振頻率的變化，進而可以獲知微傳感器的質(zhì)量變化或是受到的力。
本發(fā)明提出的檢測諧振式壓電微傳感器的諧振頻率的方法，具體步驟如下1、在非探測環(huán)境中，用激勵信號Vin激勵壓電微結(jié)構(gòu)。由于壓電微結(jié)構(gòu)只有在諧振時振幅最大，所以在一組掃描直流偏置電壓的過程后，利用數(shù)據(jù)采集卡中比較獲得最大幅值，再找到對應(yīng)這一最大幅值的直流偏置電壓VDC0。VDC0就是對應(yīng)微傳感器初始諧振狀態(tài)的直流偏置電壓。
2、當(dāng)微傳感器處于探測環(huán)境中，同樣用激勵信號Vin激勵壓電微結(jié)構(gòu)。利用數(shù)據(jù)采集卡比較獲得最大的幅值，再找到對應(yīng)這一最大幅值的直流偏置電壓VDC1。VDC1就是對應(yīng)微傳感器諧振頻率改變后諧振狀態(tài)對應(yīng)的直流偏置電壓。
3、利用VDC0和VDC1差值求解傳感器的諧振頻率改變值。即VDC1-VDC0＝AΔf。A是直流偏置電壓變化量和諧振頻率變化量的一個線性系數(shù)，它是由壓電微傳感器的尺寸，其內(nèi)部各薄膜的剛度以及PZT的壓電系數(shù)等等機電特性決定的。各種不同的壓電微傳感器的A的具體數(shù)值可以通過實驗測得。在后面列舉的例子中，發(fā)明人對自行制備的壓電微傳感器的A值進行了測定。
一般來說產(chǎn)生掃描直流電壓的電路和數(shù)據(jù)采集卡相比較大型的分析系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)分析儀或是阻抗分析儀)是相當(dāng)簡易的，而且比較容易用集成電路實現(xiàn)。使用該發(fā)明方法可以實現(xiàn)一種簡單的，易于芯片集成的諧振式壓電微傳感器專用的信號檢測系統(tǒng)，而且檢測的靈敏度高。


圖1.是諧振式PZT微懸臂梁傳感器的激勵和監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2.是帶有掃描直流電壓的正弦激勵信號。
其中A是沒有直流偏置的正弦信號Vsin；B是在一定范圍掃描的直流偏置電壓信號；C是由A和B合成的帶有掃描直流電壓的正弦激勵信號。
圖3.是本發(fā)明人對自行研制的諧振式PZT微懸臂梁傳感器進行了檢測，發(fā)現(xiàn)直流偏置電壓和PZT微梁的諧振頻率存在線性變化區(qū)域。圖中，實心方塊是對應(yīng)于掃描0.5伏到2.5伏直流電壓獲得的諧振基頻的點；實線是把這些數(shù)據(jù)點線性擬合獲得的一階直線。
圖中標(biāo)號1是數(shù)據(jù)采集卡以及微處理器；2是光纖干涉儀和激光頭；3是正弦信號發(fā)生器；4是含有PZT薄膜層的微懸臂梁傳感器。
具體實施例方式
運用本發(fā)明方法對自行研制的諧振式PZT微懸臂梁傳感器進行了檢測。PZT微梁結(jié)構(gòu)的尺寸是長860微米，寬300微米，厚2微米。PZT材料是選用韓國INOSTEK公司的商用產(chǎn)品，用sol-gel工藝制備的，微梁中PZT層的精確厚度是210nm。激勵信號進行直流偏置電壓的掃描后發(fā)現(xiàn)，直流偏置電壓和PZT微梁的諧振頻率是二階函數(shù)關(guān)系。當(dāng)直流偏置電場小于1×107V/m時，直流偏置電壓和PZT微梁的諧振頻率存在線性區(qū)域。見圖3。
試驗測得的兩者的關(guān)系式是f＝3.06598-0.04167Uf是諧振頻率(kHz)，U是加在PZT上的直流偏置電壓(V)。由這個測量結(jié)果可以知道不加直流偏置電壓時微梁的原始諧振頻率是3.06598kHz；直流偏置電壓變化量和諧振頻率變化量的系數(shù)A是-0.04167。
在直流偏置電壓和PZT微梁的諧振頻率的線性變化范圍內(nèi)，掃描直流偏置電壓0～2V?？梢允沟肞ZT微梁的諧振頻率線性變化大約80Hz。
實驗證明諧振式PZT微懸臂梁傳感器的諧振頻率和直流偏置電壓的確存在非常好的線性關(guān)系區(qū)域。對于要求高靈敏度的PZT微梁傳感器，只要提供足夠精細的掃描直流電壓，就可以探測高精度的諧振頻率的變化。此結(jié)論證明本發(fā)明專利有著很好的實用性。
本發(fā)明方法的理論依據(jù)如下在一維近似下，壓電振子的連續(xù)性方程可以寫成S1=s11ET1+d31E3---(1a)]]>D3=d31T1+ϵ33TE3---(1b)]]>其中T是應(yīng)力，E是電場，S是應(yīng)變，D是電位移，d是壓電系數(shù)，s11E是在常電場下的剛度，ε33T是在常應(yīng)力下的介電常數(shù)，下標(biāo)1、3分別表示沿長度方向和沿厚度方向。
在Alexsandrov[4]等人提出的關(guān)于直流偏置電壓對壓電振子的影響的研究中，把非線性的機電常數(shù)引入考慮之后，壓電振子的連續(xù)性方程可以寫為S1=s11ET1+s111ET12+d31E3+d311E3T1+M31E32---(2a)]]>D3=d31T1+d311T12+ϵ33TE3+M31E3T1+ϵ333TE32---(2b)]]>d311，M31和ε333T分別是非線性的壓電系數(shù)，電致伸縮系數(shù)和介電系數(shù)。
通常壓電材料上所加的電場包括直流偏置電場E3和很小的交流偏置電場 電場E3=E‾3+E~3.]]>同樣應(yīng)變和電位移量也存在直流和交流兩組分量，S1=S‾1+S~1,D3=D‾3+D~3.]]>然而由于靜態(tài)機械應(yīng)力為零，所以應(yīng)力量只存在交流分量，T1=T~1.]]>對照一階近似的連續(xù)性方程(1a)(1b)，(2a)(2b)式也可以相似地改寫為S~1=s11effT~1+d31effE~3---(3a)]]>D~3=d31effT~1+ϵ33effE~3---(3b)]]>其中s11eff=s11E+d311E‾3---(4a)]]>d31eff=d31+M31E‾3---(4b)]]>ϵ33eff=ϵ33T+ϵ333TE‾3---(4c)]]>在(4a)中可以看到d311E3是直流偏置電場引起的等效的剛度的變化。同樣在直流偏置電場下，由于壓電材料的體積發(fā)生變化，壓電材料的密度ρ也會發(fā)生變化。
ρ=mV≈ρ0[1-(d31+d32+d33)E‾3],]]>其中m和V分別是壓電體的質(zhì)量和體積，ρ0是直流偏置電壓為零時，壓電體的密度。
由于壓電系數(shù)d31＝d32，所以ρ≈ρ0[1-(2d31+d33)E3](5)單端固定的懸臂梁的諧振基頻可以近似寫為[6]f0=0.1693hL21sρ---(6)]]>將(4a)和(5)式代入(6)式，直流偏置電場引起的壓電材料的剛度和密度乘積sρ的改變可以寫為sρ=s11Eρ0-(2d31+d33)s11Eρ0E‾3+d311ρ0E‾3-(2d31+d33)d311ρ0E‾32---(7)]]>假設(shè)Δχ=[-(2d31+d33)+d311s11E]E‾3+-(2d31+d33)d311s11EE‾32---(8)]]>將(7)(8)代入諧振基頻的表達式(6)，并做一階Taylor展開，得到f1=f0(1-12Δχ)---(9)]]>(8)和(9)揭示了壓電材料的諧振基頻隨著受到所加的直流偏置電場的變化而改變的關(guān)系。當(dāng)壓電材料所受到的垂直于長度方向的直流偏置電場不太大時，直流偏置電場對諧振基頻的影響是線性的，而隨著直流偏置電場的增加，其影響也轉(zhuǎn)變?yōu)槎A效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種諧振式壓電微傳感器諧振頻率的檢測方法，其特征在于具體步驟如下(1)在非探測環(huán)境中，用激勵信號Vin激勵壓電微結(jié)構(gòu)，在一組掃描直流偏置電壓的過程后，利用數(shù)據(jù)采集卡中比較獲得最大幅值，再找到對應(yīng)這一最大幅值的直流偏置電壓VDC0，VDC0就是對應(yīng)微傳感器初始諧振狀態(tài)的直流偏置電壓；(2)在探測環(huán)境中，同樣用激勵信號Vin激勵壓電微結(jié)構(gòu)，利用數(shù)據(jù)采集卡比較獲得最大的幅值，再找到對應(yīng)這一最大幅值的直流偏置電壓VDC1，VDC1就是對應(yīng)微傳感器諧振頻率改變后諧振狀態(tài)對應(yīng)的直流偏置電壓；(3)利用VDC0和VDC1差值求解傳感器的諧振頻率改變值Δf；VDC1-VDC0＝AΔf，這里，A是直流偏置電壓變化量和諧振頻率變化量的一個線性系數(shù)，通過實驗測得。
全文摘要
本發(fā)明屬壓電微傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種諧振式壓電微傳感器諧振頻率的檢測方法。該方法根據(jù)激勵信號在一定范圍內(nèi)的直流偏置電壓與壓電微結(jié)構(gòu)的諧振頻率存在線性對應(yīng)關(guān)系，在非探測環(huán)境和探測環(huán)境中，分別用激勵信號激勵壓電微結(jié)構(gòu)，利用數(shù)據(jù)采集卡比較分別獲得最大幅值，以及對應(yīng)于最大幅值的直流偏置電壓V
文檔編號G01L1/10GK1603845SQ20041006759
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者王軍軍, 周嘉, 黃宜平 申請人:復(fù)旦大學(xué)