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压电薄膜微力传感器特性研究

作　者: 卢晓光
导　师: 董维杰
学　校: 大连理工大学
专　业: 物理电子学
关键词: 压电薄膜微执行器微力传感器微悬臂梁
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

压电式传感器和执行器具有结构简单、响应速度快、高频适用性强、驱动和处理电路简单等特点，在精密位移，精密定位、声学及力学量的检测等方面已经得到了广泛的应用。压电薄膜材料是适用于MEMS器件的功能薄膜材料，其中，PZT薄膜具有较高的压电性能，受到研究者的青睐。本文结合双压电薄膜的微悬臂梁结构，研究了PZT压电薄膜微力传感器特性，并对该传感器应用于实际微操作过程进行了初步探索。本文的主要工作包括：搭建微力传感器测试平台；微悬臂梁频率特性表征；双层和双片压电薄膜微悬臂梁结构传感和执行能力测试；集成执行功能的微力传感器性能表征。微力传感器的尺寸在几百μm，μN级小力的产生和控制比较困难，而且在μN级微小力作用下压电薄膜产生的电荷信号非常微弱。在设计微力传感器测试系统时，利用压电双晶片-微探针来施加微力，选用电子天平标定静态微小力，通过精密三维定位台进行微定位，利用光学显微镜进行微观观测。对本课题组制作的PZT薄膜微型悬臂梁，进行了独立传感和执行性能测试，并通过传感和执行性能灵敏度，分别基于正、逆压电效应，通过改进的Smith方程推导出横向压电系数d₃₁计算公式，计算结果表明两种方法所得d₃₁比较接近。用光学法和冲击法测试了压电悬臂梁的频率特性，测试结果与理论分析结果基本一致。对于集成双压电薄膜微悬臂梁的特殊结构，分别进行了双压电PZT薄膜微悬臂梁的微力传感和微小力执行性能的实验研究，包括微悬臂梁做传感和执行器件时的灵敏度、分辨率、时间稳定性、迟滞特性、重复性、线性度；发现双片微悬臂梁执行和传感能力与压电薄膜长度及位置有关。进行了双片结构微悬臂梁集成传感和执行功能的测试。并利用NI公司的数据采集卡DAQPad6015，通过LabVIEW程序控制D／A和A／D端口，实现了微操作模拟。

压电薄膜微力传感器特性研究

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