用于气体测量的压电微悬臂梁力学建模与实验研究

论文摘要

微悬臂梁作为最简单的一种MEMS器件,最早应用于扫描探针显微镜进行微小力和表面形貌的检测。近年来,由于其结构尺寸小、灵敏度高、响应速度快和成本低等优点,微悬臂梁在微纳传感器方面得到了广泛的应用。微悬臂梁传感器有两种独立的工作模式:静态工作模式和动态工作模式,通过测量表面功能化处理的微悬臂梁的静态弯曲量或者固有频率变化,可以实现多种检测,因此本文对微悬臂梁气体传感器开展了研究。虽然微悬臂梁传感器因其众多的优点得到了广泛的研究和应用,但是微悬臂梁的基础研究目前还远不够深入;此外,作为目前广泛应用于微悬臂梁信号检测的光杠杆法虽然具有较高的精度,但其结构复杂,成本高,不利于系统的微型化。本文基于压电材料的压电效应,将压电材料与微悬臂梁相结合,对压电微悬臂梁气体传感器进行了研究。由于压电微悬臂梁集驱动与传感于一身,很好地解决了微悬臂梁传感系统的微型化问题。通过对压电微悬臂梁气体传感器进行研究,本文建立了压电微悬臂梁用于气体检测的理论模型。首先,在静力学建模过程中引入由于表面吸附应力引起的微悬臂梁中性层位置的变化,建立了压电微悬臂梁静力学弯曲模型,并以水分子吸附为例分析了压电微悬臂梁的静态弯曲特性,得到了压电微悬臂梁的静态弯曲变形量与微悬臂梁厚度、气体吸附量之间的关系。其次,基于拉格朗日函数和Hamilton原理建立了不考虑吸附条件和压电效应、只考虑吸附条件、只考虑压电效应以及同时考虑压电效应和吸附条件下四种压电微悬臂梁的动力学模型。研究了压电效应以及气体吸附对压电微悬臂梁固有频率的影响,利用所建立的压电微悬臂梁的动力学模型,对镀铝压电微悬臂梁湿度传感器进行了仿真分析。最后,搭建了一个基于DMASP系列压电微悬臂梁、安捷伦4294A阻抗分析仪和CHL-156型防潮柜的压电微悬臂梁湿度测量实验平台。利用该平台对湿度进行了测量实验,并将实验结果与动力学模型分析结果进行了比较,验证了压电微悬臂梁动力学模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 课题国内外研究现状
• 1.3.1 微悬臂梁传感技术的发展现状及其应用
• 1.3.2 微悬臂梁传感技术基础理论研究现状
• 1.3.3 压电微悬臂梁传感技术的发展现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 压电微悬臂梁传感器工作原理的研究
• 2.1 微悬臂梁传感器的工作原理
• 2.1.1 微悬臂梁的主要结构及应用
• 2.1.2 微悬臂梁的工作模式
• 2.1.3 微悬臂梁信号检测方法原理及优缺点
• 2.1.4 微悬臂梁动态工作模式的激励方法
• 2.2 压电微悬臂梁传感工作方式
• 2.3 本章小结
• 第3章 压电微悬臂梁静力学弯曲理论模型的建立
• 3.1 压电微悬臂梁静力学弯曲模型的建立
• 3.1.1 模型建立的假设条件
• 3.1.2 中性层位置的确立
• 3.1.3 基于能量法的静力学弯曲模型建立
• 3.2 压电微悬臂梁静力学弯曲性能的仿真分析
• 3.2.1 压电微悬臂梁曲率半径与厚度之间关系的分析
• 3.2.2 压电微悬臂梁曲率半径与吸附分子间距之间关系的分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 压电微悬臂梁动力学振动模型的建立
• 4.1 不考虑压电效应和吸附条件下的模型建立
• 4.1.1 模型建立的假设条件
• 4.1.2 动力学模型的建立和理论解
• 4.1.3 固有频率参数依赖性的分析
• 4.2 吸附条件下不考虑压电效应时动力学模型的建立
• 4.2.1 模型建立的假设条件
• 4.2.2 吸附对动力学模型的影响
• 4.2.3 固有频率与吸附分子间距之间关系的分析
• 4.3 未吸附条件下考虑压电效应时动力学模型的建立
• 4.3.1 模型建立的假设条件
• 4.3.2 压电效应对动力学振动模型的影响
• 4.3.3 固有频率与激振电压关系的分析
• 4.4 同时考虑压电效应和吸附时动力学模型的建立和分析
• 4.4.1 动力学模型建立的假设条件
• 4.4.2 考虑吸附和压电效应时的动力学模型建立
• 4.4.3 压电微悬臂梁气体传感器的性能分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 压电微悬臂梁传感器湿度检测实验
• 5.1 实验平台的总体方案和结构
• 5.2 实验平台的搭建
• 5.2.1 压电微悬臂梁的结构和主要参数
• 5.2.2 CHL-156 防潮柜的主要性能指标
• 5.3 实验结果及其分析
• 5.3.1 基频测量实验
• 5.3.2 压电微悬臂梁湿度检测实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢