[发明专利]基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器及其测量方法

权利要求书

1.一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：设置基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法由基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器实现；

所述基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器包括压电传感层、结构层、压电驱动层和基座；所述压电传感层、结构层和压电驱动层均为矩形梁结构，并依次相互粘合形成压电悬臂梁；压电悬臂梁的端部与基座连接；所述压电传感层与压电驱动层的极化方向相反；所述结构层接地；

该基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法为：在测量时，沿压电驱动层极化方向施加平均值为零的高频低幅值周期性交变电压，在逆压电效应下使压电悬臂梁发生高频颤振，为压电传感层提供持续能量输入，抑制电荷泄露对微尺度力测量精度的影响；在正压电效应作用下，压电悬臂梁高频颤振将转化为沿压电传感层极化方向的交变感应电压；

同时在压电传感层的自由端作用集中微尺度力，使得在正压电效应作用下对交变感应电压平均值产生影响；通过检测交变感应电压平均值的变化可以实现压电悬臂梁的微尺度力的测量；所述自由端为压电传感层远离基座的端部；

加载于压电驱动层的高频交变电压幅值U_in需满足：

式中，α＝(h_m+h_p)/h_p，f_p为压电传感层在压电传感层和结构层构成的复合结构中所占的体积分数，d₃₁为压电驱动层和压电传感层的压电应变常数，为压电悬臂梁自由端的许用挠度，h_m为结构层的平面内宽度，h_p为压电驱动层和压电传感层的平面内宽度，E_p为压电驱动层和压电传感层材料的弹性模量，E_s为结构层材料的弹性模量，L为压电悬臂梁轴向长度；

加载于压电驱动层的高频交变电压幅值U_in还需满足：

式中，u为所述微尺度力传感器压电传感层电压测量仪器噪声信号的幅值，d₃₁为压电驱动层和压电传感层的压电应变常数。

2.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：所述压电传感层、结构层和压电驱动层的轴向长度均相等；所述压电传感层、结构层和压电驱动层的厚度均相等。

3.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：所述压电传感层和压电驱动层的平面内宽度相等。

4.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其特征在于：所述压电悬臂梁的厚度小于等于压电悬臂梁的轴向长度。

5.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：所述压电悬臂梁的轴向长度与其最小径向特征尺寸的比值不小于10。

6.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器的测量方法，其特征在于：当加载于压电驱动层的高频低幅值交变电压和加载于压电传感层自由端的集中微尺度力复合作用时，压电悬臂梁的感应电压平均值与集中微尺度力之间的关系式为：

式中，h_z＝(h_m/2)+h_p，为感应电压平均值，g₃₁为压电驱动层和压电传感层的压电电压常数，L为压电悬臂梁轴向长度，F为集中微尺度力大小，b为压电悬臂梁的厚度，E_p为压电驱动层和压电传感层材料的弹性模量，E_s为结构层材料的弹性模量，h_m为结构层的平面内宽度，h_p为压电驱动层和压电传感层的平面内宽度。