[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

说明书

本发明提供一种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。本发明还提供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。本发明可抑制电荷泄露对静态微尺度力检测精度的影响，实现分辨率高、响应速度快的鲁棒微尺度力检测，适合应用于精密定位、微纳操作等领域的力感知。同时，传感器的高频颤振可有效降低微尺度物体与末端执行器间黏滞力对微纳操作的干扰，提高微纳操作的效率。

技术领域

本发明涉及压电微尺度力传感器，更具体地说，涉及一种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。

背景技术

压电材料是一种能实现机械能和电能相互转化的智能材料。压电材料具有正压电效应与逆压电效应。其中，正压电效应是指压电材料沿一定方向受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它两个相对表面上出现正负相反电荷的现象，可实现机械能向电能的转换，主要用于设计传感器；逆压电效应是指在压电材料极化方向上施加电场时，压电材料会发生变形的现象，可实现电能向机械能的转换，主要用于设计驱动器。压电传感器分辨率高、响应速度快、信噪比低，已广泛应用于精密定位、微纳操作等领域的力与位移测量。

压电悬臂梁是指含有压电材料且一端固定一端自由的梁，可在紧凑的结构中将末端受力转换为压电层感应电压，实现正压电效应；或在紧凑的结构中将压电层驱动电压转换为梁的挠曲变形，实现逆压电效应。压电悬臂梁可通过微细加工技术制造，是精密定位与微纳操作领域压电驱动器与压电传感器主要的实现形式之一。

现有的压电微尺度力传感器(包括压电悬臂梁微尺度力传感器)仅采用正压电效应，由于压电材料存在电荷泄露现象，传感器难以获得稳定精确的静态微尺度力测量值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种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；本发明可抑制电荷泄露对静态微尺度力检测精度的影响，实现分辨率高、响应速度快的鲁棒微尺度力检测，适合应用于精密定位、微纳操作等领域的力感知。同时，传感器的高频颤振可有效降低微尺度物体与末端执行器间黏滞力对微纳操作的干扰，提高微纳操作的效率。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于压电悬臂梁高频颤振的微尺度力传感器，其特征在于：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。

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。

所述压电传感层和压电驱动层的平面内宽度相等。

所述压电悬臂梁的厚度小于等于压电悬臂梁的轴向长度。

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。压电悬臂梁满足平面假设和小变形假设。

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：设置压电传感层、结构层、压电驱动层和基座，将压电传感层、结构层和压电驱动层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；

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；