压电悬臂梁探针中压电电荷信号的检测论文开题报告.ppt

本科毕业论文开题报告 报告人 徐彪指导老师 王海200 压电悬臂梁探针中压电电荷信号的检测 可行性研究及基本工作思路论文工作计划文献综述 一 文献综述 二 预期结果及合理化设想 可行性研究及基本工作思路 1 可行性研究 压电微悬臂梁是一种利用压电元件的逆压电效应驱动微悬臂梁使其振动 并利用压电元件的压电效应来检测梁的变形量的集成微驱动器和微传感器 微悬臂梁是一种在微电子机械系统 MEMS 中常用到的结构 其多用于微小力检测 加速度检测 生物化学检测及数据存储等方面 微悬臂梁具有很宽的动态范围 其谐振频率可从数十赫兹做到数兆赫兹 适于多种场合 同时微悬臂梁有很高的分辨率 以微小力检测为例 原子力显微镜能检测到10 12N的微小作用力 微悬臂梁谐振时其自由端在垂直方向振幅为10nm甚至更小 因此其变形检测方法要有很高的分辨率 目前检测微悬臂梁变形量的方法主要有隧道电流法 电容法 光学检测法及压电 压阻效应法 在这几种检测方法中 压电效应检测法以其体积小 装置简单 分辨率高 灵敏度高 并且由于压电效应的可逆性 易于与压电微执行器集成 且压电元件可兼做驱动元件等优点得到越来越广泛的应用 基本工作思路 1 调研国内外已有研究成果 掌握其原理 吸收其经验 2 对压电悬臂梁探针中压电电荷信号的检测进行研究 设计信号检测电路 3 将压电悬臂梁探针中压电电荷信号进行放大 处理 降低信号的信噪比 检出 论文的工作计划 第五周 第六周 4月2日 15日 调研国内外已有研究成果 并整理相关资料进行初步的研究 第七周 第八周 4月16日 29日 对压电悬臂梁探针中压电电荷信号的检测进行研究 掌握其原理和基本的设计方法 并设计信号检测电路 第十周 第十一周 5月7日 5月20日 研究压电悬臂梁探针中压电电荷信号的检测处理 并对信号进行放大 处理 降低信号的信噪比 检出 第十二周 第十三周 5月21日 6月3日 撰写论文 第十四周 6月4日 10日 对毕业论文进行整理 修改和补充 一 压电微悬臂梁微弱压电信号检测李磊 褚家如 平志明 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系 合肥230026 1 要点 压电微悬臂梁是一种利用压电元件的逆压电效应驱动微悬臂梁使其振动 压电微悬臂的机械谐振频率是由其形状 尺寸 材料等决定的 压电微悬臂梁的工作原理是 在压电层的上下电极之间施加交变电压 由于逆压电效应 在压电层上将产生相应的变形从而带动微悬臂梁振动 同时 由于正压电效应 微悬臂梁的振动在压电层上将产生电荷的积聚 利用压电元件的压电效应来检测梁的变形量的集成微驱动器和微传感器 文中讨论了压电微悬臂梁中的压电元件的两种等效电路模型 并且提出了检测微压电信号的检测系统 检测系统主要包括前置放大器 函数发生器 锁相放大器以及计算机 以及两种前放电路 在测试系统中分别使用了以上两种放大电路进行压电信号检测实验 检测样品为自制的压电微悬臂梁 并且在检测微悬臂梁频率响应特性的实验中得到了较好的结果 2 综合分析 文中讨论了压电微悬臂梁中的压电元件的两种等效电路模 并且提出了检测微压电信号的检测系统以及两种放大电路 在检测微悬臂梁频率响应特性的实验中用了他们自行设计的差动电荷放大电路和差动电流放大电路以及整个信号检测系统 可以检测出压电微悬臂梁的压电信号 两种电路都能较好的检测出微悬臂梁在谐振状态卜的幅度和相位 两种前放电路中 差动电荷放大电路灵敏度较高 但是其原件较多 差动调平衡较难 噪声引入环节较多 差动电流放大电路元件少 电路简单 适于集成 通过比较可知 使用两路差动检测的方法能够较好的去除激励信号以及漂移和干扰信号的影响 可以用于微悬臂梁的进一步应用 二 压电薄膜微力传感器特性研究卢晓光 大连理工大学物理电子学系 1 要点 基于压电PZT薄膜的微力传感器的性能主要依赖于PZT薄膜的性能 微力传感器结构和基于微系统的测试系统三个因素 本文对基于双压电PZT薄膜单元的微悬臂梁结构 搭建了微力系统测试的通用平台 在此基础上对微悬臂梁结构进行传感和执行性能的测试和PZT薄膜的横向压电系数d31测量进行了深入研究 基于电子天平 电荷放大器和锁相放大器为核心的通用微系统测试平台 微力传感器系统本身尺寸在 m量级 N级小力的产生和控制又比较困难 在 N级微小力作用下压电材料产生的电荷信号非常微弱 微力传感器系统的测试和校准较宏观传感器难度更大 所以开展适用于微力传感器系统测试的方法研究 搭建实用 可靠的微结构性能参数测试平台十分关键 2 综合分析 PZT薄膜的压电性能是压电微力传感器以及其它压电MEMS器件性能优劣的关键 以提高PZT薄膜的压电性能为目标 需进一步完善PZT薄膜制备工艺 根据相关文献及本文的实验研究 应力或者应变对铁电薄膜的压电性能有一定影响 仍需要做深入研究 从压电微力传感器结构设计 制作工艺以及信号检测等方面进一步探讨提高微力传感器灵敏度的方法 具体的应用环境下结构设计时要有些特殊性 针对本文设计的具有双压电单元的压电薄膜微悬臂梁 需进一步探索其应用模式 本文在双层和双片PZT压电薄膜微悬臂梁测量和标定实验中 发现了很多有意义的实验结果 需从铁电PZT薄膜材料和微悬臂梁结构角度深入探讨其理论机理 将双层和双片PZT压电薄膜微悬臂梁结构应用于具体的微操作及生物力学等测量环境中 开展更为广阔的应用研究 合理化设想 微悬臂梁是一种在微电子机械系统 MEMS 中常用到的结构 其多用于微小力检测 加速度检测 生物化学检测及数据存储等方面 通过检测微悬臂的振动变化情况就能得到所需要的被测量 微悬臂梁具有很宽的动态范围 其谐振频率可从数十赫兹做到数兆赫兹 适于多种场合 同时微悬臂梁有很高的分辨率 因此其变形检测方法要有很高的分辨率 目前检测微悬臂梁变形量的方法主要有隧道电流法 电容法 光学检测法及压电 压阻效应法 在这几种检测方法中 压电效应检测法以其体积小 装置简单 分辨率高 对信号检测的要求更是严格 所以以下就对压电悬臂梁探针中压电电荷信号进行检测提出几点拙劣的建议 1 进一步深入地研究压电效应 根据压电薄膜的材料选择压电信号检测的手段 方法 设计最优的检测电路 更好更精确的检测信号 提高检