壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)論文開題報(bào)告.ppt

本科畢業(yè)論文開題報(bào)告 報(bào)告人 徐彪指導(dǎo)老師 王海200 壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè) 可行性研究及基本工作思路論文工作計(jì)劃文獻(xiàn)綜述 一 文獻(xiàn)綜述 二 預(yù)期結(jié)果及合理化設(shè)想 可行性研究及基本工作思路 1 可行性研究 壓電微懸臂梁是一種利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)微懸臂梁使其振動(dòng) 并利用壓電元件的壓電效應(yīng)來(lái)檢測(cè)梁的變形量的集成微驅(qū)動(dòng)器和微傳感器 微懸臂梁是一種在微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMS 中常用到的結(jié)構(gòu) 其多用于微小力檢測(cè) 加速度檢測(cè) 生物化學(xué)檢測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面 微懸臂梁具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍 其諧振頻率可從數(shù)十赫茲做到數(shù)兆赫茲 適于多種場(chǎng)合 同時(shí)微懸臂梁有很高的分辨率 以微小力檢測(cè)為例 原子力顯微鏡能檢測(cè)到10 12N的微小作用力 微懸臂梁諧振時(shí)其自由端在垂直方向振幅為10nm甚至更小 因此其變形檢測(cè)方法要有很高的分辨率 目前檢測(cè)微懸臂梁變形量的方法主要有隧道電流法 電容法 光學(xué)檢測(cè)法及壓電 壓阻效應(yīng)法 在這幾種檢測(cè)方法中 壓電效應(yīng)檢測(cè)法以其體積小 裝置簡(jiǎn)單 分辨率高 靈敏度高 并且由于壓電效應(yīng)的可逆性 易于與壓電微執(zhí)行器集成 且壓電元件可兼做驅(qū)動(dòng)元件等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 基本工作思路 1 調(diào)研國(guó)內(nèi)外已有研究成果 掌握其原理 吸收其經(jīng)驗(yàn) 2 對(duì)壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)進(jìn)行研究 設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路 3 將壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)進(jìn)行放大 處理 降低信號(hào)的信噪比 檢出 論文的工作計(jì)劃 第五周 第六周 4月2日 15日 調(diào)研國(guó)內(nèi)外已有研究成果 并整理相關(guān)資料進(jìn)行初步的研究 第七周 第八周 4月16日 29日 對(duì)壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)進(jìn)行研究 掌握其原理和基本的設(shè)計(jì)方法 并設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路 第十周 第十一周 5月7日 5月20日 研究壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)的檢測(cè)處理 并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大 處理 降低信號(hào)的信噪比 檢出 第十二周 第十三周 5月21日 6月3日 撰寫論文 第十四周 6月4日 10日 對(duì)畢業(yè)論文進(jìn)行整理 修改和補(bǔ)充 一 壓電微懸臂梁微弱壓電信號(hào)檢測(cè)李磊 褚家如 平志明 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系 合肥230026 1 要點(diǎn) 壓電微懸臂梁是一種利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)微懸臂梁使其振動(dòng) 壓電微懸臂的機(jī)械諧振頻率是由其形狀 尺寸 材料等決定的 壓電微懸臂梁的工作原理是 在壓電層的上下電極之間施加交變電壓 由于逆壓電效應(yīng) 在壓電層上將產(chǎn)生相應(yīng)的變形從而帶動(dòng)微懸臂梁振動(dòng) 同時(shí) 由于正壓電效應(yīng) 微懸臂梁的振動(dòng)在壓電層上將產(chǎn)生電荷的積聚 利用壓電元件的壓電效應(yīng)來(lái)檢測(cè)梁的變形量的集成微驅(qū)動(dòng)器和微傳感器 文中討論了壓電微懸臂梁中的壓電元件的兩種等效電路模型 并且提出了檢測(cè)微壓電信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng) 檢測(cè)系統(tǒng)主要包括前置放大器 函數(shù)發(fā)生器 鎖相放大器以及計(jì)算機(jī) 以及兩種前放電路 在測(cè)試系統(tǒng)中分別使用了以上兩種放大電路進(jìn)行壓電信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 檢測(cè)樣品為自制的壓電微懸臂梁 并且在檢測(cè)微懸臂梁頻率響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)中得到了較好的結(jié)果 2 綜合分析 文中討論了壓電微懸臂梁中的壓電元件的兩種等效電路模 并且提出了檢測(cè)微壓電信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)以及兩種放大電路 在檢測(cè)微懸臂梁頻率響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)中用了他們自行設(shè)計(jì)的差動(dòng)電荷放大電路和差動(dòng)電流放大電路以及整個(gè)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng) 可以檢測(cè)出壓電微懸臂梁的壓電信號(hào) 兩種電路都能較好的檢測(cè)出微懸臂梁在諧振狀態(tài)卜的幅度和相位 兩種前放電路中 差動(dòng)電荷放大電路靈敏度較高 但是其原件較多 差動(dòng)調(diào)平衡較難 噪聲引入環(huán)節(jié)較多 差動(dòng)電流放大電路元件少 電路簡(jiǎn)單 適于集成 通過(guò)比較可知 使用兩路差動(dòng)檢測(cè)的方法能夠較好的去除激勵(lì)信號(hào)以及漂移和干擾信號(hào)的影響 可以用于微懸臂梁的進(jìn)一步應(yīng)用 二 壓電薄膜微力傳感器特性研究盧曉光 大連理工大學(xué)物理電子學(xué)系 1 要點(diǎn) 基于壓電PZT薄膜的微力傳感器的性能主要依賴于PZT薄膜的性能 微力傳感器結(jié)構(gòu)和基于微系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)三個(gè)因素 本文對(duì)基于雙壓電PZT薄膜單元的微懸臂梁結(jié)構(gòu) 搭建了微力系統(tǒng)測(cè)試的通用平臺(tái) 在此基礎(chǔ)上對(duì)微懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感和執(zhí)行性能的測(cè)試和PZT薄膜的橫向壓電系數(shù)d31測(cè)量進(jìn)行了深入研究 基于電子天平 電荷放大器和鎖相放大器為核心的通用微系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái) 微力傳感器系統(tǒng)本身尺寸在 m量級(jí) N級(jí)小力的產(chǎn)生和控制又比較困難 在 N級(jí)微小力作用下壓電材料產(chǎn)生的電荷信號(hào)非常微弱 微力傳感器系統(tǒng)的測(cè)試和校準(zhǔn)較宏觀傳感器難度更大 所以開展適用于微力傳感器系統(tǒng)測(cè)試的方法研究 搭建實(shí)用 可靠的微結(jié)構(gòu)性能參數(shù)測(cè)試平臺(tái)十分關(guān)鍵 2 綜合分析 PZT薄膜的壓電性能是壓電微力傳感器以及其它壓電MEMS器件性能優(yōu)劣的關(guān)鍵 以提高PZT薄膜的壓電性能為目標(biāo) 需進(jìn)一步完善PZT薄膜制備工藝 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及本文的實(shí)驗(yàn)研究 應(yīng)力或者應(yīng)變對(duì)鐵電薄膜的壓電性能有一定影響 仍需要做深入研究 從壓電微力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 制作工藝以及信號(hào)檢測(cè)等方面進(jìn)一步探討提高微力傳感器靈敏度的方法 具體的應(yīng)用環(huán)境下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要有些特殊性 針對(duì)本文設(shè)計(jì)的具有雙壓電單元的壓電薄膜微懸臂梁 需進(jìn)一步探索其應(yīng)用模式 本文在雙層和雙片PZT壓電薄膜微懸臂梁測(cè)量和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中 發(fā)現(xiàn)了很多有意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 需從鐵電PZT薄膜材料和微懸臂梁結(jié)構(gòu)角度深入探討其理論機(jī)理 將雙層和雙片PZT壓電薄膜微懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于具體的微操作及生物力學(xué)等測(cè)量環(huán)境中 開展更為廣闊的應(yīng)用研究 合理化設(shè)想 微懸臂梁是一種在微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMS 中常用到的結(jié)構(gòu) 其多用于微小力檢測(cè) 加速度檢測(cè) 生物化學(xué)檢測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面 通過(guò)檢測(cè)微懸臂的振動(dòng)變化情況就能得到所需要的被測(cè)量 微懸臂梁具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍 其諧振頻率可從數(shù)十赫茲做到數(shù)兆赫茲 適于多種場(chǎng)合 同時(shí)微懸臂梁有很高的分辨率 因此其變形檢測(cè)方法要有很高的分辨率 目前檢測(cè)微懸臂梁變形量的方法主要有隧道電流法 電容法 光學(xué)檢測(cè)法及壓電 壓阻效應(yīng)法 在這幾種檢測(cè)方法中 壓電效應(yīng)檢測(cè)法以其體積小 裝置簡(jiǎn)單 分辨率高 對(duì)信號(hào)檢測(cè)的要求更是嚴(yán)格 所以以下就對(duì)壓電懸臂梁探針中壓電電荷信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)提出幾點(diǎn)拙劣的建議 1 進(jìn)一步深入地研究壓電效應(yīng) 根據(jù)壓電薄膜的材料選擇壓電信號(hào)檢測(cè)的手段 方法 設(shè)計(jì)最優(yōu)的檢測(cè)電路 更好更精確的檢測(cè)信號(hào) 提高檢