壓電微懸臂梁質(zhì)敏傳感器性能的研究.pdf

1、基于力-電雙向耦合理論，采用有限元方法，數(shù)值模擬了壓電微懸臂梁，并進(jìn)行參數(shù)分析，為設(shè)計(jì)高靈敏度微懸臂梁提供理論依據(jù)。壓電微懸臂梁作為一種高靈敏度的新型傳感器件，具有體積小、成本低、響應(yīng)速度快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單以及易于集成等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域，特別是利用其動(dòng)態(tài)模式檢測(cè)方法具有頻率變化的高靈敏性和很寬的動(dòng)態(tài)范圍，檢測(cè)某些氣體、溶液成份等成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，為生化微質(zhì)量檢測(cè)開辟了新的空間。本文以壓電懸臂梁式微質(zhì)

2、量傳感器為研究對(duì)象，進(jìn)行理論分析、數(shù)值仿真研究壓電微懸臂梁的性能，為開發(fā)設(shè)計(jì)高靈敏度壓電微懸臂梁提供理論依據(jù)。
　　 首先闡述了壓電基本理論，分析了壓電雙向耦合效應(yīng)。基于微懸臂梁的振動(dòng)模型，理論分析了微懸臂梁在空氣和液體中的共振頻率和自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量關(guān)系，靈敏度與共振頻率變化量、被測(cè)物質(zhì)量的關(guān)系。
　　 基于力-電耦合理論，利用有限元方法數(shù)值模擬壓電微懸臂梁靜、動(dòng)態(tài)性能。通過仿真系統(tǒng)研究了懸臂梁材料特性、長度、寬度、厚

3、度及共振階數(shù)對(duì)壓電懸臂梁微質(zhì)量靈敏度檢測(cè)的影響；并在課題組長期研究OPCM壓電傳感材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了縱向振動(dòng)的OPCM模型，數(shù)值模擬結(jié)果表明OPCM比PZT懸臂梁具有更高的靈敏度。分析微懸臂梁在空氣、水中的頻率響應(yīng)曲線，并比較微懸臂梁品質(zhì)因數(shù)Q的特性，當(dāng)微懸臂梁應(yīng)用于液體環(huán)境中時(shí)，由于液體阻尼的影響，微懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)會(huì)降低，并且隨著品質(zhì)因數(shù)的降低，微懸臂梁靈敏度也會(huì)降低。但如果品質(zhì)因數(shù)過高，微懸臂梁系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)降低。