ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究

Research on Zn0 Piezoresistive Thin Film Micro.cantilever and Its DesignZHANG Min.1iang.TAN Xiao.1an.WANG Feng(Colege of Electromechanical Engineering，North China University of Technology，Beijing 1o0144，China)Abstract：When pressure is applied on the piezoelectric micro-cantilever with Zn0 thin fm.the sensitivity of the sensor CaR be di-rectly determined by the genered charge.This paper deduces the equation，which is used to consider the relationship between theF and the Q.of the multi-layer micro-cantilever by the method of equivalent cross section.1t provides the theoreticaI basis for theforce measurement of the sensor.As compared with the micro-cantilever structure size.its sensitivity and resolution are improved。

This study gives a reference to the design and optimization 0f the piezoelectric micro-cantilever pressure sensor。

Key words：micro pressure sensor；micro-cantilever；Zn0 thin矧m：F-Q equation本文介绍采用MEMS技术制作的压电薄膜应用于微传感器、微驱动器和微执行器等。ZnO压电薄膜具有优良的压电、逆压电性能，频率响应好、线性好、不发热、控制方便、转换效率高和成本低等优点，特别是结合悬臂梁结构，具有微型化、灵敏度高，能实现传感器、执行器功能以及系统智能化等诸多优点” 。当力作用在压电微悬臂梁上时，产生的电荷量的多少将直接决定传感器灵敏度的高低。因此，本文首先设计了微悬臂梁的结构，然后推导了复合梁所受的作用力与产生电荷量的转换方程，并依据此转换方程 ，对压电微悬臂梁的结构尺寸进行比较分析，以提高传感器的灵敏度和分辨率。

1 压 电微悬臂梁结构设计及工作原理本文压电传感器结构为在 SVSiO：的基板上 依次淀积下金属电极层、压电薄膜层、上金属 电极层。如图 1所示。传感器敏感构件采用 ZnO压电微悬臂梁结构，由图 1 微悬臂梁结构示意图下至上共 5层，分别由 si层、SiO：层、底电极 Cu层、压电ZnO薄膜层、上电极 cu层。图2为局部放大图。

/ -p 十 十 · 十 Zn0- - - I - t - - si ( )- 图2 局部放大图CuSi02当微悬臂梁的端部受到作用力时，粱会发生弯曲形变。梁中的压电ZnO薄膜层在受到力的作用时，由压电效应 ，会在 轴方向产生极化 电荷。通过上、下电极层将电荷导出并输入到电荷放大器(或电流放大器)，再将电荷信号放大并转换成电压信号进行信号处理。

2 电微悬臂梁的力与电荷量关系方程的推导对于ZnO压电材料，其压电系数d 用矩阵表示，压电方程表示为：作者简介：张敏亮(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为 MEMS压力传感器。

Machine Building Automation，Jun 2013，41(J)：31～ ，62 ·31·· 机械制造 · 张敏亮，等 ·ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究6。， ， 为 ，Y，Z各平面上的压电感应电荷密度；，，or2，or3为 ，l，，z各平面上作用的轴向应力；r1， 2， 3为X，Y，Z各平面上作用的切应力。

根据设计的微悬臂梁的结构和工作原理，假设梁的 z轴方向承受作用力，对于薄膜结构，梁的长度和宽度远大于其厚度，可以认为梁发生纯弯曲变形，即可忽略正应力or2， 3，切应力 f4， 5， 6。如图 3所示。

图3 简单悬臂梁结构Z轴受力的纯弯曲变形图带入式(1)，可得到：d3IorI (2)当微悬臂梁的z轴方向受力时，只要求得 平面上作用的 轴向应力大型可以根据式(2)得到 轴面内产生的压电感应电荷密度。为了计算 轴面内的应力，先对多层复合压电微悬臂梁进行弹性力学 分析。当悬臂梁的端部受力F时，梁发生的纯弯曲变形，如图4所示。根据公式：任意位置处梁的弯曲高度离中性轴的距离的正应力为：zE M百 则距离悬臂梁端部为 的截面处所受平均应力 为：： z (3) z 为复合梁底部到中性面的距离；， 是复合梁的惯性矩；肼( )为距离原点 处梁的力矩； 表示梁的弹性模量； 为梁弯曲后的曲率半径；，为截面相对于中性轴的惯性矩。

图4 复合悬臂梁的端部受力示意图由于复合悬臂梁各层材料的弹性模量 不相同，所以复合梁的中性面位置 和惯性矩， 可以采用等效截面法 求得～其他层膜的宽度等效成相对于Si层的宽度，如图5所示。第 i层相对于Si层的等效宽度b：为：6 Ei· 6，J：1-5 (4)· 32·式中： 1-5，分别代表 sj层，SiO2层，Cu层，ZnO层，Cu层 ；6为悬臂梁 si层的宽度；E 为第 i层弹性模量 ； 为第i层薄膜的厚度。

第 i层相对于si层的等效二次惯性矩 ，为：Ii- (4)第 i层相对于s 层的等效截面积A ，为：A 6f·h (5)第 i层自身的中性面到复合梁底面的距离 ，为： 了hi (6)∑ (6)复合梁 中性面到底面的距离 ，为：∑A zz： - (7)∑A复合梁等效成.s 梁以后的等效二次惯性矩， ，为：， 圭， A (zi-z ) (8)将式(7)、(8)带人式(3)，可得复合悬臂梁受力 F的作用时，离原点 处，ZnO层受到的平均应力 ，为： F· ·(Zzno～ ) E5 [ A Zi-Z')：] E (9)将应力计算式(9)代入简化的压电方程(2)，并对整个具有上、下电极的压电层积分，可得复合微悬臂梁受力F的作用时，产生的电荷总量 Q，为：Q dyd if；d F· ·(乞 。) 三5[， A gi-Z')z E (1O)3 微悬臂梁长宽对压电传感器的影响及结果分析根据式(1O)，知道微悬臂梁受力的作用时，产生的电荷量主要由悬臂梁的长、宽及各层薄膜的厚度决定。本次设计根据实验室工艺条件，微悬臂梁以确定，见表 1。

表 1 微悬臂梁各层厚度参数 pm本文通过对比选择微悬臂梁不同的长度与宽度，在受10N力的作用时，将数据分别带人式(10)。用MATLAB得到计算结果：1)当选取梁长L1 500 txm，宽 b300 m到 b：750 tsm，每段等距间隔30 Izm时，可以得到压电微悬臂梁的输出电荷与为定值，3.9 pC。如图6所示。

(下转第 62页)htp：∥ZZHD.chinajourna1.net.en E-mail：ZZHD###chainajouma1.net.cn《机械制造与自动化》1， -0 O O O 0 0 o 0 O 以2 O O 也O O 以-........ ......L lI1 j 如-.......。. ......L · 机械制造 · 王兰，等 ·减速装置的动力学建模及应用研究4 结语减速装置是精密机械和工业机器人机械臂关节的重要部件，而关节是工业机器人机械臂的核心构件，机械臂在探测器执行任务中起着决定性的作用，机械臂的各个关节的减速装置必须具有较轻的质量，以减轻关节驱动电动机的负载，具有较大的传动比以提高机器人机械臂和机械手的控制品质 川。因此，小体积、大传动比、高转矩、高效率减速器的研制开发已成为减速装置产品研究的新课题。本文利用所建立的动力学模型，通过 MATLAB编程分析减速器的自由振动，得到了该系统的固有频率和各阶振型等动态特性参数。通过分析试验改进后的减速装置具有良好的动态特性，非常适合用于机器人机械臂的传动及其他精密机械的传动装置，具有-定的推广应用价值。