一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底、二氧化硅绝缘层和单晶硅结构层，单晶硅结构层包括两个“Z”字形微放大梁，其杠杆梁顶部与输入梁连接，杠杆梁底部与输出梁的一端连接，杠杆梁中下部通过支点梁与两个杠杆梁之间的第五锚点连接，输入梁通过连接梁固定于第四锚点上，两个相对的输入梁之间连接的键上安装有待测线型微纳材料，输出梁的另一端和双端固定谐振音叉连接，双端固定谐振音叉与第三锚点连接，双端固定谐振音叉的平板电容组固定于第一、第二锚点上，除锚点外的结构处于悬空状态；通过第一、第二、第三锚点上溅射的金属电极板，整个传感器被置于一个自激振荡电路中，本发明专利技术体积小、灵敏度高、测量范围大。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及扭矩传感器
，特别涉及一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器。
技术介绍
近年来，随着纳米技术的发展，微纳材料被广泛用于航空航天、军事工业、生物医学、自动控制等领域。材料的微观力学性能与宏观的经典力学性能存在很大的差异，所以微纳材料的力学性能测试是一个重要的研究课题，其中已有较为成熟的测试方法如单轴拉伸法、梁弯曲实验等，针对线型微纳材料的拉伸和弯曲变形有了较深入的研究，但对材料在扭转服役下的力学性能测试关注较少。目前已经公开的专利中，有大量专利技术专利名为扭矩传感器，但多数针对宏观尺度下的材料扭转性能测试，只有少数试验台可以实现微纳尺度材料的原位扭转测试与观察，例如中国专利CN105606459、CN102788727A，以上专利都仅提供了一种对微纳材料进行夹持、原位扭转并在扫描电镜下观察的装置，并未涉及扭转力的定量测试；少数专利技术专利提及了微纳材料扭矩力的定量测试，例如中国专利CN103293066、CN105021338A，但主要
技术实现思路
仍在于原位扭转测试台，未提及扭矩传感器的具体设计或测试测量方法；还有的专利技术专利提及了微纳材料扭矩的具体测试方法，例如中国专利CN102128752A，但未采用应变式传感器，而是根据旋转台中电流的大小直接计算扭矩。综上，目前国内的专利技术专利中尚未有用于微纳材料扭转性能测量用的MEMS谐振式传感器。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器，体积小、灵敏度高、稳定性好，适用于50nm-500um直径的线型微纳材料的扭转力学性能测试中的扭矩测量。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底1，单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2上设有单晶硅结构层3；单晶硅结构层3包括两个相对的“Z”字形微放大梁，每个“Z”字形微放大梁包括输入梁10-1、杠杆梁10-2、支点梁10-3和输出梁10-4，杠杆梁10-2顶部与输入梁10-1连接，杠杆梁10-2底部与输出梁10-4的一端连接，杠杆梁10-2中下部与支点梁10-3的一端连接，输入梁10-1通过连接梁11固定于第四锚点12-4上，两个相对的输入梁10-1上刻蚀出孔，两个孔共同组成键槽16并安装有键17，键17安装有待测线型微纳材料17-1，支点梁10-3的另一端与两个杠杆梁10-2之间的第五锚点12-5连接；输出梁10-4的另一端和双端固定谐振音叉13的底部连接，双端固定谐振音叉13的顶部与第三锚点12-3连接，双端固定谐振音叉13由两根竖长谐振梁构成，双端固定谐振音叉13的两侧连接有第一平板电容组14-1和第二平板电容组14-2，第一平板电容组14-1的另一侧固定于第一锚点12-1上，第二平板电容组14-2的另一侧固定于第二锚点12-2上；除了所述锚点以外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层2和单晶硅基底1都被刻蚀掉，即都处于悬空状态；在第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3上设有溅射的金属电极板，分别为第一金属电极板15-1、第二金属电极板15-2和第三金属电极板15-3；第三金属电极板15-3和直流电源连接，第一金属电极板15-1依次通过放大器18-1、带通滤波器18-2、移相电路18-3、比较器18-4、增益调节电路18-5和第二金属电极板15-2连接，放大器18-1、带通滤波器18-2、移相电路18-3、比较器18-4和增益调节电路18-5形成自激振荡电路，比较器18-4的输出还连接有频率测量装置18-6。所述的杠杆梁10-2长度范围为500um-1500um，支点梁10-3到输入梁10-1的距离与其到输出梁10-4的距离比值范围达10-100倍。所述的双端固定谐振音叉13长度范围为100um-300um，双端固定谐振音叉13的谐振梁宽度范围为2um-5um，每一平板电容组中的两个电容平板都静电耦合，平板电容的长度范围为70um-150um。所述的第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3、第四锚点12-4都为正方形，其边长范围为180um-600um，第五锚点12-5为长方形，其长范围为250um-1500um，宽范围为180um-600um，金属电极板都为略小于锚点的正方形，边长范围为150um-250um。所述的键17外形为圆柱体，键17的底部设有与键槽16形状相同的凸块17-2，键17的顶部开圆柱形孔，在应用时与线型微纳材料17-1粘接配合，孔的直径与所采用的线型微纳材料17-1直径相适应。本专利技术的有益效果为：基于硅微谐振器的振荡器频率稳定、噪音低、易于集成，依此设计的力传感器体积小、灵敏度高、测量范围大；利用键17与键槽16的配合，将扭矩测量转化为轴向力测量，实现了线型微纳材料扭转性能的定量测试；利用两个“Z”字形微放大梁，进一步增大传感器的灵敏度，提高测量精度。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的单晶硅结构层3的俯视图。图3为本专利技术的测量电路原理图。图4为键17的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步详细描述。参见图1，一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底1，其厚度范围为400um-1000um，单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2，生长厚度范围为2-3um，二氧化硅绝缘层2上设有单晶硅结构层3，其厚度范围为10-25um。参见图2，所述的单晶硅结构层3包括两个相对的“Z”字形微放大梁，每个“Z”字形微放大梁包括输入梁10-1、杠杆梁10-2、支点梁10-3和输出梁10-4，杠杆梁10-2顶部与输入梁10-1连接，杠杆梁10-2底部与输出梁10-4的一端连接，杠杆梁10-2中下部与支点梁10-3的一端连接，输入梁10-1通过连接梁11固定于第四锚点12-4上，两个相对的输入梁10-1上刻蚀出孔，两个孔共同组成键槽16并安装有键17，键17安装有待测线型微纳材料17-1，支点梁10-3的另一端与两个杠杆梁10-2之间的第五锚点12-5连接。输出梁10-4的另一端和双端固定谐振音叉13的底部连接，双端固定谐振音叉13的顶部与第三锚点12-3连接，双端固定谐振音叉13由两根竖长谐振梁构成，双端固定谐振音叉13的两侧连接有第一平板电容组14-1和第二平板电容组14-2，第一平板电容组14-1的另一侧固定于第一锚点12-1上，第二平板电容组14-2的另一侧固定于第二锚点12-2上。所述的第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3、第四锚点12-4、第五锚点12-5是扭矩传感器的支撑，除了所述锚点以外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层2和单晶硅基底1都被刻蚀掉，即都处于悬空状态；在第一锚点12-1、第二锚点12-2、第三锚点12-3上设有溅射的金属电极板，分别为第一金属电极板15-1、第二金属电极板15-2和第三金属电极板15-3。参照图3，第三金属电极板15-3和直流电源连接，第一金属电极板15-1依次通过放大器18-1、带通滤波器18-2、移相电路18-3、比较器18-4、增益调节电路18-5和第二金属电极板15-2连接，放大器18-1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底(1)，单晶硅基底(1)上生长一层二氧化硅绝缘层(2)，二氧化硅绝缘层(2)上设有单晶硅结构层(3)，其特征在于：单晶硅结构层(3)包括两个相对的“Z”字形微放大梁，每个“Z”字形微放大梁包括输入梁(10‑1)、杠杆梁(10‑2)、支点梁(10‑3)和输出梁(10‑4)，杠杆梁(10‑2)顶部与输入梁(10‑1)连接，杠杆梁(10‑2)底部与输出梁(10‑4)的一端连接，杠杆梁(10‑2)中下部与支点梁(10‑3)的一端连接，输入梁(10‑1)通过连接梁(11)固定于第四锚点(12‑4)上，两个相对的输入梁(10‑1)上刻蚀出孔，两个孔共同组成键槽(16)并安装有键(17)，键(17)安装有待测线型微纳材料(17‑1)，支点梁(10‑3)的另一端与两个杠杆梁(10‑2)之间的第五锚点(12‑5)连接；输出梁(10‑4)的另一端和双端固定谐振音叉(13)的底部连接，双端固定谐振音叉(13)的顶部与第三锚点(12‑3)连接，双端固定谐振音叉(13)由两根竖长谐振梁构成，双端固定谐振音叉(13)的两侧连接有第一平板电容组(14‑1)和第二平板电容组(14‑2)，第一平板电容组(14‑1)的另一侧固定于第一锚点(12‑1)上，第二平板电容组(14‑2)的另一侧固定于第二锚点(12‑2)上；除了所述锚点以外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层(2)和单晶硅基底(1)都被刻蚀掉，即都处于悬空状态；在第一锚点(12‑1)、第二锚点(12‑2)、第三锚点(12‑3)上设有溅射的金属电极板，分别为第一金属电极板(15‑1)、第二金属电极板(15‑2)和第三金属电极板(15‑3)；第三金属电极板(15‑3)和直流电源连接，第一金属电极板(15‑1)依次通过放大器(18‑1)、带通滤波器(18‑2)、移相电路(18‑3)、比较器(18‑4)、增益调节电路(18‑5)和第二金属电极板(15‑2)连接，放大器(18‑1)、带通滤波器(18‑2)、移相电路(18‑3)、比较器(18‑4)和增益调节电路(18‑5)形成自激振荡电路，比较器(18‑4)的输出还连接有频率测量装置(18‑6)。...
【技术特征摘要】
1.一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底(1)，单晶硅基底(1)上生长一层二氧化硅绝缘层(2)，二氧化硅绝缘层(2)上设有单晶硅结构层(3)，其特征在于：单晶硅结构层(3)包括两个相对的“Z”字形微放大梁，每个“Z”字形微放大梁包括输入梁(10-1)、杠杆梁(10-2)、支点梁(10-3)和输出梁(10-4)，杠杆梁(10-2)顶部与输入梁(10-1)连接，杠杆梁(10-2)底部与输出梁(10-4)的一端连接，杠杆梁(10-2)中下部与支点梁(10-3)的一端连接，输入梁(10-1)通过连接梁(11)固定于第四锚点(12-4)上，两个相对的输入梁(10-1)上刻蚀出孔，两个孔共同组成键槽(16)并安装有键(17)，键(17)安装有待测线型微纳材料(17-1)，支点梁(10-3)的另一端与两个杠杆梁(10-2)之间的第五锚点(12-5)连接；输出梁(10-4)的另一端和双端固定谐振音叉(13)的底部连接，双端固定谐振音叉(13)的顶部与第三锚点(12-3)连接，双端固定谐振音叉(13)由两根竖长谐振梁构成，双端固定谐振音叉(13)的两侧连接有第一平板电容组(14-1)和第二平板电容组(14-2)，第一平板电容组(14-1)的另一侧固定于第一锚点(12-1)上，第二平板电容组(14-2)的另一侧固定于第二锚点(12-2)上；除了所述锚点以外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层(2)和单晶硅基底(1)都被刻蚀掉，即都处于悬空状态；在第一锚点(12-1)、第二锚点(12-2)、第三锚点(12-3)上设有溅射的金属电极板，分别为第一金属电极板(15-1)、第二金属电极板(15-2)和第三金属电极板(15-3)；第三金属电极板(15-3)和直流电源连接，第一金属电极板(15-1)依次通过放大器(18-1)、带通滤波器...
【专利技术属性】
技术研发人员：韦学勇，王曙东，翁寅生，任娟，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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