[发明专利]弯曲压电式氧化锌纳米棒微电机(MEMS)振动传感器

说明书

技术领域

本发明是将氧化锌纳米棒阵列与微电机结构相结合，利用氧化锌纳米棒受力弯曲变形所产生压电效应，将振动机械能转换成电信号，达到振动传感的目的。

背景技术

振动传感器被广泛地用于工业，国防，和日常生活中。它的基本工作原理是：在外力作用下，一个装置中的机械结构中的某一部份和其他部份产生相对惯性运动，瞬态改变该部份机械结构的相对位置，再利用电磁场或压电材料特性将机械位移转换成电信号，从而获得振动信息。目前实用的振动传感器大致为三种：电磁式、压电式和电容式。它们可以用一般的机械结构，也可以用微电机结构(MEMS)来实现。随着技术的发展，现在的传感器已经越来越不能满足需要。这是因为现在的振动传感器存在许多缺点：

·体积大电磁式有磁体、线圈、支撑结构，很难作得很小。

·压电陶瓷的“学习”特性，其工作寿命短。压电晶体虽然很稳定，但是它的敏感度比压电陶瓷要低得多。

·压电陶瓷的内阻很高，一般在GΩ以上。电流很小，必须用电荷放大器和限幅放大器。因此电路复杂，价格高；

·传统振动传感器一般需要较大的偏置电流，耗电大。

·由于热电效应，即使有良好的隔热封装，压电陶瓷的热稳定性仍然不理想。

·电磁式振动传感器的电磁抗干扰力差；

一般来说，压电陶瓷振动传感器要比电磁式振动传感器好。因此现代应用大多倾向为压电式。理论上，压电晶体的稳定性比压电陶瓷好得多，但压电晶体的敏感度要比压电陶瓷低得多，并且噪声也要高。最近几年出现的氧化锌纳米棒具有非常突出的压电特性。科学研究发现，在一根直径只有几十纳米，长度为几微米的氧化锌纳米棒的压电电压输出可在5至50毫伏之间，而它的内阻却只有几十到几百kΩ，比压电陶瓷要低上千倍到万倍。这是因为无论是用真空气象法或是液象法所生成的纳米材料具有非常均匀整齐对称的晶格排列。无论是机械稳定性，化学稳定性还是电稳定性纳米材料都比陶瓷材料要好得多。电磁式、压电式和纳米传感器的优缺点列于表1中。

表1电磁振动传感器，压电振动传感器和纳米振动传感器比较

  

性能参数电磁式压电式纳米压电式频率平滑20～1500Hz是是-频率平滑2～5000Hz不是-相位一致性2～5000Hz不好优优低离轴敏感度不好好优高频噪声低高极低线性度好好优任意指向安装不是是工作到120℃是是是机械寿命一般优优附加电路一般复杂简单体积大一般极小耗电大中无或极小抗电磁干扰低优优