[发明专利]一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器

说明书

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，本发明体积小、灵敏度高、测量范围大。

技术领域

本发明涉及扭矩传感器技术领域，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。

背景技术

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，有大量发明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CN 105606459、CN 102788727A，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；少数发明专利提及了微纳材料扭矩力的定量测试，例如中国专利CN 103293066、CN105021338A，但主要发明内容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；还有的发明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，目前国内的发明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。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明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，本发明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；