膈膜式传感器微压电复合薄板的模态分析
压电复合板的有限元建模与频域响应分析
压电复合板的有限元建模与频域响应分析吴斌，高庆（西北工业大学 航天学院，西安 710072）摘要：本文展示了利用MSC/NASTRAN和MATLAB对含有压电作动器结构的建模流程，并描述了该组有效建模工具的效用和功能：利用MSC/NASTRAN建立含有压电作动器结构的模型，将作用电场时作动器的应变转化为热应变（NASTRAN中没有压电单元），然后利用MATLAB语言形成并求解动力学方程，获得频响函数。
将一个表面贴有多个压电作动器的悬臂铝梁作为简单实例，最终分析结果是结构变形和应变对作动器输入电压的频响函数。
关键词：压电作动器，频响函数，有限元建模1. 引言自上世纪50年代，随着主动控制概念的提出和探索，主动控制技术得到了极大的进步和应用，同时人们对主动控制系统的要求也日益提高，逐步认清了压电智能结构的广阔前景，对压电式主动控制系统的理论和应用研究也逐步深入。
Crawley在表面粘贴式和嵌入式压电作动器复合结构的理论研究方面先驱者之一，研究了含有分布式压电作动器的复合悬臂梁[1]，以及嵌入式作动器层合复合材料的全厚度的应变分布[2]等等；1991年，Maryland大学利用压电技术建立了谐振系统，Virginia Tech研制成功了压电陶瓷声学主动控制系统(ASAC),1994年，法国展出了压电蜻蜓飞行器[3]，其它的研究现状可参见相关的文献。
在数值分析分析方面，主要是利用有限元理论分析研究压电结构的时域响应，并且大部分研究人员是利用自己编写有限元程序[4]，大部分的商业软件还是不能直接进行压电结构的分析，但是新版的ABAQUS、Marc等软件已经可以进行一部分的机电耦合分析，并且Hauch利用ABAQUS 的机电耦合单元和超单元功能研究了带有压电作动器结构的建模问题；虽然Freed发展了包括压电耦合作用的一维和二维有限元，并将其融入MSC/NASTRAN中，但是目前还是不可用的[5]。
这些模拟实际压电作动器性能的接近已经使得能够利用一些解析的和数值的工具对实际情况进行分析，但是在频域响应分析方面还是不足以用于控制系统的设计的。
微机电系统(MEMS)技术 MEMS压电薄膜机电转换特性的测量方法-最新国标
微机电系统（MEMS）技术MEMS压电薄膜机电转换特性的测量方法1 范围本文件规定了用于压电式微传感器和微执行器等器件的压电薄膜机电转换特性测量方法。
本文件适用于MEMS工艺制备的压电薄膜。
2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 26111微机电系统（MEMS）技术术语3 术语和定义GB/T 26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1单压电层梁unimorph beam document由基底和基底上的一层压电薄膜构成的梁。
3.2正横向压电系数direct transverse piezoelectric coefficient由应变或应力产生的电荷或电压，通过计算得到压电薄膜的横向压电系数。
3.3逆横向压电系数converse transverse piezoelectric coefficient由电场或电压引起的应变或应力，通过计算得到压电薄膜的横向压电系数。
4 MEMS压电薄膜试验台4.1 概述以下横向压电特性的测量方法适用于单压电层梁。
MEMS压电薄膜横向压电系数试验台的功能模块或组件的基本构成见图1。
试验台符号和名称见表1。
12标引序号说明： 1 被测压电薄膜2 与被测薄膜上下表面接触的电极（2a 为上电极，2b 为下电极）3 基底4 夹具5 线性执行器（不用于逆压电效应测量）6 位移计7 测量并计算正横向压电系数的电测量仪器（即电压表、电荷计、电流表、示波器或锁相放大器）和测量并计算逆横向压电系数的激励源（函数发生器和放大器）图1 MEMS 压电薄膜的正和逆横向压电系数试验台表 1试验台的符号和名称推导的横向压电系数（表 1 试验台的符号和名称（续）4.2 功能模块和组件4.2.1 概述MEMS压电薄膜横向压电系数试验台各核心功能模块或组件的具体说明见4.2.2至4.2.6。
压电薄膜传感器工作原理以及应用
压电薄膜传感器工作原理以及应用压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。
一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。
本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。
工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。
一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。
因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。
使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。
当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势所在。
薄膜只感受到应力的变化量，最低响应频率可达0.1Hz。
压电薄膜传感器简介压电薄膜传感器拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。
一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。
工采网将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。
压电薄膜传感器工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。
一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。
因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。
使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。
隔膜式压力传感器原理及应用
隔膜式压力传感器原理及应用隔膜式压力传感器原理及应用隔膜式压力传感器是一种常见的测量压力的传感器，主要应用于工业、制造业、汽车等领域。
下面将对隔膜式压力传感器的原理及应用进行详细介绍。
一、原理隔膜式压力传感器的工作原理是通过隔膜将测量的压力转换为电信号输出。
其主要通过变压器来传递信号。
当压力作用于隔膜上时，隔膜产生微弱的形变，进而导致线圈中的信号发生变化，从而输出电信号。
二、结构隔膜式压力传感器的结构主要由三部分组成：隔膜、传感器和开关。
其中，隔膜是起到传感压力作用的部分，其作用类似于弹簧；传感器则是将隔膜代表的压力转换为电信号的部分；而开关则是控制输出电信号开关的部分。
三、应用隔膜式压力传感器的应用场景非常广泛，主要应用于以下几个方面：1. 工业领域在工业领域中，隔膜式压力传感器主要用来测量各种介质的压力，如液体、气体等。
一般应用于石油、气体、建筑等行业。
2. 制造业在制造业中，隔膜式压力传感器主要用来测量机器设备的压力，包括机器人、机床、制造设备等。
此类传感器需要具备高精度、高可靠性等特点。
3. 汽车领域在汽车领域中，隔膜式压力传感器主要用来测量汽车的油压、制动压力等。
同时，在车身控制领域，此类传感器也需要具备高精度的测量功效。
4. 医疗领域在医疗领域中，隔膜式压力传感器主要用来检测和测量人体内的压力状态，如肺功能、动脉压力等。
同时，在医疗器械的制造过程中，此类传感器也被广泛应用。
总之，隔膜式压力传感器的应用范围非常广泛，同时其精度也高，因此被广泛应用于各个领域中。
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究1PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究随着现代科技的不断进步，传感器已经广泛应用于各种电子设备和计量仪表中，传感器作为连接物理世界与数字世界的纽带，其性能不仅关系到设备的稳定性和性能，还关系到生活和工业领域的实际应用。
近年来，PVDF压电薄膜作为一种新型的传感器材料，受到了人们的广泛关注。
本论文从制备PVDF压电薄膜入手，探讨了PVDF压电薄膜的性能，并研究了其在压力传感器中的应用。
1. PVDF压电薄膜制备PVDF压电薄膜的制备过程主要分为以下两步，分别为拉伸和极化。
1.1 拉伸首先，需要将PVDF粉末通过非溶剂法制造成PVDF膜，然后将PVDF薄膜导入拉伸机中，利用一定的拉伸速度和力度拉伸成一定厚度的PVDF薄膜。
1.2 极化拉伸后的PVDF薄膜需要进行极化，将其放置在特殊的高温和高压环境中，使PVDF薄膜内部产生电极化作用，形成一定的电极化强度和方向，从而使PVDF薄膜产生压电效应。
2. PVDF压电薄膜性能PVDF压电薄膜的优点在于其具有极好的压电性能，也就是说，当其受到压力时，会产生一定的电荷输出。
此外，PVDF压电薄膜还具有极高的机械强度和稳定性，能够抵御一定的气氛和温度变化，并适用于多种环境条件。
此外，当PVDF压电薄膜与电荷放电器和电流放大器相连接时，可以将PVDF的输出信号放大和处理，以输出更具意义的信息。
3. PVDF压力传感器应用PVDF压电薄膜在压力传感器中的应用越来越广泛。
利用PVDF压电薄膜的压电效应，可以制作出一款高精度的压力传感器，可以独立地感知机械压力、机械挤压等多种变化。
此外，PVDF 压电薄膜在测量生物信号、声音、震动等方面也有广泛的应用，是一种具有广泛应用前景的新型传感器材料。
总之，PVDF压电薄膜是一种非常重要的材料，有着极佳的压电性能和稳定性能，能够被广泛应用于传感器和其他电子元器件中。
mems压电薄膜
mems压电薄膜标题：mems压电薄膜技术应用及发展前景分析引言MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）压电薄膜技术是一种结合了微机电系统和压电效应的新型技术，应用于传感器、执行器、声波滤波器等领域。
随着科技的发展和应用需求的增加，mems压电薄膜技术的应用也日益广泛。
本文将从mems压电薄膜技术的基本原理、应用领域以及发展前景等方面进行分析。
一、mems压电薄膜的基本原理1.压电效应压电效应是指一些材料在受到外力的作用下会产生电荷分布不均，从而产生电场的现象。
压电材料是利用这种效应来实现机械位移和电信号转换的材料，其具有优良的压电性能。
2. mems压电薄膜mems压电薄膜是指利用MEMS技术制备的压电材料薄膜，其具有微型化、高灵敏度和高性能等特点。
mems压电薄膜的制备过程包括压电材料的选择、薄膜制备、微加工和封装等步骤。
二、mems压电薄膜技术的应用领域1.传感器mems压电薄膜技术在传感器领域有着广泛的应用，尤其是在压力传感器、加速度传感器和声波传感器等方面。
mems压电薄膜传感器具有微型化、高灵敏度和低成本等特点，广泛应用于医疗、汽车、航空航天等领域。
2.执行器mems压电薄膜技术也被应用于执行器领域，例如微型压电马达、微型压电阀等。
这些执行器具有快速响应、高精度和低能耗等特点，广泛应用于微型机器人、微流体控制和生物医学设备等领域。
3.声波滤波器mems压电薄膜技术在声波滤波器领域也有着重要的应用，例如微型声表面波滤波器（MEMS SAW Filter）和微型压电声波滤波器（MEMSBAW Filter）。
这些滤波器具有微型化、频率稳定和高品质因数等特点，广泛应用于通信、无线电和雷达等领域。
三、mems压电薄膜技术的发展前景1.技术发展mems压电薄膜技术将通过类似于集成电路工艺的微加工技术实现更高的集成度和更小尺寸的器件，从而实现微型化、多功能化和系统集成化。
基于石墨烯复合薄膜的应变传感器及性能分析
第51卷第3期2020年3月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)V ol.51No.3Mar.2020基于石墨烯复合薄膜的应变传感器及性能分析卫军，吴志强，董荣珍(中南大学土木工程学院，湖南长沙，410075)摘要：为了克服现有应变传感器在结构健康监测上的不足，以还原氧化石墨烯(rGO)为导电填料，纳米纤维素(CNF)为骨架，硅橡胶(PDMS)为弹性基体，采用溶剂挥发法，制备一种层状结构的柔性应变传感器。
分析GO-CNF悬浮液分散性和rGO-CNF/PDMS薄膜传感器的机敏性能，分析传感器的应变-电阻响应机理，建立rGO-CNF/PDMS复合薄膜的压阻行为预测理论模型。
研究结果表明：CNF能有效协助rGO的分散，CNF相互交叉、搭接有助于在PDMS基底表面形成多孔隙结构的rGO-CNF薄膜；rGO-CNF/PDMS传感器能承受较大的拉伸变形(应变大于80%)，可通过调整基底材料种类和厚度进行调节，并且传感器对应变具有较高的灵敏度(灵敏系数为12～41)，可通过调整rGO和CNF的掺量进行调节；rGO-CNF/PDMS复合薄膜的压阻行为预测理论模型所得应变与电阻的关系与实测结果较吻合。
关键词：石墨烯；纳米纤维素；应变传感器；层状结构中图分类号：TB332文献标志码：A文章编号：1672-7207（2020）03-0619-09Performance analysis of strain sensor based on graphenecomposite filmWEI Jun,WU Zhiqiang,DONG Rongzhen(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha410075,China)Abstract:To remedy the deficiency of existing strain sensors in structural health monitoring,using reduced graphene oxide(rGO)as conductive filler,cellulose nanofiber(CNF)as skeleton and polydimethylsiloxane (PDMS)as elastic matrix,a flexible strain sensor with layered structure was prepared by solvent evaporation method.The dispersion of rGO-CNF suspension and electromechanical property of rGO-CNF/PDMS film sensor were analyzed.The mechanical and electrical response mechanism of the sensor was analyzed,and a theoretical prediction model of piezoresistive behavior of rGO-CNF/PDMS composite film was established.The results show that CNF can effectively assist the dispersion of rGO,and its cross-linking and overlapping can help to form porous rGO-CNF film on the surface of PDMS substrate.The rGO-CNF/PDMS sensor can withstand large tensile deformation(strain is larger than80%)which can be adjusted by the type and thickness of the substrate material.The sensor also has high sensitivity to strain with gauge factors of12−41and can be adjusted by the content of rGO and CNF.The relationship between strain and resistance obtained by the theoretical prediction model of DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.03.006收稿日期：2019−05−10；修回日期：2019−07−22基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51778628，51578547)(Projects(51778628,51578547)supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：董荣珍，博士，副教授，从事土木工程材料、新型建筑材料和功能材料研究；E-mail:********************第51卷中南大学学报(自然科学版)piezoresistive behavior of rGO-CNF/PDMS composite film are in agreement with the measured results.Key words:graphene;cellulose nanofiber;strain sensor;layered structure应变传感器是测量物体受力变形所产生的应变的一种功能型器件，在结构损伤探测和健康监测等方面有着广泛的应用[1−2]。
新型智能隔振复合结构的动态特性研究
新型智能隔振复合结构的动态特性研究王常松;梁森;韦利明【摘要】针对精密机械的微位移隔振问题，设计了一种以PVDF压电薄膜为作动器和传感器的新型智能隔振复合结构。
根据压电方程推导出了层叠式PVDF压电薄膜作动器厚度变形量表达式，建立了该智能复合结构的隔振理论模型，采用LMS自适应控制算法，以Matlab和有限元混合建模分析方式对本智能隔振复合结构的动态特性进行研究。
有限元模型的分析结果与Matlab计算数据一致，验证了本新型智能隔振复合结构对微位移隔振的有效性，其结论将为精密仪器、微纳米设备的微位移智能主动隔振奠定理论基础。
%In order to isolate vibration in precise instruments,a new smart composite structure was presented here, it consisted of a PVDF piezoelectric film actuator and a sensor.The deformation formula of the multilayer PVDF piezoelectric film actuator along its thickness direction was derived according to the piezoelectric equation and the vibration isolation theoretical model of this new smart composite structure was established in detail.Adopting LMS adaptive control algorithm,the dynamic characteristics of the new smart composite structure were simulated with software Matlab and ANSYS.The simulation results of ANSYS agreed well with those of Matlab,the validity of the new smart composite structure was verified.The investigation results provided an important theoretical foundation for the micro-displacement smart active vibration isolation of precise instruments and micro-nano equipments.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】6页(P61-65,100)【关键词】智能结构;主动隔振;聚偏氟乙烯;最小均方自适应控制算法;有限元分析【作者】王常松;梁森;韦利明【作者单位】青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266033;青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266033;中国工程物理研究院，四川绵阳 621900【正文语种】中文【中图分类】TB535.1第一作者王常松男，硕士生，1988年11月生通信作者梁森男，教授，博士生导师，1962年9月生Dynamic characteristics of a new smart vibration isolation composite struct ureKey words:smart structure; active vibration isolation; PVDF; LMS adaptive c ontrol algorithm; finite element analysis随着制造技术的发展，精密仪器和微纳米设备的应用越来越广泛，而任何微弱的振动对这些设备的正常运转都有较大的影响，这就对隔振器性能提出了很高的要求。
mems 压电薄膜
mems 压电薄膜
（最新版）
目录
1.介绍 MEMS 压电薄膜
2.探讨 MEMS 压电薄膜的特性和应用
3.分析 MEMS 压电薄膜的优势和局限性
4.总结 MEMS 压电薄膜的未来发展前景
正文
MEMS（微机电系统）压电薄膜是一种具有重要应用价值的微电子器件，它是通过微电子工艺制程制造出来的一种能将机械应变转化为电能的薄膜。
MEMS 压电薄膜主要由压电材料、电极和绝缘层等构成，具有体积小、重量轻、响应速度快等特点，广泛应用于传感器、能量收集、超声波器件等领域。
MEMS 压电薄膜的特性主要表现在其能够将机械应变转化为电能，这
种特性使得 MEMS 压电薄膜在许多应用领域具有显著的优势。
例如，在传感器领域，MEMS 压电薄膜可以实现对物体的各种物理量的高精度测量；
在能量收集领域，MEMS 压电薄膜可以有效地将环境中的机械能转化为电能，为微电子设备提供稳定的能源；在超声波器件领域，MEMS 压电薄膜
可以实现高性能的超声波信号的产生和接收。
尽管 MEMS 压电薄膜具有许多优势，但是它也存在一些局限性。
例如，MEMS 压电薄膜的制造工艺较为复杂，需要通过微电子工艺制程进行制造，这使得其制造成本较高；此外，MEMS 压电薄膜的性能也受到许多因素的
影响，例如材料的选择、薄膜的厚度等，这使得其性能的优化较为困难。
总的来说，MEMS 压电薄膜是一种具有重要应用价值的微电子器件，
它通过将机械应变转化为电能，为许多应用领域提供了高性能的解决方案。
基于多层次修正的纤维复合薄板振动响应预测
基于多层次修正的纤维复合薄板振动响应预测李晖;薛鹏程;周正学;韩清凯【摘要】为了准确预测纤维复合薄板的振动响应,本文采用了多层次修正技术,考虑了基础激励的影响,建立了该类型复合薄板的理论模型,并明确了基于多层次修正的基础激励下复合薄板振动响应预测原理.结合测试获得的固有频率、振型及频域响应等实验数据,在第一层次修正环节对理论模型中复合薄板的长度、宽度和厚度等尺寸参数进行修正;在第二层次修正环节,对纤维纵向、横向弹性模量、剪切模量和泊松比进行修正,在第三层次修正环节,则对不同纤维方向的损耗因子进行修正,进而提出了复合薄板振动响应的预测流程.并以TC300碳纤维/树脂基复合薄板为例,搭建了振动响应测试系统,并对预测结果进行了验证.验证结果表明,预测获得的共振及非共振响应结果与测试结果的误差最大不超过15％,处于误差允许的范围内,进而验证了所提出的预测方法的正确性.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)010【总页数】7页(P1661-1667)【关键词】纤维增强;复合薄板;基础激励;多层次;修正技术;响应预测;共振响应;非共振响应【作者】李晖;薛鹏程;周正学;韩清凯【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TB535纤维增强复合材料比强度高、比模量高、热稳定性好，还有一定的阻尼减振能力，因此被广泛应用于航空、航天、汽车工业与兵器工业等重要领域[1-2]。
目前，工程实际中存在大量通过该类型材料制成的典型复合薄板结构件，如太阳能帆板、航空发动机风扇叶片以及大型风力机叶片等，他们通常会受到基础激励载荷的作用，且随着它们的结构越来越复杂、工作环境越来越苛刻，其振动响应问题也越来越突出[3-4]，由于振动响应超标而引发的碰撞、摩擦等问题也越来受到人们的关注。
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具体 的微 传感器 进行 了建模 和仿真 ， 对仿 真结果 并
进行 了分 析和讨论 ．
１ 一 阶 模 态 分析
１ １ 一阶模 态频 率的近似 解析 求解方 法 ．
构健壮 、 工艺 简单 、 于加工 等优点 ＿ ， 以这类 传 易 ４所 ］ 感器极 具研 究价 值． 该传 感器 的核 心部件 是位 于其
最小平 面跨 度 ６之 比 ｈ ｂ １ ６就可看 成 是薄板 ． ／≤ ／
性力 学可 知无法求 取一 阶模态 频率 的精 确解 析解 ，
此时只能借助瑞利能量法求得其近似解．
压 电复合 薄板主 要 由支 撑层 和压 电层构成 ， 由于这
种结构 在微 尺度 下具有 优 良的力学 和 电学 性能 ， 所 以在微 机 电系统 （ ＭＳ ＭＥ ）中被 广 泛采 用［ ］ 柔 性 ５．
作性能影响很大 ， 所以对其进行模态分析是该传感 器研究 中的一项 重要工 ．
文 中分 析研 究 了方 形 柔性 谐 振膈 膜 式微 传 感 器低 阶模态频 率 的 近似 解 析 求解 方 法 和有 限元 分 析方法 ， 利用 Ｃ ｖｎｏＷａｅ软 件仿 真 环 境对 一 个 ｏ ｅｔｒ ｒ
第 ４ 期
王林艳等 ： 膈膜式传感 器微压 电复合薄板 的模 态分 析
３５ ３
际振形相 近 的变 形形 状 函数 ， 直接 代 入 由位 移变 分 原 理推得 的计算 公式 ， 取 近似 固有 频率 ． 于平 求 对 板， 可取 满足给 定位 移 边 界条 件 的振 型 函数 ． 用瑞 利 能量法 求取结 构 的一 阶模 态频 率 可分为 三步 ： 求 取结 构势 能 ， 求取 结构 动能 ， 列变 分方 程求解 。
瑞 利 能量 法 是 目前 广 为利用 的确定 振 动体 系 最低 固有频 率 的近似方 法． 该方 法 由瑞 利 提 出 ， 其 前提 是忽 略振 动过 程 中的能量损 耗 ， 定振 动过 程 假
中的最大势 能和最 大动 能相等 ． 实际做 法是将 与实
＊ 收 稿 日期 ：０ ００ —２ ２ １—６０ 作 者 简 介 ： 林艳 （９ ４） 女 ， 安工 业 大 学 工 程 师 ， 王 １７ 一 ， 西 主要 研 究 方 向 为计 算 机 辅 助 测试 、 加 工 与 微 测 试 ． － ｉ ｈｗｌ＠ １ ３ ｃｍ． 微 Ｅｍａｌ ｉ ｙ ６ ．ｏ ：
膈膜 式传 感器 微 压 电复合 薄板 的模 态 分析
王林 艳 ，李 少康
（ 西安工业大学 机电工程学院 ， 西安 ７０ ３ ） １０ ２
摘
要 ： 为 了分析 柔性 谐振膈 膜 式微 传 感器在设 计 中的微压 电复合 薄板模 态问题 ， 用近似 采
理论方法与有限元法分别对方形压电复合薄板的模 态进行 了分析． 推导出压电层和 支撑层 的 势能 与动能表 达 式 ， 出利 用瑞利 法求解一 阶频 率 的过程 ． 给 借助 微 系统 设计 开 发 与仿 真软 件 ，
微压 电复合 薄板 的结构如 图 １ 所示 ， 其下 层为
支撑 层 ， 上层 为压 电层． 当该结 构周边 固支时 ， 由弹
中央区域的微压电复合薄板． 中面为一平面的扁平
连续体 称为 平板 ． 当平板 厚度 远小 于 中面平 面尺 寸 时则称 为 薄板 ， 目前工 程上一 般认 为板厚 ｈ与板 的
第３ Ｏ卷第 ４期
２１ ０ ０年 ０ ８月
西
安
工
业
大
学
学
报
Ｊ ｕｎ ｌ ｆＸｉａ ｃ ｎ ｌｇｃ ｌ ｉｅｓｔ ｏ ｒ ａ ’ｎ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｉａ ｖ ｒ ｉ ｏ Ｕｎ ｙ
Ｖ０． ０ Ｎｏ ４ １３ ． Ａ崛 ２ １ ００
文 章编 号 ： １７—９５ ２ １）４３４０ ６３９６ （００ ０—３—５
谐振膈 膜式 微传 感 器是 利 用 微 压 电复 合 薄板 的柔 性谐振 模式来 进行 相 关 检测 的 ， 柔 性 振 动 ， 其 尤其 是频率 较低 幅值 较大 的低 阶模 态振 动 ， 器件 的工 对
图 １ 微 压 电复 合 薄 板 结构
Ｆｉ ． Ｔｈ ｔｕ ｔ ｒ ｆｍｉｒ ｂ ｍｏ ｐ ｇ１ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅｏ ｃ ｏ— ｉ ｒ ｈ
柔 性 谐 振 膈 膜 式 微 传 感 器 广泛 用 于 生 物 检 测、 液体黏 度测 量 、 压力 测 量 等 领域 ＿ ］这 种传 感 １． 器相 对于体 谐振 式传感 器具 有灵 敏度 高 、 工作 频率 低等优 点 ， 极 大简 化 检测 电路设 计 及 制作 ［． 能 ３ 同 ］
依据器件：ｘ工艺， ｔ－ ￣ 建立了器件三维模型． 使用软件的有限元分析功 能， 对其进行 了网格 划分
和 模 态分析 ， 出了一 阶和二 阶模 态振 型及模 态频 率． 过 对仿 真 结果 的讨 论 ， 给 通 为传 感 器 的设
计 提 供 了借 鉴 ．
关 键词 ： 压 电传 感器 ； 柔性 隔膜 ； 态分析 ； ＭＳ 模 ＭＥ 中图号 ： Ｔ ２ ２ Ｐ １ 文献 标志 码 ： Ａ
１ １ １ 求取 结构 势能 ．．
式 中 ： 和 Ａ 分 别为 支撑层 体 积与 中平 面 ； 为其
厚度 ． ２ 压 电层势 能 ）
压 电层势 能推 导过程 与支 撑层 类似 ， 值得 注意 的是还 需要 考虑 压 电耦合 效应 ， 可得压 电层 的势 故
能为
一
压 电复 合 薄板 的 势能 分 为压 电层势 能 和 支撑
层势 能两部 分． １ ）支撑层 势能 考虑 薄板 的横 向振 动 的基本假 定 ， 则有 图 １ 支 撑层 比能表 达式
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