一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器的制作方法

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

技术实现要素：
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；

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。

本发明的有益效果为：

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为本发明的结构示意图。

图2为本发明的单晶硅结构层3的俯视图。

图3为本发明的测量电路原理图。

图4为键17的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

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、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，调整电路参数使双端固定谐振音叉13与振荡电路形成自激振荡，且振荡频率为双端固定谐振音叉13的固有频率，该频率通过频率测量装置18-6读取。

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。

参照图4，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。

本发明的工作原理为：

线型微纳材料17-1与键17顶部的孔同轴粘接配合，键17底部垂直插入键槽16，凸块17-2与键槽16紧密配合，键17的重量由两个输入梁10-1共同承担，避免对线型微纳材料17-1产生预应力；当线型微纳材料17-1的另一端被施加扭转力，驱使其进行原位扭转时，该扭转力通过键17作用于两个输入梁10-1；输入梁10-1传递该作用力于杠杆梁10-2，该作用力经杠杆梁10-2放大后施加于输出梁10-4并作用于双端固定谐振音叉13；双端固定谐振音叉13此时被置于具有增益控制的振荡电路中，适当调整电路参数之后，双端固定谐振音叉13与振荡电路形成自激振荡，且振荡频率为双端固定谐振音叉13的固有频率，当双端固定谐振音叉13受到或压或拉的作用力时，其固有频率发生改变，进而振荡电路中的自激振荡频率也发生改变，该频率变化可通过频率测量装置18-6读取；分析两个双端固定谐振音叉13的频率改变，即可计算出二者受到力的大小，并反推出材料受到扭矩大小。

两个双端固定谐振音叉13具有相同的结构，所以二者未受力时的特征频率也相同；根据理论，双端固定谐振音叉13受到的轴向力可以表示为：

式中P为作用在双端固定谐振音叉上的轴向力，P取正值时代表轴向力为拉力，P取负值时代表轴向力为压力，f为施加扭矩时测得双端固定谐振音叉13的频率，f₀为未施加扭矩时测得双端固定谐振音叉13的频率，E为硅材料的弹性模量，l、w、t分别为双端固定谐振音叉13谐振梁的长度、宽度和厚度。

两个“Z”字形微放大梁有着相近的结构，二者的力放大倍数也相近；根据理论，微放大梁对于轴向力的放大倍数可以表示为：

式中F_out为输出的轴向力，F_in为输入的轴向力，k_vp为支点梁10-3的轴向刚度，k_θp为支点梁10-3的转动刚度，k_vo为输出梁10-4的轴向刚度，k_θo为输出梁10-4的转动刚度，l₁为支点梁10-3到输出梁10-4的距离，l₂为支点梁10-3到输入梁10-1的距离。

在传感器工作时，线型微纳材料17-1受到原位扭转，其受到的扭矩通过键17与键槽16传递于两个“Z”字形微放大梁上并最终施加于两个双端固定谐振音叉13，当材料被顺时针扭转时，两个双端固定谐振音叉13同时受到压力，其谐振频率同时减小；当材料被逆时针扭转时，两个双端固定谐振音叉13同时受到拉力，其谐振频率同时增大。

根据测得数据，线型微纳材料17-1受到的扭矩可以由以下公式得出：

式中，L为键槽16的长度，P₁、P₂分别为两个双端固定谐振音叉13受到的轴向力，A₁、A₂分别为两个“Z”字形微放大梁的放大倍数。

在应用中，本发明应与微纳材料原位扭转装置相互配合使用，传感器应被置于真空中以保证谐振器的Q值，材料被扭转时应有形貌观察装置实时记录材料的力学表现。