高阶模态悬臂梁式微质量传感器构型优化设计

摘要

高灵敏度是微质量传感器准确探测细菌、病毒和气体等物质的关键指标.虽然借助微型化的高阶模态梁可以有效提升探测灵敏度,但微尺度效应也降低了传感器的抗环境干扰能力.因此,如何在特定尺度约束下提升高阶模态传感器的灵敏度已成为谐振式微传感器设计的前沿问题.本文在研究弹性梁几何构型、压电层尺寸与有效质量分布对振动模态影响关系的基础上,建立了压电驱动多阶梯梁式微质量传感器的灵敏度分析模型.以传感器灵敏度提升最大为目标,建立了高阶振动模态下变厚度悬臂梁几何构型优化设计模型.考虑驱动位置与制造成本约束,设计并研制了具有多阶梯梁结构的压电式高阶模态微质量传感器.实验与数值仿真结果表明,同尺寸下,所得到的多阶梯梁式微质量传感器灵敏度较均匀厚度梁结构提升了10-15倍,从而验证了所提出的高阶模态微质量传感器灵敏度提升方法的有效性和可行性.