微悬臂梁横向弹性系数标定技术.pdf

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1、6O传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2012年第31卷第8期微悬臂梁横向弹性系数标定技术包汉瑜，吴森，吴瑶瑶(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)摘要：微悬臂梁是新型力学传感器的关键部件，其性能决定力学测试结果的准确度。为了定量研究微悬臂梁与样品表面间的相互作用力，须对微悬臂梁的力学性能进行表征。提出了一种新的微悬臂梁横向弹性系数标定方案：采用精密天平和光杠杆分别测得微悬臂梁的横向扭转力和扭转量，进而可得到微悬臂梁的横向弹性系数。对3种型号的微悬臂梁进行了横向弹性系数的实际标定，结果

2、表明：均方差均小于5％，重复性良好，且与有限元仿真值一致。关键词：微悬臂梁；横向弹性系数；标定；天平中图分类号：TH742文献标识码：A文章编号：1000--9787(2012)08-0060-04Calibrationtechniqueoflateralcoeficientofelasticityofmicr0-cantileVerBAOHan—yu，WUSen，WUYao—yao(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments，TianjinUniversity，Tianjin300

3、072，China)Abstract：Micro—cantileveriskeycomponentofanewtypeofforcesensoranditspropertydeterminestheaccuracyoftheresultofmechanicaltest．Micro—cantilevershouldbecalibratedwiththepurposeofobtainingthemechanicalpropertiesinquantity．Anewcalibrationmethodofthelateralcoeficientofelasticityis

4、presented．Byusinganultraprecisionbalanceandtheopticalleverrespectively，thelateralforceandthetorsionaldeflectionaremeasured．Thelateralcoeficientofelasticityisthensimplyobtained．Thelateralcoeficientofelasticityofthreetypesofcantileversarecalibratedandthestandardmeansquaredeviationsarele

5、ssthan5％．whichshowsgoodrepeatability．Theexperimentalresuhisinagreementwiththefiniteelementanalysisresult．Keywords：micro—cantilever；lateralcoeficientofelasticity；calibration；balance0引言质振动频率法等。ClevelandJP附力质量法须在梁末端微悬臂梁是力学测量系统的第一个环节，用于从被测精确黏附质量已知的m级胶质球，微球的粘附位置对所对象获取信息，并将其转换为适合于测量的变量或信测得结

6、果的影响很大，结果需要进行修正且易造成待测梁号J。微悬臂梁(探针)作为原子力显微镜(AFM)中的核的损坏；Sader振动频率法须准确知道微悬臂梁在流体介质心组件，其法向和横向弹性系数的标定是力学量检测中的(如空气)中的振动频率、品质因子和梁的平面尺寸等参一个基本内容，通常探针制造商仅提供法向弹性系数的标数，主要用于大长宽比的矩形梁。直接施力法是通过对被称值，而横向弹性系数因涉及到的不确定因素较多，所以，测梁施加外力使其扭曲并记录相应扭转量继而得到横向弹一般不会直接给出。当前国内外针对法向弹性系数的标定性系数。该方案典型代表有斜面法』、参考物法叫等。所已经有一些比较

7、成熟的方法，而横向弹性系数的标定谓斜面法是使待测梁在已知楔角的斜面上移动并建立法向从理论到实验上都有诸多困难，鲜见成熟的标定方法。力和横向力的关系，再结合梁的扭转情况得到横向弹性系针对微悬臂梁横向弹性系数的标定，国内外形成了基数。此方法要求法向弹性系数已知，法向弹性系数的不确于谐振和直接施力2种方案。谐振法最初用于法向弹性系定度直接影响着横向标定的不确定度。参考物法使待测梁数的标定，后被推广至横向。谐振法主要包括ClevelandJ与已知力学特性的样品(如纤维、MEMS器件、压阻梁等)P等人提出的附加质量法’、SaderJE等人提出的流体介相互作用，以样品的受力变

8、形情况推算