晶片表面微观形貌对压电式力传感器性能影响规律研究

发布时间：2020-04-27 18:25

【摘要】：压电式力传感器广泛应用于高性能零件的精密加工、装配等环节,是重要的力学载荷测量装置。当前,对压电式力传感器的研究主要集中在晶体材料、晶片尺寸、壳体结构、电极个数等因素对其性能的影响,缺乏有关晶片表面微观形貌对其性能影响的研究。忽视晶片表面微观形貌因素,将导致传感器的刚度下降、灵敏度降低、吸湿性提高,严重影响传感器的正常使用。因此,本论文以晶片表面微观形貌为研究对象,从晶片制备、表面微观形貌的表征及其对传感器性能的影响机理、影响规律等方面展开研究。(1)制备了具有不同表面微观形貌的石英晶片。利用金刚石往复式线锯切割压电晶体,加工定向端面及切片,提出了一种通过控制切向力提升晶片表面平面度的方法。应用X射线定向仪对晶片进行定向,分析定向误差对传感器性能影响。阐述晶片侧表面成型方法及特点。最后研磨晶片,制备了不同表面微观形貌的晶片,为后续研究提供了实验基础。(2)研究了晶片上/下表面微观形貌对传感器法向刚度的影响规律。利用分形理论对晶片表面微观形貌进行表征,通过结构函数法计算晶片表面微观形貌的分形参数。建立了虑及晶片表面微观形貌、预紧力、电极材料、压电晶体材料等因素的传感器法向刚度影响模型。通过两种压电晶体(石英和硅酸镓镧),四种电极材料(钛合金、不锈钢、黄铜和铝)分别构成晶组进行实验。结果表明:传感器法向刚度,随着晶片表面微观形貌分形维数的增加,先增加后减小;随着分形尺度系数的增加而减小;选用弹性模量小的晶体或电极材料、增加预紧力,有助于提高晶片与电极的接触刚度、法向刚度、传感器固有频率,从而提高传感器动态性能。(3)研究了晶片上/下表面微观形貌对传感器灵敏度的影响规律。晶片表面微观形貌通过晶片等效电容效应影响晶组灵敏度,通过分载效应影响传感器灵敏度。建立了虑及晶片尺寸和表面微观形貌、晶体压电系数、传感器结构参数、电荷放大器系统参数在内的传感器灵敏度模型。针对晶片等效电容效应,利用统计学模型对晶片表面微观形貌进行表征,建立了基于电荷放大器的灵敏度影响模型并进行实验研究。随着晶片表面粗糙度增大,晶片与电极微观接触间距增大,晶组的灵敏度提高。针对分载效应,给出了晶片/电极接触刚度对传感器灵敏度影响模型并进行实验。低接触刚度时,随着结合面接触刚度的提高,传感器灵敏度提高;随着接触刚度的增加灵敏度提高幅度逐渐降低;高接触刚度情况下,接触刚度提高对灵敏度存在负面影响。阐明了两种效应的关系——串联关系,分载效应的影响更强。最后,以不同表面粗糙度晶片封装单向力、三向力传感器,进行灵敏度性能对比实验。结果表明:优选晶片表面粗糙度可提高压电式力传感器灵敏度。给出了不同量程下,压电式力传感器晶片表面粗糙度推荐值,为高性能压电式力传感器设计提供了参考。(4)研究了晶片侧表面微观形貌对传感器吸湿性的影响。提出了压电效应感生电荷卸荷通道机理:感生电荷通过晶片侧表面卸荷。实验研究了压电晶体表面粗糙度,相对湿度与晶体面电阻关系。在高湿度情况下,晶片侧表面越粗糙,传感器吸湿性越差,防水性越强;低湿度时,光滑侧表面具有较高的防水性。针对传统涂防水胶防水的弊端,提出了一种基于氟化技术的晶片防水新方法。分析了压电石英晶体表面氟化膜形成机理,实验研究了氟化膜防水的有效性:达到90%RH时,晶组依然正常工作。实验研究了温度、破损对氟化膜防水有效性的影响,在0～80℃范围,氟化膜具有温度适应性;上/下表面及侧表面周向破损不破坏氟化膜防水性,侧表面法向贯穿式破损使氟化膜失去防水性,实验结果为感生电荷卸荷通道机理提供了有力的证明。
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压电式

感器主要性能研究现状逡逑器按照力的作用方向划分为拉力型与压力型。从测量对象的测力矩传感器是间接力矩测量，也可通过压电扭转效应温度范围，分为常温传感器与高温传感器。从量程角度分感器和重载荷传感器。逡逑力传感器成型产品主要分为单向力传感器及三向力传感器ＩＳＴＬＥＲ９０Ｘ丨系列（ＫＩＳＴＬＥＲ瑞士），ＹＤＳ－７８邋Ｉ型（大连理工苏联能中国）以及ＭＯＤＥＬ２０８Ｃ０Ｘ（ＰＣＢ美国）。其他主典型产品如表１．１所示。三向力传感器是目前使用频率最Ｉ７９Ｋ三向力传感器（大连理工大学中国），，ＫＩＳＴＬＥＲ邋９０２Ｘ），ＭＯＤＥＬ２６０邋系列（ＰＣＢ邋美国），ＬＣ－ＹＤ－３３０２（３３１０）三向产品。瑞士邋ＫＩＳＴＬＥＲ出品的９１３９Ａ多维测力平台，由成，是机械加工中最常用的力载荷测量装置。测力平台制感器尺寸规格严格一致，位置均布、预紧力一致；传感器

表面微观形貌,预紧力,灵敏度,压电式力传感器

晶片表面微观形貌对压电式力传感器性能影响规律研宄力对压电式力传感器灵敏度的影响逡逑在加工、封装、使用过程中，需要加预紧力。孙宝元和张贻恭利用传感器，实验研究预紧力与灵敏度的关系，预紧力从0增加至２０００，２０００Ｎ至４０００Ｎ，灵敏度几乎不变，如图１．２所示。逡逑预紧力与压电式力传感器灵敏度直接相关：预紧力较小时，随着预逐渐增加；随着预紧力继续提高，传感器灵敏度略有微小下降，可视，目前采用实验方法确定，缺乏定量分析。逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212

【参考文献】