应变式薄膜微传感器的制备与性能表征的试验研究

发布时间：2017-04-26 01:07

  本文关键词：应变式薄膜微传感器的制备与性能表征的试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：精密、超精密加工技术的不断发展,要求切削力测量传感器及系统微小化、高精度、高分辨率、高响应、实时性等。研制高精度、能适应恶劣环境测量压力要求的薄膜电阻测力传感器具有广阔的应用前景和良好的社会效益。基于MEMS技术,在刀具内嵌入薄膜微传感器用于测量切削力,可以直接反映刀具的工作情况,具有准确、有效、可靠性高等特点。为研制出性能优良适用于高温等恶劣环境的切削力测量用合金薄膜传感器,结合新型合金薄膜材料的基本性能,与离子束、磁控溅射技术进行新型薄膜传感器的设计与制作。本文在对薄膜传感器的测力原理进行分析的基础上,设计了一种嵌入刀具的薄膜测力传感器,利用仿真软件对其基本测量性能进行了仿真研究,并根据研究结果对传感器进行了相应改进,结合成熟的物联网技术实现其无线监测。利用压阻与应变效应制作设计了一种新型NiCr合金薄膜传感器,分析了其测量原理,设计了多种薄膜传感器制作方案,选择硅片、载玻片、钛合金、Ni80Cr20、氮化硅等材料进行传感器的制作。对金属基底的加工方法进行了研究,并根据加工效果选择了最佳的基底材料钛合金。就本底真空度、起辉气体流量、起辉气体溅射压强、设备溅射功率等因素进行了不同参数的单因素与正交试验,测量试验平均溅射速率等因素后,选定了一组最佳溅射工作参数用于制作薄膜传感器。利用最佳制作工艺参数溅射制备了切削力测量用薄膜传感器,测试分析了其各项性能,在此基础上改进制备工艺,进行了静力学与单向切削力采集试验。通过研究材料的基本性能,探讨了应变式传感器工作的基本原理,设计了一种新型的合金薄膜传感器单元,结合不同的加工与制备手段探索合格的金属基底合金薄膜传感器制作工艺,并结合试验手段不断改进传感器的性能。
【关键词】：合金薄膜传感器 设计 制备 离子束溅射 无线监测系统
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景目的及意义9-10
• 1.1.1 课题研究背景9-10
• 1.1.2 课题研究目的及意义10
• 1.2 切削测力传感器国内外研究现状10-17
• 1.2.1 切削测力仪国内外发展现状10-13
• 1.2.2 薄膜制作工艺发展现状13-15
• 1.2.3 薄膜传感器的发展现状15
• 1.2.4 信号无线采集与监控的发展现状15-17
• 1.3 本系统中的关键问题和处理方案17
• 1.4 论文的主要研究内容17-19
• 第二章 应变式薄膜传感器设计及理论分析19-42
• 2.1 应变式薄膜传感器的测量工作原理分析19-23
• 2.2 应变式薄膜传感器的选材、设计与理论研究23-36
• 2.2.1 薄膜传感器的选材23-27
• 2.2.2 薄膜传感器的设计27-30
• 2.2.3 薄膜传感器的理论研究30-36
• 2.3 薄膜传感器制备的影响因素分析36-42
• 第三章 薄膜传感器的制备及工艺研究42-58
• 3.1 薄膜传感器的制备方法42-43
• 3.2 基底的制备与选择43-45
• 3.3 薄膜的制备与表征分析45-54
• 3.3.1 制备方案的单因素试验及结果表征46-48
• 3.3.2 制备方案的正交试验及结果表征48-49
• 3.3.3 正交试验结果的极差分析与方差分析49-53
• 3.3.4 薄膜厚度经验公式53
• 3.3.5 目标工艺参数选择与薄膜制备53-54
• 3.4 薄膜传感器制备54-58
• 3.4.1 绝缘层与传感器薄膜的溅射55-56
• 3.4.2 光刻工艺56-57
• 3.4.3 沉积保护层封装57-58
• 第四章 薄膜传感器的标定与试验研究58-73
• 4.1 薄膜传感器表征与传感器优化制作58-63
• 4.1.1 尺寸测量58-60
• 4.1.2 传感器优化制备60
• 4.1.3 成分标定与表面质量测量60-63
• 4.2 静力学标定试验63-66
• 4.3 实际切削力采集试验66-71
• 4.3.1 切削力无线采集与监控系统设计66-68
• 4.3.2 车刀静力学加载与切削力测量无线监测采集试验68-71
• 4.4 试验总结与改进71-73
• 第五章 总结73-76
• 5.1 论文的主要工作73-74
• 5.2 主要创新点74
• 5.3 展望74-76
• 参考文献76-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文81-82
• 致谢82

【参考文献】

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本文编号：327426