康铜薄膜压力传感器的有限元分析
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计目录1. 内容综述 (2)1.1 研究背景及意义 (3)1.2 现有脉搏监测技术现状及不足 (4)1.3 本文研究目标及创新点 (5)2. 基于柔性压电薄膜的脉搏传感器工作原理 (6)2.1 压电材料的特性及应用 (7)2.2 传感器结构设计 (9)2.2.1 传感器组成部分 (10)2.2.2 柔性压电薄膜的特性与选择 (12)2.2.3 信号采集和处理电路设计 (13)2.3 脉搏信号获取及分析 (15)3. 材料及器件 (16)3.1 主流柔性压电薄膜材料研究 (17)3.2 器件加工工艺 (18)4. 实验设计与结果分析 (19)4.1 实验平台搭建 (21)4.2 传感器性能测试及分析 (22)4.3 压力感知特性研究 (24)4.3.1 传感器响应曲线 (25)4.3.2 传感器线性度分析 (27)4.4 脉搏信号采集与分析 (29)4.4.1 实验数据采集 (31)4.4.2 脉搏信号处理与提取 (31)4.4.3 信号分析与结果展示 (33)5. 讨论与结论 (34)5.1 研究成果总结和分析 (36)5.2 存在问题及未来展望 (37)1. 内容综述随着物联网与智能穿戴技术的不断进步，健康监测与远程医疗系统的发展需求日益显现。
在这个背景下，基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计成为了研究热点。
该设计旨在实现实时、连续、非侵入式的生理信号监测，特别是针对心血管健康的监测。
该设计以人体脉搏信号的精准检测为目标，结合了柔性压电薄膜技术与现代传感技术，为用户提供一种舒适且可靠的新型穿戴监测方式。
柔性压电薄膜作为一种新兴材料，具有灵敏度高、响应速度快、可弯曲等特点，适用于可穿戴设备的制造。
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器不仅可用于医疗领域的心率失常预警、心血管疾病诊断，还可在运动健身领域用于运动效果评估和运动损伤预防等方面。
其设计理念的革新性在于将传统的医疗检测手段与现代可穿戴技术相结合，为用户提供个性化的健康监测服务。
光纤F_P腔压力传感器的研究进展
oi光纤 F-P 腔压力传感器的研究进展韩冰，高超( 中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)摘 要: 光纤 F-P 腔压力传感器因其独有的优点广泛应用于军事、民用领域。
国内外诸多高校、科研院所都 在对其进行研究。
本文介绍了光纤 F-P 腔压力传感器的研究进展，对全光纤结构 F-P 压力传感器、激光加工微型 光纤压力传感器、二氧化硅膜片压力传感器的结构和制作过程进行了总结，并对利用 MEMS 制作压力传感器的工 艺进行了详述，对比分析了不同加工工艺下传感器的性能及其优缺点。
关键词: 光纤压力传感器; Fabry-perot 腔; MEMS 工艺 中图分类号: TP212文献标识码: A文章编号: 1674 － 5795 ( 2012) 02 － 0005 － 06Research Progress of Optical Fiber Type Fabry-perot Pressure SensorHAN Bing ，GAO Chao( Changcheng Institute of Metrology ＆ Measurement ，Beijing 100095，China)A b s t r a c t : T he Fabr y -per o t ( F -P ) ca v it y pressure sens o r has been w idel y used in m ilitar y and ci v il f ields. It is researched b y m an y d o m es - tic o r f o rei g n uni v ersities and research institutes. T he research pr og ress o f the o ptical f iber t y pe F -P pressure sens o r is intr o duced ，and the struc - tures and m anu f acturin g pr o cesses o f F -P pressure sens o r ，the laser pr o cessin g m iniature f ibre -o ptical pressure sens o r and the f ull o ptical f iber structure silic o n diaphra g m pressure sens o r are su mm ari z ed. T he techn o l ogy o f usin g M E M S t o pr o duce pressure sens o r is described in detail. T he sens o r per f o r m ance and its ad v anta g es and disad v anta g es in di ff erent pr o cessin g techn o l ogy are c o m pared and anal yz ed.Key words : optical fiber pressure sensor; Fabry-perot cavity; MEMS technology0 引言光纤传感器技术起步于上世纪 70 年代末，是伴随 着光纤通讯技术的发展而发展起来的，由于其具有信 号不受电 磁 场 干 扰、 绝 缘 性 高、 防爆性好等诸多优 点［1 － 2］，目前在民用和军事领域都有着越来越广泛的应用前景。
ABAQUS汽车安全气囊碰撞传感器有限元分析(中英对照)
汽车安全气囊系统撞击传感器的有限单元分析摘要汽车弹簧碰撞传感器可以利用有限单元分析软件进行设计，这样可以大大减少设计时间。
该传感器包括一个球和一个有弹簧在内的塑料套管的外壳。
传感器设计的重要因素是碰撞中的两个传感器的力位移响应和传感器的弹簧压力。
以前传感器的设计、制作和测试需要满足力位移原型硬件的要求。
弹簧必须远低于材料的弹性极限而设计。
利用有限元分析，传感器可以被设计为满足力位移的水平压力。
本文的讨论说明利用有限单元分析进行设计可以节省很多时间。
MSC/ABAQUS已经被用于分析和设计安全气囊碰撞传感器。
弹簧的大挠度和球与弹簧之间的接触用几何非线性分析。
贝塞尔三维刚性球表面元素和惯性基准系统刚性表面界面元素被用于塑料球与弹簧接触面的分析。
滑动轨道分析被用于弹簧与弹簧接触的平行界面间。
有限元传感器的力位移响应分析结果与实验结果非常一致。
引言汽车安全气囊系统的重要组成部分是碰撞传感器。
包括机械、电子传感器在内的碰撞传感器主要用于各类安全气囊系统。
本文研究的是由一个球和一个塑料套管和两个弹簧组成的机电传感器（见图1）。
当传感器遇到严重的撞击脉冲，球被推入完成电路连接然后两个弹簧接触到消防安全气囊。
这两个弹簧的力位移设计关键是要满足不同的加速度对传感器的输入要求。
传感器的弹簧强度必须保持低于弹簧材料屈服强度，防止弹簧塑性变形。
有限元分析，可以作为预测工具，以优化工程所需的力和位移反应，同时保持在弹簧压力可接受的水平。
过去传感器的设计需要不断地进行制作和测试，直到力位移原型硬件得到满足需要的条件。
利用有限元分析，制作和测试原型的数量大大减少，这大大降低了传感器设计的时间。
本文讨论的内容可以表明有限单元分析软件能够节省原型制作时间的能力。
MSC/ABAQUS [1]已经用于分析和设计安全气囊碰撞传感器。
对于大挠度的弹簧与球接触的有限单元分析应是几何非线性的。
各种接触单元中使用了这个包括硬表面界面分析，例如贝塞尔曲线的三维刚性表面元素，平行线界面元素，以及滑线元素。
温压模具感应加热温度场的有限元模拟分析_尹延国
温压模具感应加热温度场的有限元模拟分析尹延国 俞建卫 王永国 解 挺 田 明 宋 平合肥工业大学,合肥,230009摘要:基于感应加热理论建立了温压模具的感应加热模型,利用ANSYS 软件中的电磁-热耦合模块对模具的加热过程进行了温度场的有限元模拟分析,结果表明模具内壁温度沿纵向分布基本均匀一致,内外壁温差较小。
模拟结果和试验结果基本吻合,说明采用感应加热方法使得模具的整体温度均匀性好,并易于控制。
通过实际感应加热温压成形试验,进一步证实了温压感应加热系统的优越性。
关键词:温压;感应加热;集肤效应;电磁-热耦合;温度场模拟中图分类号:T F301 文章编号:1004)132X(2011)05)0611)05Simulation Analysis of Temperature Field in Induction -heatingWarm C ompaction Mold by Finite Element MethodYin Yang uo Yu Jianwei W ang Yongguo Xie T ing T ian M ing Song PingH efei Univer sity of Technolo gy,H efei,230009Abstract :An inductio n heating mo del w as built fo r w arm com paction mo ld based on the induction heating theor y.The tem perature field in the w arm com paction mo ld w as analyzed by using electro -m ag netic-therm al coupling field o f AN SYS softw are.T he r esults show that the longitudinal temper -ature distr ibutio n along the inner w all of the mold is uniform and the tem perature difference betw een the o uter w all and inner w all of the mold is very sm all.T he simulation r esults are in go od ag reem ent w ith the exper im ental results,w hich indicates that the temperatur e distribution in mo ld is v ery un-iform by using the induction heating method and it is easy to co ntrol.The practical test proves that the advantages of induction heating method are v ery o bvious.Key words :w arm com paction;induction heating ;skin effect;electromag netic -thermal cou -pling;tem perature field simulation收稿日期:2010)04)30基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975072,51075114)0 引言铁基粉末冶金产品性能与其密度关系密切,当密度达到712g /cm 3后,其硬度、强度、韧性等都会随密度的增加而呈几何级数增大[1]。
基于Ansys的压电传感器设计与振动分析-毕业答辩
三.研究内容
压电传感器的工作原理是基于某些材料的压电效应。如 图1（a）所示。压电力，速度或加速度传感器可以通过 使用正向压电效应来制造。当对压电晶体施加电场时， 晶体不仅产生极化而且产生应变和应力的现象称为反压 电效应，如图1（b）所示。当电场不强时，应变与外部 电场线性相关。压电位移或力跟随器可以通过反压电效 应制成。
三.研究内容
通过实验可以验证哪种方法在模拟中是准确的。
图5 前六阶振型
三.研究内容
当弹性膜片的弹性模量恒定时，研究了弹性膜片宽度对 固有频率的影响。内圈弹性膜片的宽度为L1，外圈弹性 膜片的宽度为L2作为设计变量，石英晶片的极限强度为 SMAX作为状态变量，传感器的一阶固有频率是F作为目 标函数。这里采用的实际目标函数是10000-f。原因是目 标函数将最小值作为优化目标，从而可以最大化传感器 的一阶固有频率。通过优化分析得到弹性膜片宽度与固 有频率之间的关系曲线。见图所示。
基于Ansys的压电传感器设 计与振动分析
----硕士毕业答辩
目录
1. 研究背景及意义 2.国内外研究进展 3.研究内容 4.总结与展望
一.研究背景及意义
随着科学技术的进步，压电材料将应用于人类生产和 生活的各个角落。在最初发现石英晶体具有一定的压 电特性后，经过进一步的研究和探索，人们开发出了 各种压电晶体，然而，如何使石英压电传感器在动态 模式下稳定工作一直是一个重要的课题。传感器分析 的基本问题是建立传感器的数学模型，揭示传感器弹 性体的应力和应变关系，并解释传感器的机械特性和 耦合尺寸之间的本质关系。理论上，对于某石英压电 传感器的力学模型，可以通过三维运动方程加边界条 件精确求解振动规律，但极其复杂的运动方程和边界 条件使得难以获得解析解。
基于有限元分析的涡流传感器性能研究
感 器。
关键词： 涡流检测； 有限元 ； 传感器； 灵敏度
中图分 类 号 ： Ｔ Ｐ ２ １ ２ 文 献标识 码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ２ — １ ８ ４ １ （ ２ ０ １ ６ ） １ １ — ０ ０ １ ４ — ０ ５
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ Ｅｄ ｄ ｙ Ｃｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ ｉ Ｉ ｌ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
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（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｅ ａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｃｈ ｅ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｈ ｎｇ ａ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ３ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ． Ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｇ ｏ ｎ ｌ ａ ｒ ｅ ｃ ｔ ｎｇ ａ ｕ ｌ ｒ ａ ｃ ｏ ｌ ｕ ｍｎ ｔ ｐｅ ｙ ｏ ｆ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｗ ｉ ｔ ｈ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｅ ｄ ｄ ｙ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ； ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ； ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ； ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ 传 感 器
基于SOI的MEMS高温压阻式压力传感器
第58卷第4期 2021年4月撳纳电子技术Micronanoelectronic TechnologyVol.58 No.4April 2021t)M E M S与待感眾$DOI：10. 13250/ki.wndz.2021. 04. 007基于SO I的MEMS高温压阻式压力传感器单存良a’b，梁庭a’b，王文涛a’b，雷程a’b，薛胜方a’b，刘瑞芳a’b，李志强a’b(中北大学仪器与电子学院a.仪器科学与动态测试教育部重点实验室；b.动态测试技术山西省重点实验室，太原 030051)摘要：基于高温环境下压力实时监测的广泛需求，设计并制备了一种最大量程为1.5 MPa的绝缘体 上硅（SOI)压阻式压力传感器。
根据压阻效应原理和薄板变形理论，完成了传感器力学结构和电 学性能的设计，采用微电子机械系统（MEMS)加工工艺完成了敏感芯片的制备，并使用了一种可 耐300 °C高温的封装技术。
实验中采用了常温压力测试平台和压力-温度复合测试平台进行测试，测试结果表明，封装后的传感器在常温环境下具有良好的非线性误差、迟滞性和重复性，其灵 敏度可达到0.082 8 mV/kPa,同时在300 °C高温环境中其灵敏度仍可达0.063 8 mV/kPa。
关键词：高温压力传感器；微电子机械系统（MEMS);压阻效应；灵敏度；倒装封装中图分类号：TP212; TH703 文献标识码：A文章编号：1671-4776 (2021) ()4_0325-(_)7MEMS High Temperature PiezoresistivePressure Sensor Based on SOIShan Cunliang*,b,Liang Ting*'b,Wang Wentao8,b,Lei Chenga-b,Xue Shengfang*'b,Liu Ruifang a,b,Li Zhiqianga,b(a. Ke y Laboratory o f Instrum entation Science and D ynam ic M easurement o f M inistry o f Education；b. Sh a n xi Provincial K ey Laboratory o f D ynam ic Testing T echnology，School o f Instrum ent andElectronics, North U niversity o f China , Taiyuan030051, C hina)Abstract：Based on the wide demand for real-time pressure monitoring in high temperature environment,a piezoresistive pressure sensor with the maximum range of 1. 5 MPa based on silicon-on-insulator (SOI)was designed and prepared.According to the principle of piezoresistive effect and the theory of thin plate deformation,the mechanical structure and electrical properties of the sensor were designed.The sensitive chip was prepared by the micro-electromechanical system (MEMS)processing technology,and a packaging technology to withstand high temperature of300 °C was used.A room temperature pressure test platform and a pressure-temperature composite test platform were used for testing in the experiment.The test results show that the encapsulated sensor has good nonlinear error,hysteresis and repeatability at room temperature,and收稿日期：2020-11-03基金项目：山西省重点研发计划项目（201903D121123);山西省自然科学基金项目（201801D121157, 201801D221203)通信作者：梁庭，E-mail:********************.cn325徵M电子技术its sensitivity can reach0. 082 8 mV/kPa,while its sensitivity can still reach0. 063 8 mV/kPa at 300 °C high temperature.Keywords: high temperature pressure sensor；micro-electromechanical system(MEMS)；pie-zoresistive effect；sensitivity；flip chip packageEEACC： 7230M； 2575Fo引百高温恶劣环境下，压力的原位测量需求广泛存 在于各领域中，如汽车和飞机发动机舱内部的高温 压力测量控制、航空航天飞行器外表面高温压力测 量等。
压力传感器的效验和精度测量
摘要
新研制或生产的压力传感器需对其技术性能进行全面检定,以保证量值的准确传递。经过一段时间储仔、使用或修理后的压力传感器，也必须对其主要技术性能再次进行鉴定，以确保其性能指标达到要求.压力传感器的标定系统通常由标定发生器、标定测试系统，以及待标定压力传感器所配接的信号调节器和显示器、记录器等组成。
式中， 为压力； 为作用力； 为作用面积。
压力有以下几种不同的表示方法。
绝对压力，可以表示为压力的表面面积的对象绝对真空为标准上施加，它可以改叫的总压力或总压力，用 表示。
表压力，这是指绝对压力和大气压力一薄的，通常以 表示。压力计装置总体表示表压，也称为相对压力。当绝对压力小于大气压力，表压为负时，负压力可以用真空来表示。
传感器测量的规定不感到能够接受，按照一定的规则可以被转换成一个或多个设备可以用来输出信号。在科学，传感器的许多领域，也称为传感器，检测器，转换器等。这些不同的称呼运用在不同的科技领域中，该设备采用只是使用不同的技术行话只有相同类型的装置，所以术语传感器是最广泛使用的词语。
在一般情况下，该传感器敏感元件和转换元件。其中，所述传感器装置，该传感器可直接测量接收或部分响应；转换元件可以被表示为与感测元件的传感器通常是在第一反应时间被测量转换成确定当前需要传送或测量信号作为发送部;但传感器输出信号不正常的条件下很稳定，需要进行信号调节转换器电路放大调制操作，从而将信号调节电路可以用作传感器的配置的重要部件之一。与半导体器件和在所述传感器集成技术的使用的快速发展已被广泛使用，这些传感器的信号调节和转换电路敏感元件一起集成在相同的集成电路分量模板，安装在传感器装置中，传感器技术是一种知识密集型技术。传感器的广泛理解多种多样且每个人的理解各不相同，它与许多科学技术都是息息相关的，且种类繁多分类也多种多样，在通常情况下人们将传感器分为以下两种方法：一种方法是按照被测参数的不同而分类。
有限元法结合压痕法估算 BNKT 薄膜的压电应力常数
有限元法结合压痕法估算 BNKT 薄膜的压电应力常数∗王巍;苏亮;郑学军【摘要】考虑基底效应的影响,将压电应变系数与压电应力常数的关系式作为补充方程,通过有限元法结合纳米压痕法估算了横观各向同性0.85Na0.5 Bi0.5 TiO3-0.15K0.5 Bi0.5 TiO3(BNKT)薄膜的压电应力常数.在正向分析中,通过无量纲分析和有限元模拟,得到最大压痕荷载、加载曲线指数与 BNKT 薄膜压电应力常数之间的无量纲方程.在反向分析中,利用纳米压痕实验得到沉积在硅基底上 BNKT 薄膜的压痕曲线,将实验数曲线中的最大压痕荷载和加载曲线指数代入正向分析建立的无量纲方程,联立补充方程进行求解,得到多组不同误差下的解,取误差最小时相应的解 e 15=0.28 C/m2,e 31=7.72 C/m2,e 33=18.26 C/m2为 BNKT 薄膜的压电应力常数.%With assistance of the substrate effect,the piezoelectric constitution is used to establish the supplemental equation,in which the piezoelectric strain constants are related with the piezoelectric stress constants,so that the piezoelectric stress constants of transversely isotropic 0.85Na0.5 Bi0.5 TiO3-0.1 5K0.5 Bi0.5 TiO3 (BNKT)thin film can be evaluated by combining nanoindentation test with finite element method (FEM)simulation.In the forward analysis,the nanoindentation responses are simulated by using FEM to extract the numerical maximum indentation loads and the loading curve exponents,and they are used to es-tablish two dimensionless equations related with the piezoelectric stress constants of BNKT thin film /sub-strate system.In the reverse analysis,the experimental indentation curves performed on BNKT thin film in nanoindentation test are fitted as the power function to obtain the maximum indentation loads and theload-ing curve exponents,and they are substituted into the dimensionless equations.The multiple solutions are obtained by using the simultaneity of dimensionless and supplemental equations,and the combination of pie-zoelectric stress constants is taken as the ultimate solution with the smallest total error.The results show that the piezoelectric stress constants of the BNKT thin film are determined as e 1 5 = 0.28 C/m2 ,e 3 1 =7.72C/m2 ,and e 3 3 =18.26 C/m2 .【期刊名称】《湘潭大学自然科学学报》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】6页(P15-20)【关键词】纳米压痕;压电应力常数;有限元法;横观各向同性压电薄膜【作者】王巍;苏亮;郑学军【作者单位】上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093;湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭 411105;湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭 411105; 上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TB303压电薄膜是一种用人工方法合成的，通常以沉积在基底上的形式存在，其厚度在纳米至微米量级.压电薄膜材料作为一种功能材料，具有优异的力电耦合性能，广泛应用于微电机系统中的制动器、传感器和位移器等电子元器件，还应用于微机装配、自动控制、精密仪器等领域[1,2].由于压电薄膜的广泛应用，正确表征压电薄膜的力电性能显得十分重要.压痕技术是表征材料力学性能的有效手段，传统的压痕技术通过压痕测试过程中所得到的压痕载荷、投影接触面积和压痕深度等一系列的实验数据来评价材料的力学性能[3].传统的压痕测试方法将薄膜看成各向同性材料，这样简化不能表征纳米薄膜的横观各向同性材料.Zheng等利用正反向分析，采用Berkovich形状的压头进行纳米压痕实验结合有限元的方法，表征了纳米薄膜材料的弹性力学参数[4].本文考虑基底效应的影响，将压电应变系数与压电应力常数的关系式作为补充方程，通过无量纲分析和有限元模拟研究了压电应力常数对压痕响应过程中最大压痕载荷和加载曲线指数的影响，得到最大压痕载荷、加载曲线指数与压电应力常数之间的无量纲方程.利用纳米压痕实验得到沉积在硅基底上BNKT薄膜的压痕曲线，将实验数曲线中的最大压痕荷载和加载曲线指数代入无量纲方程，联立补充方程，估算横观各向同性BNKT薄膜压电应力常数.BNKT薄膜属于横观各向同性材料，它常常以沉积在基底表面的形式存在，如图1所示.x1-x2为横观各向同性面，x3为垂直于横观各向同性面的纵向对称轴，下标1和2表示横向同性方向(T)，3表示纵向对称轴方向(L).图1(b)为膜/基底体系的压痕示意图，其中P和h分别表示压痕载荷和压痕深度，t、H和R分别是薄膜厚度以及基底的厚度和半径.纳米压痕实验中，Berkovich压头是应用较为广泛的一种，为了方便地处理压头的几何模型，可由半角为70.3°的刚性圆锥型压头来代替[4].另外，假设薄膜与基底之间的结合面为理想结合面，且压头与薄膜之间的摩擦力可以忽略不计[5].对于横观各向同性压电材料，其本构方程为[4]式中，sij为弹性顺度系数，dkj为压电应变系数，ξkl为介电系数，Dk为电位移，El为电场强度.其中压电应变系数可以由压电应力常数ekj表示为dkj=ekisji，弹性顺度系数矩阵可以描述为[4]式中，ET、EL分别表示横向和纵向弹性模量，GT、GL分别表示横向和纵向剪切模量，νTL、νLT和νT是材料的泊松比，以上七个弹性力学参数之间并非独立的，其中，νTL/ET=νLT/EL，且GT可由ET和νT表示[4].由本构方程(1)和(2)知，横观各向同性材料的特征参数包括5个弹性模量、3个压电应力常数和2个介电系数[4].本文求解的是材料的压电应力常数，而材料的特征参数有10个独立参数，因此需要对材料模型进行简化，将未知的材料特征参数的个数减少到只剩3个压电应力常数.对于横观各向同性材料，泊松比νTL和νLT之和被认为是横向面内泊松比νT的两倍[6].一般近似取νT为0.3[4].当材料的弹性模量和介电系数已知时，则横观各向同性材料未知的特征参数就只剩3个压电应力常数.2.1 压痕响应的无量纲分析当刚性的圆锥型压头压入横观各向同性块体材料时，压痕载荷F与压痕深度h之间的关系可表示为F=Ch2，其中C为比例因子[7].但是，当其压入膜/基底体系时，基底效应会导致F与h的关系不同于上述的平方关系.因此，一种修正的幂函数F=Chx被用来描述受基底效应影响下压电薄膜的压痕响应，x为考虑基底效应的加载曲线指数[8].当压头达到最大压痕深度hm时，最大压痕载荷.结合F和Fm表达式，压痕载荷F和压痕深度h可表示为[8]纳米薄膜/基底体系的压痕实验表明，最大压痕载荷Fm和加载曲线指数x是与材料参数和实验数据相关的函数[4,9].当压电纳米带材料的弹性模量和介电系数作为已知量时，影响压痕响应的独立未知材料参数有纳米薄膜的压电应力常数(e15,e31,e33)、基底的弹性模量Es、纳米薄膜的厚度t以及最大压痕深度hm.于是，Fm和x可表达为其中，Es、t和hm通过纳米压痕实验获得.为了模拟数值加载曲线，将这些参数当作已知对待，而最大压痕载荷和加载曲线指数可以通过压痕实验加载曲线提取.根据π定理[4]，对(4)和(5)式进行无量纲分析可得根据(6)和(7)式，只能解出e15/e33和e31/e33两个参数.为了确定每个压电应力常数，需要一个补充方程.压电应变系数d33是表征压电材料压电性能的参数，其与压电应力常数存在如下关系[10]其中，弹性顺度系数s13和s33可由(2)式求得，d33值通过测试可得.将方程(8)作为求解压电应力常数的补充方程.2.2 有限元模拟及无量纲方程拟合利用有限元软件ABAQUS建立二维轴对称膜/基体系的模型，网格划分如图2所示.模型中BNKT薄膜的参数t=350 nm，ET=113.5 GPa，EL=169.5 GPa，GL=60 GPa，介电系数κ11=2.04×10-10F/m，κ33=10.9×10-10F/m[9,11,12]，最大压痕深度hm为40 nm.考虑到涵盖较大的材料范围，选择较宽的材料范围0<e15/e33≤7和0<e31/e33≤7.为了计算的简便，分别考虑以下组合e15/e33=(0.1、1、3、5、7)和e31/e33=(1、3、5、7)模拟加载曲线估算压电应力常数.改变无量纲化压电应力常数，可得到如图3所示的模拟数值加载曲线.当e31/e33=1，相同压痕深度下无量纲化压痕载荷随e15/e33增大而增大.由于逆压电效应反作用于压痕过程，故所需压痕载荷增大.当e31/e33分别为3、5和7时，改变e15/e33对加载曲线具有相似的影响，如图3(b)～(d)所示.图4和图5为无量纲化最大压痕载荷和加载曲线指数x与无量纲化压电应力常数e15/e33和e31/e33之间的关系.由图4和图5知，会随着e31/e33增大而增大，x随着e31/e33增大而增大.根据图3～图5的变化规律，通过Origin软件拟合，无量纲方程(6)和(7)可以拟合成如下形式：，x=β(A,B)=L1+L2A+L3A2+(L4+L5A+L6A2)B+(L7+L8A+L9A2)B2，其中，A=e15/e33和B=e31/e33，方程(9)和(10)中拟合系数Ki和Lj(i=1,2,…,9,j=1,2,…,9)的具体数值列于表1.3.1 估算BNKT压电薄膜的压电应力常数BNKT压电薄膜的压电应力常数通过文献[13]中反向分析流程图估算.在反向分析中，通过纳米压痕实验，得到BNKT压电薄膜的纳米压痕实验曲线，从中提取出最大压痕载荷为0.515 mN，拟合实验加载曲线得到加载曲线指数为1.623.查文献得Es=130 GPa[14].常见的确定d33的方法有正向压片法、圆片弯曲法、激光干涉法、悬臂梁法和显微镜法等.其中显微镜法是目前表征薄膜压电性能最为直观、有效的方法.本课题组利用日本Seiko生产的SPI4000&SPA400HV扫描探针显微镜，对不同钾含量NBT-KBT-100x铁电薄膜的电学特性进行了测试，并且已发表文章.本文所研究的压电薄膜来自课题组之前制备的样品，其d33=64 pm/V[12].通过方程(8)、(9)和(10)求得BNKT薄膜的压电应力常数.对于每一组压电应力常数组合，由方程(8)、(9)和(10)计算出对应通过实验所得的无量纲化最大加载力、加载曲线指数x和测试所得的压电应变系数d33的三个相对误差.当三个相对误差绝对值之和mtotal最小时，对应的参数组合即为所求压电应力常数的解，如表2所列.3.2 验证解的合理性为了验证解的合理性，将S1、S2和S3对应的模拟数值加载曲线与实验加载曲线对比，如图6所示.误差最小(S3)对应的数值加载曲线最接近实验加载曲线；将S3对应的压电应力常数与文献[11]中的压电应力常数e15=0.3 C/m2，e31=7.699C/m2和e33=19.62 C/m2相比，相对误差为0.2%～6.9%.因此，本文估算的结果是合理的.在考虑基底效应的情况下，将压电应变系数与压电应力常数关系式作为补充方程，提出有限元模拟结合纳米压痕实验来确定压电薄膜压电应力常数的方法.正向分析，通过无量纲分析和有限元模拟得到了压痕响应过程中最大压痕载荷、加载曲线指数和压电应力常数之间的无量纲方程；反向分析，利用纳米压痕测试，得到BNKT 压电薄膜材料的最大压痕载荷和加载曲线指数，代入无量纲方程，结合补充方程估算BNKT压电薄膜的压电应力常数.将所求得的结果反代回有限元软件ABAQUS 得到数值加载曲线与实验加载曲线，对比发现符合较好，并与文献中报道的结果比较接近，这说明通过结合有限元模拟和纳米压痕实验可以有效地确定横观各向同性压电薄膜材料的压电应力常数.【相关文献】[1] HE J H, TE HO S, WU T B, et al. 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PVDF压电薄膜结构监测传感器应用研究
第19卷 第1期石家庄铁道学院学报Vol .19 No .12006年3月JOURNAL OF SH I J I A ZHUANG RA I L WAY I N STITUTE Mar .2006PV D F 压电薄膜结构监测传感器应用研究杜彦良, 宋 颖, 孙宝臣(石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所,河北石家庄 050043) 摘要:压电材料是目前在智能材料系统研究中应用最为广泛的传感材料之一。
由于P VDF 压电薄膜具有制作成本低、机械性能好、灵敏度高等优点而受到了广泛关注。
以P VDF 压电薄膜作为结构监测的传感元件,对P VDF 的应变传感原理进行了研究,并建立了基于信号采集与处理的P VDF 应变监测系统,最后对P VDF 监测构件裂纹进行了实验。
实现了压电薄膜的应变与裂纹监测,为实际工程应用奠定了基础。
关键词:P VDF 压电薄膜;应变传感;裂纹监测中图分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:10063226(2006)01000104收稿日期:20050704作者简介:杜彦良 男 1956年出生 教授1 引言动态应变的测量一直是许多工程和力学工作者所关心的问题。
常用的应变传感器有金属电阻应变片和半导体应变片。
前者的灵敏度系数较低,后者的灵敏度系数有非线性和受温度影响大的缺点。
因而,开发研究新的应变测量技术是很有意义的[1]。
压电材料是智能材料系统中应用最为广泛的一类传感材料,近年来研制开发的P VDF 压电薄膜,由于柔性好、强度大、耐力学冲击、耐腐蚀和可以任意分割等优点而受到广泛应用。
尤其是它的压电电压常数高,与基体结合后对结构的性能影响很小,对于机械应力或应变的变化具有极快速的响应,频响范围宽(0.1Hz 到几个GHz ),因此更适合用作传感元件。
P VDF 测量应变,利用了P VDF 薄膜横向变形输出电荷的原理,由于P VDF 压电薄膜的电容较小,当它受外力作用时所产生的电荷很难长时间保持,因此更适宜用于结构的动态监测。
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务ｌ 訇 似 康铜薄膜压力传感器的有限元分析 Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔａｎ ｔｈｉｎ－ｆｌＩｍ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ 李琦，武文革，李学瑞，范鹏 Ｌｌ Ｑｉ，ＷＵ Ｗｅｎ．ｇｅ，Ｌｌ Ｘｕｅ—ｒｕｉ，ＦＡＮ Ｐｅｎｇ （中北大学机械工程与自动化学院，太原０３００５１） 摘要：为研究康铜薄膜的压阻特性，建立了一个压阻式压力传感器模型。康铜薄膜压力传感器采用 悬臂梁结构作为弹性元件，用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ１ ２．０对传感器的静态特性进行了仿真分 析。通过改变载荷大小研究了传感器的线性度，发现传感器线性度良好、灵敏度较高；分析了 康铜薄膜层位置和薄膜厚度对传感器输出特性的影响，得出了薄膜位置对输出电压影响较大 而薄膜厚度对输出电压影响较小的结论。 关键词：康铜；合金薄膜；压力传感器；ＡＮＳＹＳ软件 中圈分类号：ＴＨ７；ＴＰ２１ ２ 文献标识码：Ａ ［ｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．Ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ３．０８（上）．３１ ０引言 合金薄膜压力传感器应变灵敏度较高，具有 耐高温和耐腐蚀的特性，能适用于各种恶劣环境 下的压力测量 。近年来有很多学者致力于各种 合金薄膜传感器的特性研究，取得了很多重要的 研究成果。例如，胡昌义、高逸群等人研究了 铜镍合金的压阻系数 ，发现经退火处理后的铜 镍合金性能指标稳定，可以作为各向同性材料对 待，具有一定的实用价值。美国威斯康星大学的 张绪刚、李晓春等人进行了将微薄膜传感器嵌入 Ｔｉ６ＡＩ４Ｖ合金基底的研究口】，设计一出种嵌入式薄 膜传感器并对其特性进行了分析。 由于合金薄膜制备工艺较复杂，需要较大的 成本投入，若制作出实物后再进行研究会造成不 必要的浪费。本文利用ＡＮＳＹＳ１２．０有限元分析软 件对康铜薄膜压阻式传感器进行了静态分析，研 究压阻薄膜分布位置、薄膜厚度对传感器输出的 影响规律，以此来设计合理的合金薄膜层的尺寸 及参数，以期减少研究成本、缩短开发周期。 １传感器系统及惠斯通电桥设计 应变梁式弹性元件是常用的一种传感器弹性 元件结构 ，其中悬臂梁式灵敏度较高，故本文采 用悬臂梁结构作为传感器测力系统的弹性元件， 悬臂梁结构及康铜薄膜布片方式如图１所示。 传感器悬臂梁结构是由五层材料组成，其中 中间一层是弹性元件兼基底，材料为４５号钢， 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１ ３）０８（上）一００９９—０３
（Ｒ壬） Ｉ （ ） １０ｍｍ
图１悬臂梁及布片位置 Ｆ
基底表面上下两层均为Ａ１２０３绝缘层，在绝缘层 表面用物理气相沉积的方法溅射上康铜薄膜应 变电阻，设定基底长宽为１０ｍｍ Ｘ ２ｍｍ，厚度为 ０．５ｍｍ；上下两绝缘层厚度为０．０５ｍｍ；Ｒ】、Ｒ２、 Ｒ３、Ｒ 为康铜薄膜应变片，其厚度为０．５ ｐ ｍ。将 Ｒ 、Ｒ：、Ｒ３、Ｒ 由导线连成直流全桥线 。康铜 薄膜应变电阻尺寸及其测量电路如图２所示。 ０．２ｍ
． 匡ｉ三三三
，ｍ三。三
＇
，ｔｔ
（ａ）合金薄膜电阻尺寸 （ｂ）电桥线路 图２合金薄膜电阻尺寸及电桥线路 传感器用来测竖直方向的压力，连接成全桥 电路具有较高的灵敏度，能消除其他方向作用力 的相问干扰，且具有温度误差补偿功能。当传感
收稿日期：２０１３－０２—２４ 基盒璜目：山西省回国留学人员科研资助项目（２０１３－－０８６）；中北大学２０１１年校基金资助项目（２０１１０２０３） 作者简介：李琦（１９８９一），男，河南人，硕士研究生，研究方向为薄膜应变式切削测力仪的设计。
第３５卷第８期２０１３－０８（上） ［９９１ ｌ 匐 化 器自由端受如图１的力Ｆ作用时，基底产生弹性形 变，从而引起薄膜电阻的受力，Ｒ 、Ｒ 受压力作 用，Ｒ，、Ｒ 受拉力作用，当在电桥输入端端加载 电压Ｕ。时，输出电压Ｕ 为：
Ｕ： 二 Ⅳ （１） Ｉ （蜀＋ ）（ ＋ ）
初始时令Ｒ ＝Ｒ：＝Ｒ ＝Ｒ ，当传感器受力时 各电阻增量分别为ＡＲ１、ＡＲ 、ＡＲ３、ＡＲ４，且有 ＡＲｌ＝ＡＲ２＝△Ｒ３＝△Ｒ４，则式（１）可描述为： Ａ Ｕ１＝＝Ｕｏ＝髓 （２）
式中，ｋ为电阻灵敏系数，ｅ为电阻应变， 根据胡克定律Ｏ＝Ｅ ｅ，可得： Ｕ－＝ＥｋＵ。 （３）
式中，Ｏ为应力，Ｅ为弹性模量。由此可知传 感器测量电压Ｕ。与施加作用力Ｆ之间近似成正比。
２ ＡＮＳＹＳ建模仿真 压阻分析是一种多场耦合分析，ＡＮＳＹＳ软件 在多场耦合分析中有着其他有限元软件不可比拟 的优势。用ＡＮＳＹＳ进行压阻分析时，首先要设置 单元类型和材料属性。本文设计的传感器由弹性 元件、绝缘层、压阻薄膜和导线组成，其中弹性 元件是４５号钢，绝缘层是Ａｌ：ｏ，，单元类型均采 用ｓｏｌｉｄ４５单元；康铜薄膜设置为ｓｏｌｉｄ２２６单元： 导线选为电传导单元ｓｏｌｉｄ２３２，其电阻率设定为 Ｏ．１×１０ 。Ｑ ｍ。所需材料特性如表１所示 期。
表１材料特性 密度 弹性模量 泊松比 电阻率 压阻系数 （ｋｇ／ｍ ） （ＧＰａ） （ｕｍＱ） （Ｇｐａ一 ×１０‘。
１１＝２．３， 康铜 ８８８０ ｌ６０ ０．３２９ ０．４８ ｎ１，＝２．３
Ａｌ２０３ ３９４０ ３９０ ０．２４ ４５钢 ７８０ｏ ２１０ ０＿３
其中，康铜材料需要输入的是压阻系数矩 阵，由压阻效应原理可知，电阻变化率与压力之 间关系为： Ａｐｌ／Ｐｏ △ｐ２／ｐ０ Ａｐ３／ｐ０ Ａｐ４／ｐ０ △ｐ５／Ｐ０ Ａｐ６／Ｐｏ
７ｃ１２ 冗１２ Ｏ Ｏ
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
（４）
式中，ｐ０为初始电阻率，△ｐ ／ｐ。为电阻率变 １１ＯＯ１ 第３５卷第８期２０１３－０８（上）
化率，ｏ 为压力， ］为压阻系数矩阵。经过退 火处理后的康铜可以作为各向同性材料 ，因此
万“ ｌ１～７ｌ＂－２＝０。最后所得压阻系数矩阵为： ２．３Ｘ１０ ２．３×１０ ２ ３×１０ ０ ０ ０ ２ ３×１０一。 ２．３×１０一 ２．３×１０一 Ｏ Ｏ Ｏ ２．３×ｌ０’ ２．３×１０ ２．３×１０ ０ ０ ０ ３结果分析
建立模型图如图３所示，康铜薄膜位置距约束 端ｌｍｍ，设置各个实体之间的接触方式为粘接。 当悬臂梁压阻传感器在自由端受５０Ｎ的ｚ向力时， 悬臂梁向上弯曲，最大ｚ向位移可达１．５５ｍｍ，其 应变及应力云图如图４和图５所示。
图３传感器ＡＮＳＹＳ模型图 图４应变分布云图 …ｍ一＾Ｎ …７。．０ 一一 ，：！， Ｅ ５～
０： Ｔ ｔ＾ｖＧ Ｊ …。～ｉ ５５
！ １ １“：———— Ｉ＿－＿■一
票誉 图５应力分布云图 图６电场分布云图 在图３所示导线上ａ、ｂ两点施加电压Ｕ。＝５Ｖ， 当悬臂梁产生应变后，由于Ｒ 、Ｒ 、 、Ｒ４阻值的
变化，图３中Ｃ、ｄ两点之间会产生电势差。电场分 布云图如图６所示，在图上测得Ｃ点电势为 ２．５１３３８Ｖ，ｄ点电势为２．４８６７Ｖ，两点间电势差 ＝０．０２６７Ｖ，即为输出电压 ＝０．０２６７Ｖ，通过式（２）
可得出其电阻变化率 ＝０．００５３。
为研究电桥输出电压和电阻变化率与载荷之 间的关系，分别在自由端加载１Ｎ、５Ｎ、１ＯＮ、 ２０Ｎ、５０Ｎ、１００Ｎ、２００Ｎ的ｚ向力，测得电压输出 值与力之间的关系图如图７所示，计算出电阻变化 率与载荷之间的关系如图８所示。
舅『－ 誓 一目一～釜 一／，ｌ＼ 一 ～ 、ｌ生 訇砂似 ｚ向栽荷Ｆ／Ｎ 图７输出电压与载荷关系图
图８电阻变化率与载荷关系图 由图７可以看出传感器输出电压Ｕ 与Ｚ向载荷 之间有着良好的线性关系，同理，由图８得出电阻 变化率与载荷之间的线性关系。经拟合得电压与 载荷间的线性关系式为 ＝１．０７×１０一ＦＵ０。 为分析传感器压阻薄膜位置及薄膜厚度与输 出之间的关系，本文做了进一步的研究。图９是在 ５０Ｎ的ｚ向载荷下，压阻薄膜厚度为０．５ ｌａ ｍ时传感 器压阻薄膜距固定端的距离与输出电压之间的关 系曲线。从图中可以清晰地看出当压阻薄膜距悬 臂梁约束端越近时，其输出电压越大，传感器灵 敏度越高，其变化值呈近似线性关系，这与图５中 悬臂梁结构受ｚ向载荷时距约束端越近应力越大的 结果相符。因此在设计传感器时，压阻薄膜位置 应尽量靠近传感器约束端。
｝孽腰与胡栗端跑禹加ｍ 图９输出电压与薄膜位置关系图 ’图１０是在５０Ｎ的ｚ向载荷下，压阻薄膜距悬臂 梁固定端为ｌｍｍ时传感器压阻薄膜厚度对输出电 压的影响曲线。图中可以清晰地看出在一定厚度范 围内传感器输出电压随着压阻薄膜厚度的变大而 图１０输出电压与薄膜厚度关系图 减小，但变化不是很显著，这与式（２）的结果相 符，即薄膜厚度对传感器电阻变化率影响较小。 ４结束语 本文设计了一种悬臂梁结构的薄膜压阻式传 感器，并用ＡＮＳＹＳ１２．０软件对传感器的实际结构 进行了静态特性的仿真分析。通过研究载荷与输 出电压之间的关系得出了本传感器输出电压与载 荷间的线性关系式 ＝１．０７ｘｌＯ—ＦＵｏ，由此得出了臂 梁式压阻传感器具有良好的线性度和灵敏度的结 论。同时分析了压阻薄膜位置和薄膜厚度对传感 器输出的影响，发现压阻薄膜距悬臂梁约束端越 近，输出电压越大，灵敏度也就越高，而薄膜厚 度对传感器输出几乎没有影响。这些结论完全符 合实际情况。因此，用ＡＮＳＹＳ软件进行合金薄膜 压阻传感器的研究是正确可靠的，具有较高的应 用价值。完全可以将ＡＮＳＹＳ软件应用于合金薄膜 压阻传感器的研究工作中，以达到缩减研究成 本、减少开发周期的目的， 同时为下一步的实物 研究做好了基础工作。 参考文献： 【１】李伟，陈怀礼．合金薄膜高温压力传感器研究进展【Ｊ】．火 箭推进，２０１ １，３７（５）：７８—８２． ［２】Ｈｕ Ｃｈａｎｇｙｉ，Ｇａｏ Ｙｉｑｕｎ，Ｓｈｅｎｇ Ｚｈｏｎｇｙｉ．Ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ｃｏｐｐｅｒ—ｎｉｃｋｅｌ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０００，３５：３８１—３８６． 【３】Ｚｈａｎｇ Ｘｕｇａｎｇ，Ｌｉ Ｘｉａｏｃｈｕｎ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｉｎ－Ｆｉｌｍ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｓ Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ ｉｎ Ｔｉ６Ａ１４Ｖ Ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１０，１０（４）：８３９—８４６． ［４】樊尚春，刘广玉．新型传感器技术与应用［Ｍ】．北京：中国电
力出版社，２０１０． 【５］李伟东，吴学忠，李圣怡．一种压阻式微压力传感器［Ｊ］．仪 表技术与传感器，２００６（７）：１—５． ［６】郑峰．常用金属材料手册【Ｍ】．北京：化学工业出版 社，２０ｏ７，６：１３４．６２１．