晶片表面微观形貌对压电式力传感器性能影响规律研究

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。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2表面微观形貌及其接触问题研究概况

1．3压电式力传感器主要性能研究现状

1．3．1刚度

1．3．2灵敏度

1．3．3吸湿性

1．3．4当前存在的问题

1．4研究路线及主要研究内容

2 不同表面微观形貌晶片的制备

2．1压电式力传感器晶片几何参数

2．2压电晶体的切割

2．3压电晶体的定向

2．4压电晶片侧表面加工

2．5压电晶片的研磨

2．6本章小结

3 晶片上／下表面微观形貌对传感器刚度影响规律研究

3．1刚度影响机理

3．2刚度影响模型

3．2．1分形理论

3．2．2表面微观形貌的分形表征

3．2．3晶片表面微观形貌对传感器刚度影响模型

3．3刚度影响实验

3．3．1实验装置

3．3．2预紧力与刚度关系实验

3．3．3晶片表面微观形貌与刚度关系实验

3．3．4电极材料与刚度关系实验

3．4晶片表面微观形貌对传感器动态性能影响实验

3．5本章小结

4 晶片上／下表面微观形貌对传感器灵敏度影响规律研究

4．1灵敏度影响机理

4．1．1分载效应影响

4．1．2晶片等效电容效应影响

4．1．3压电式力传感器灵敏度模型

4．2灵敏度影响模型

4．2．1等效电容效应影响模型

4．2．2分载效应影响模型

4．3灵敏度影响实验

4．3．1等效电容效应影响实验

4．3．2分载效应影响实验

4．3．3等效电容效应影响与分载效应影响的关系讨论

4．4灵敏度影响模型的应用

4．4．1晶片分形参数选择

4．4．2表面粗糙度与分形参数之间的映射关系

4．4．3单向力传感器灵敏度实验

4．4．4三向力传感器灵敏度实验

4．5本章小结

5 晶片侧表面微观形貌对传感器吸湿性影响研究

5．1石英晶体吸湿性研究

5．1．1不同湿度下石英晶片电荷灵敏度实验

5．1．2石英晶体水分子吸附模型

5．1．3石英晶体侧表面粗糙度、吸湿性及面电阻关系实验

5．1．4压电式力传感器感生电荷卸荷通道机理

5．1．5晶片侧表面粗糙度与传感器吸湿性关系

5．2石英晶体氟化防水方法研究

5．2．1超疏水表面及其制备概述

5．2．2氟化防水机理研究

5．2．3晶片氟化及防水有效性实验

5．2．4氟化晶片温度适应性实验研究

5．2．5氟化膜破损对防水有效性实验研究

5．3本章小结

6 结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介