嵌入测力薄膜传感器刀具的结构设计及工艺参数分析

摘要

随着MEMS技术的快速发展，智能化和微小化已变成当今时代的重大发展趋势，越来越多的产品向着智能化方向发展，基于传统测力仪中存在的局限性，其已不能满足现代加工对切削力测量的需求，为了实现切削力的实时监控与测量，本文设计了一种薄膜嵌入式刀具结构，并对其薄膜制备工艺参数进行了分析。 本文提出了一种嵌入式刀具结构的优化方法，通过对刀具受力时的工作原理和电阻应变式传感器机理的研究，结合材料力学理论，得到了刀具输出电压与截面惯性矩之间的必然联系，从总体上对刀柄截面设计了矩形、三角形、椭圆形三种槽形结构；然后通过对刀具受力时的强度要求，在合理的范围内对矩形和椭圆形结构进一步优化设计与计算，得到了在矩形和椭圆形基础上的七种形状的图谱，对比分析，最终得到能够输出较大电压并满足强度要求的三阶矩形槽刀具结构模型；最后通过三维建模和有限元分析的方法对设计的七种结构进行仿真分析，两者数据分析对比，证实了结构设计的合理性。 弹性基底是镀膜的关键部位，基底表面质量直接影响薄膜的好坏，因此对弹性基底的抛光工艺进行了深入研究，得到了表面粗糙度小于0.2μm的不锈钢基底；然后探讨了薄膜绝缘层制备的流程和工艺，在弹性基底上进行薄膜绝缘层的制备。 采用正交试验法研究了薄膜制备过程中沉积速率和表面粗糙度的四个影响因素，通过极差分析得到四个影响因素对两者的影响大小，结合试验数据拟合了关于沉积参数的两个质量特性经验公式，通过对指数的分析，得到各因素的影响程度大小，然后使用MATLAB对试验数据进行分析，最后将试验结果、经验公式与分析结果三者进行对比，得到了较优的薄膜沉积参数组合；最终结果表明，当溅射功率为100W，工作压强为1Pa，气体流量比为0.1，基底温度为200℃时，此时的薄膜沉积速率在10nm/min~15nm/min之间，薄膜表面粗糙度在50nm~55nm之间，可以同时得到较快的沉积速率和较低的表面粗糙度。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究的背景目的及意义

1.2 测力仪的研究现状

1.3 薄膜传感器的研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 薄膜传感器刀具结构分析与设计

2.1 刀具受力与输出特性之间的关系

2.1.1 刀具受力原理分析

2.1.2 传感器工作原理分析

2.2 刀具刀柄结构基础设计研究

2.2.1 刀具强度与截面惯性矩关系分析

2.2.2 刀具截面矩形槽结构设计

2.2.3 刀具截面三角形槽结构设计

2.2.4 刀具截面椭圆形槽结构设计

2.2.5 槽型结构分析与选择

2.3 刀具刀柄结构具体设计

2.3.1 矩形槽结构优化设计

2.3.2 椭圆形槽结构优化设计

2.3.3 七种槽型结构对比

2.4 弹性基底结构设计

2.5 本章小结

3 刀具结构建模与仿真分析

3.1 软件介绍

3.1.1 三维建模软件

3.1.2 有限元分析软件

3.2 刀具结构建模与仿真

3.2.1 基底厚度优化分析

3.2.2 刀具结构建模及分析

3.3 仿真结果与计算结果对比分析

3.4 本章小结

4 嵌入薄膜传感器工艺参数分析

4.1 弹性基底工艺研究

4.1.1 弹性基底抛光工艺

4.1.2不锈钢基底表面的清洗

4.2 薄膜绝缘层的制备

4.2.1 绝缘膜制备仪器

4.2.2 绝缘膜制备工艺研究

4.3 绝缘膜制备工艺参数分析

4.3.1试验设计

4.3.2 绝缘膜沉积速率、表面粗糙度的极差分析

4.3.3 薄膜质量特性的经验公式及参数优化分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢