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        康銅薄膜壓力傳感器的有限元分析

        2013-10-17 13:28:36武文革李學(xué)瑞
        制造業(yè)自動化 2013年15期
        關(guān)鍵詞:壓阻變化率薄膜

        李 琦,武文革,李學(xué)瑞,范 鵬

        LI Qi,WU Wen-ge,LI Xue-rui,F(xiàn)AN Peng

        (中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院,太原 030051)

        0 引言

        合金薄膜壓力傳感器應(yīng)變靈敏度較高,具有耐高溫和耐腐蝕的特性,能適用于各種惡劣環(huán)境下的壓力測量[1]。近年來有很多學(xué)者致力于各種合金薄膜傳感器的特性研究,取得了很多重要的研究成果。例如,胡昌義、高逸群等人研究了銅鎳合金的壓阻系數(shù)[2],發(fā)現(xiàn)經(jīng)退火處理后的銅鎳合金性能指標(biāo)穩(wěn)定,可以作為各向同性材料對待,具有一定的實(shí)用價(jià)值。美國威斯康星大學(xué)的張緒剛、李曉春等人進(jìn)行了將微薄膜傳感器嵌入Ti6Al4V合金基底的研究[3],設(shè)計(jì)一出種嵌入式薄膜傳感器并對其特性進(jìn)行了分析。

        由于合金薄膜制備工藝較復(fù)雜,需要較大的成本投入,若制作出實(shí)物后再進(jìn)行研究會造成不必要的浪費(fèi)。本文利用ANSYS12.0有限元分析軟件對康銅薄膜壓阻式傳感器進(jìn)行了靜態(tài)分析,研究壓阻薄膜分布位置、薄膜厚度對傳感器輸出的影響規(guī)律,以此來設(shè)計(jì)合理的合金薄膜層的尺寸及參數(shù),以期減少研究成本、縮短開發(fā)周期。

        1 傳感器系統(tǒng)及惠斯通電橋設(shè)計(jì)

        應(yīng)變梁式彈性元件是常用的一種傳感器彈性元件結(jié)構(gòu)[4],其中懸臂梁式靈敏度較高,故本文采用懸臂梁結(jié)構(gòu)作為傳感器測力系統(tǒng)的彈性元件,懸臂梁結(jié)構(gòu)及康銅薄膜布片方式如圖1所示。

        傳感器懸臂梁結(jié)構(gòu)是由五層材料組成,其中中間一層是彈性元件兼基底,材料為45號鋼,基底表面上下兩層均為Al2O3絕緣層,在絕緣層表面用物理氣相沉積的方法濺射上康銅薄膜應(yīng)變電阻,設(shè)定基底長寬為10mm×2mm,厚度為0.5mm;上下兩絕緣層厚度為0.05mm;R1、R2、R3、R14為康銅薄膜應(yīng)變片,其厚度為0.5μm。將R1、R2、R3、R14由導(dǎo)線連成直流全橋線路[5]。康銅薄膜應(yīng)變電阻尺寸及其測量電路如圖2所示。

        圖2 合金薄膜電阻尺寸及電橋線路

        傳感器用來測豎直方向的壓力,連接成全橋電路具有較高的靈敏度,能消除其他方向作用力的相間干擾,且具有溫度誤差補(bǔ)償功能。當(dāng)傳感器自由端受如圖1的力F作用時(shí),基底產(chǎn)生彈性形變,從而引起薄膜電阻的受力,R1、R2受壓力作用,R3、R4受拉力作用,當(dāng)在電橋輸入端端加載電壓U0時(shí),輸出電壓U1為:

        初始時(shí)令R1=R2=R3=R4,當(dāng)傳感器受力時(shí)各電阻增量分別為,且有,則式(1)可描述為:

        式中,k為電阻靈敏系數(shù),ε為電阻應(yīng)變,根據(jù)胡克定律σ=Eε,可得:

        式中,σ為應(yīng)力,E為彈性模量。由此可知傳感器測量電壓U1與施加作用力F之間近似成正比。

        2 ANSYS建模仿真

        壓阻分析是一種多場耦合分析,ANSYS軟件在多場耦合分析中有著其他有限元軟件不可比擬的優(yōu)勢。用ANSYS進(jìn)行壓阻分析時(shí),首先要設(shè)置單元類型和材料屬性。本文設(shè)計(jì)的傳感器由彈性元件、絕緣層、壓阻薄膜和導(dǎo)線組成,其中彈性元件是45號鋼,絕緣層是Al2O3,單元類型均采用solid45單元;康銅薄膜設(shè)置為solid226單元;導(dǎo)線選為電傳導(dǎo)單元solid232,其電阻率設(shè)定為0.1×10-10Ωm。所需材料特性如表1所示[2,6]。

        表1 材料特性

        其中,康銅材料需要輸入的是壓阻系數(shù)矩陣,由壓阻效應(yīng)原理可知,電阻變化率與壓力之間關(guān)系為:

        式中,ρ0為初始電阻率,Δρi/ρ0為電阻率變化率,σi為壓力,為壓阻系數(shù)矩陣。經(jīng)過退火處理后的康銅可以作為各向同性材料[1],因此π44=π11-π12=0。最后所得壓阻系數(shù)矩陣為:

        3 結(jié)果分析

        建立模型圖如圖3所示,康銅薄膜位置距約束端1mm,設(shè)置各個(gè)實(shí)體之間的接觸方式為粘接。當(dāng)懸臂梁壓阻傳感器在自由端受50N的Z向力時(shí),懸臂梁向上彎曲,最大Z向位移可達(dá)1.55mm,其應(yīng)變及應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。

        圖3 傳感器ANSYS模型圖

        圖4 應(yīng)變分布云圖

        圖5 應(yīng)力分布云圖

        圖6 電場分布云圖

        在圖3所示導(dǎo)線上a、b兩點(diǎn)施加電壓U0=5V,當(dāng)懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變后,由于R1、R2、R3、R4阻值的變化,圖3中c、d兩點(diǎn)之間會產(chǎn)生電勢差。電場分布云圖如圖6所示,在圖上測得c點(diǎn)電勢為2.51338V,d點(diǎn)電勢為2.4867V,兩點(diǎn)間電勢差Ucd=0.0267V,即為輸出電壓U1=0.0267V,通過式(2)可得出其電阻變化率=0.0053。

        為研究電橋輸出電壓和電阻變化率與載荷之間的關(guān)系,分別在自由端加載1N、5N、10N、20N、50N、100N、200N的Z向力,測得電壓輸出值與力之間的關(guān)系圖如圖7所示,計(jì)算出電阻變化率與載荷之間的關(guān)系如圖8所示。

        圖7 輸出電壓與載荷關(guān)系圖

        圖8 電阻變化率與載荷關(guān)系圖

        由圖7可以看出傳感器輸出電壓U1與Z向載荷之間有著良好的線性關(guān)系,同理,由圖8得出電阻變化率與載荷之間的線性關(guān)系。經(jīng)擬合得電壓與載荷間的線性關(guān)系式為 U1=1.07× 10-3FU0。

        為分析傳感器壓阻薄膜位置及薄膜厚度與輸出之間的關(guān)系,本文做了進(jìn)一步的研究。圖9是在50N的Z向載荷下,壓阻薄膜厚度為0.5μm時(shí)傳感器壓阻薄膜距固定端的距離與輸出電壓之間的關(guān)系曲線。從圖中可以清晰地看出當(dāng)壓阻薄膜距懸臂梁約束端越近時(shí),其輸出電壓越大,傳感器靈敏度越高,其變化值呈近似線性關(guān)系,這與圖5中懸臂梁結(jié)構(gòu)受Z向載荷時(shí)距約束端越近應(yīng)力越大的結(jié)果相符。因此在設(shè)計(jì)傳感器時(shí),壓阻薄膜位置應(yīng)盡量靠近傳感器約束端。

        圖9 輸出電壓與薄膜位置關(guān)系圖

        圖10是在50N的Z向載荷下,壓阻薄膜距懸臂梁固定端為1mm時(shí)傳感器壓阻薄膜厚度對輸出電壓的影響曲線。圖中可以清晰地看出在一定厚度范圍內(nèi)傳感器輸出電壓隨著壓阻薄膜厚度的變大而減小,但變化不是很顯著,這與式(2)的結(jié)果相符,即薄膜厚度對傳感器電阻變化率影響較小。

        圖10 輸出電壓與薄膜厚度關(guān)系圖

        4 結(jié)束語

        本文設(shè)計(jì)了一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的薄膜壓阻式傳感器,并用ANSYS12.0軟件對傳感器的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)特性的仿真分析。通過研究載荷與輸出電壓之間的關(guān)系得出了本傳感器輸出電壓與載荷間的線性關(guān)系式 U1=1.07× 10-3FU0,由此得出了臂梁式壓阻傳感器具有良好的線性度和靈敏度的結(jié)論。同時(shí)分析了壓阻薄膜位置和薄膜厚度對傳感器輸出的影響,發(fā)現(xiàn)壓阻薄膜距懸臂梁約束端越近,輸出電壓越大,靈敏度也就越高,而薄膜厚度對傳感器輸出幾乎沒有影響。這些結(jié)論完全符合實(shí)際情況。因此,用ANSYS軟件進(jìn)行合金薄膜壓阻傳感器的研究是正確可靠的,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。完全可以將ANSYS軟件應(yīng)用于合金薄膜壓阻傳感器的研究工作中,以達(dá)到縮減研究成本、減少開發(fā)周期的目的,同時(shí)為下一步的實(shí)物研究做好了基礎(chǔ)工作。

        [1] 李偉,陳懷禮.合金薄膜高溫壓力傳感器研究進(jìn)展[J].火箭推進(jìn),2011,37(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 Ti6Al4V Alloys[J].IEEE Sensors Journal,2010,10(4):839-846.

        [4] 樊尚春,劉廣玉.新型傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2010.

        [5] 李偉東,吳學(xué)忠,李圣怡.一種壓阻式微壓力傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006(7):1-5.

        [6] 鄭峰.常用金屬材料手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007,6:134-621.

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