王 柱，王大志，趙奎鵬，袁鈺恒，宗浩然

（大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

0 引言

PZT壓電厚膜具有良好電學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，其厚度介于薄膜和塊材之間，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[1]?？蓮V泛應(yīng)用于加速度傳感器[2]、能量收集器[3]、換能器[4-6]、超聲馬達(dá)等器件[7-9]。目前壓電材料作為功能層大多使用平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)凹球面結(jié)構(gòu)和薄壁球殼狀也有應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上聚焦超聲換能器[10]和海洋監(jiān)測(cè)中的水換能器，將曲面壓電結(jié)構(gòu)應(yīng)用于傳感器還可以增加傳感器靈敏方向，其具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

為獲得性能良好的壓電半球沖擊傳感器，制備高質(zhì)量的半球壓電厚膜具有關(guān)鍵性作用，本文采用電流體噴印工藝[11-13]制備壓電厚膜，電流體噴印技術(shù)與傳統(tǒng)噴印采用推的方式不同，電流體噴印技術(shù)是利用電場(chǎng)力將打印液體形成納米級(jí)液滴[14]，其原理是在打印針口處施加足夠高電壓，打印液體表面會(huì)產(chǎn)生自由電荷，這些自由電荷會(huì)在電場(chǎng)力作用下帶動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)，針口處的液體表面產(chǎn)生切向應(yīng)力，使得端口出的液體形成泰勒錐，尖端會(huì)導(dǎo)致電荷聚集電場(chǎng)力不斷加大會(huì)突破表面張力，形成直徑遠(yuǎn)小于端口的射流，根據(jù)噴針與基底之間的距離不同以及噴印的材料不同，可以形成電噴霧、點(diǎn)紡絲、電噴印3種形式[15]，電噴打印技術(shù)技術(shù)具有良好的打印精度，其工藝適于制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓電厚膜，通過電噴打印技術(shù)制備的壓電厚膜厚度一般在1~100 μm，其厚度適中既能實(shí)現(xiàn)和基底良好結(jié)合又能具備PZT塊材的高驅(qū)動(dòng)力，適用于制備復(fù)雜曲面?zhèn)鞲衅鲏弘姾衲ぶ苽?，與不同形狀表面結(jié)合，通過多層打印增加厚度，利用電噴打印技術(shù)可以制備得到均勻性和致密性良好的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

電流體噴印技術(shù)具有良好的可控性，通過增材制造方式使得壓電材料與基底緊密貼合，保持噴針與基底之間的距離穩(wěn)定從而得到厚度均勻的曲面壓電厚膜，最后通過燒結(jié)提高曲面壓電厚膜與基底之間的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)獲得性質(zhì)良好的壓電厚膜。本文配置了電噴打印所需PZT復(fù)合懸浮液并制備了半球壓電厚膜，噴印的基底作為傳感元件下電極，利用磁控濺射技術(shù)在半球PZT壓電厚膜制上備上電極并進(jìn)行極化，與沖擊元件配合組成傳感器內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，對(duì)此壓電半球沖擊傳感器進(jìn)行仿真和測(cè)試分析。

1 壓電半球沖擊傳感器的有限元仿真

1.1 力學(xué)仿真

使用SOLIDWORKS軟件建立圖1所示的由基底、PZT厚膜、沖擊球構(gòu)成的沖擊傳感元件模型，由于實(shí)際制造時(shí)PZT厚膜壓電陶瓷是通過電流體打印到基底上，使用時(shí)厚膜與基底也具有很強(qiáng)的結(jié)合力，故建模時(shí)將PZT厚膜與基底進(jìn)行粘連。由于PZT壓電材料具有各向異性，其壓電、介電和彈性性質(zhì)均用其特有屬性矩陣進(jìn)行表示，其存在壓電結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系，選取PZT厚膜為SOLID5單元類型，選取沖擊球和基底為SOLID45六面體單元類型。PZT厚膜通過掃略方式進(jìn)行劃分，沖擊球和基底采用自由劃分，調(diào)整單元尺寸控制網(wǎng)格的粗細(xì)以滿足仿真的精度要求。

圖1 壓電半球沖擊傳感元件模型Fig.1 Model of piezoelectric hemispher ical impact sensor

進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，施加的邊界條件是基座底面固定、對(duì)沖擊球施加8 000g加速度沖擊，將PZT壓電陶瓷下表面接地，并且將球形膜設(shè)置為壓電材料，并且將壓電材料的坐標(biāo)系選擇為已經(jīng)定義的基矢球坐標(biāo)系，來保證壓電材料的極化方向?yàn)檠厍虻陌霃椒较?。由于壓電半球沖擊傳感元件具有半包圍結(jié)構(gòu)，沖擊在不同沖擊角度下在壓電厚膜上均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生壓電信號(hào)，為對(duì)這一想法進(jìn)行驗(yàn)證下面對(duì)沖擊球在90°、80°、60°和30°的角度沖擊下的厚膜應(yīng)力進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，可以看到不同角度沖擊下厚膜均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。

圖2 90°、80°、60°、30°沖擊應(yīng)力Fig.2 Impact stress diagram of 90°，80°，60°and 30°

1.2 半球壓電厚膜應(yīng)力分析

考慮到傳感器實(shí)際應(yīng)用和制造難度，圓角過大時(shí)沖擊球與厚膜接觸面積減小，影響傳感器靈敏角度，故以下對(duì)傳感器基底圓角半徑進(jìn)行優(yōu)化。選擇基底半球直徑為8.1 mm，對(duì)應(yīng)壓電厚膜選擇直徑為8 mm、厚度為50 μm，厚膜圓角半徑分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm的情況下進(jìn)行沖擊應(yīng)力分析，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，隨著圓角逐漸變大，其應(yīng)力云圖中的最大應(yīng)力值也逐漸增大。所以從仿真結(jié)果可以知圓角越小，其應(yīng)力最大值越小。但是壓電材料在極化過程中若沒有圓角或圓角太小，則容易造成擊穿現(xiàn)象。故為降低壓電材料制造難度和同時(shí)盡量減小壓電膜應(yīng)力集中，最終圓角半徑選擇為1 mm。

圖3 圓角半徑為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm時(shí)應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram with fillet radius of 0.5 mm，1 mm，1.5 mm and 2 mm

1.3 靜態(tài)響應(yīng)分析

分析沖擊傳感器在100g~10 000g加速度沖擊下其產(chǎn)生的電荷量。COMSOL在仿真壓電材料電荷量時(shí)，需要設(shè)置終端來提取壓電厚膜產(chǎn)生的表面電荷量，在不同沖擊加速度下對(duì)應(yīng)的信號(hào)仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可知，電荷量的大小與沖擊加速度的大小成正比，每100g沖擊加速度約產(chǎn)生113 pc的電荷量，即沖擊加速度越大，壓電膜產(chǎn)生的電荷量越多，這與厚膜壓電性質(zhì)相符合。

圖4 不同沖擊加速度下對(duì)應(yīng)信號(hào)值Fig.4 Corresponding signal values under different impact accelerations

2 壓電半球沖擊傳感器制備與測(cè)試分析

2.1 制備

首先備傳感器基底，通過機(jī)械加工獲得基底外形以及半球內(nèi)凹基本形狀，利用如圖5所示電噴打印裝置進(jìn)行打印，其由計(jì)算機(jī)、相機(jī)、高壓電源、控制柜、注射泵和去曲面壓電厚膜打印臺(tái)構(gòu)成，由于傳感器基底為內(nèi)凹形狀，為保證半球壓電厚膜厚度均勻，需要噴針與基底之間距離保持恒定，利用曲面壓電厚膜打印臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)，在打印過程中實(shí)驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)和水平垂直方向聯(lián)動(dòng)保持噴印針頭與基底在等距范圍內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)噴印針頭軌跡移動(dòng)范圍包含整個(gè)半球基底，利用此打印臺(tái)進(jìn)行打印。

圖5 電噴打印裝置Fig.5 Schematic diagram of EFI printing device

首先將半球基底定位，打印前將PZT復(fù)合懸浮液置于注射器中，打印期間通過計(jì)算機(jī)控制高壓電源產(chǎn)生高壓，計(jì)算機(jī)通過控制柜使打印臺(tái)與噴針間形成穩(wěn)定間距，由此獲得噴針與曲面基底之間穩(wěn)定的電場(chǎng)，再控制注射泵均勻推進(jìn)懸浮液即可形成穩(wěn)定錐-射流[11]，此時(shí)通過相機(jī)進(jìn)行觀察射流形態(tài)可進(jìn)行電場(chǎng)調(diào)整獲得更好的打印狀態(tài)。在曲面壓電厚膜打印臺(tái)旋轉(zhuǎn)完整的一個(gè)半球周期后計(jì)算機(jī)控制注射器停止推進(jìn)同時(shí)關(guān)閉高壓電源，打印多層后獲得如圖6所示半球形壓電厚膜。

圖6 打印后的PZT厚膜Fig.6 PZT thick film after printing

為使壓電厚膜具有壓電性需要進(jìn)行極化處理，制備電極的目的包括完成極化以及傳感器在使用時(shí)電荷的傳導(dǎo)，利用磁控濺射技術(shù)在曲面壓電厚膜先濺射30 nm金屬Ti作為過渡層金屬，再濺射200 nm金屬Pt作為上電極表面層金屬，在極化時(shí)嚴(yán)格控制極化電場(chǎng)大小、溫度高低以及極化時(shí)間長短，這對(duì)壓電材料性能具有重要影響，若極化電場(chǎng)大于矯頑場(chǎng)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致元件擊穿，極化溫度會(huì)影響極化最終效果，采用壓電材料不同厚度對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)以及壓電材料極化溫度進(jìn)行極化賦予壓電厚膜壓電性。

2.2 測(cè)試分析

為測(cè)試壓電半球沖擊傳感器性能，首先對(duì)極化后的傳感器基底進(jìn)行壓電性測(cè)試，本文所制備的半球面壓電厚膜厚度約為50 μm，利用D33測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試可得壓電厚膜壓電常數(shù)D33約為80 pc/N，將制備好的半球基底同傳感器外殼、沖擊質(zhì)量球、預(yù)緊力壓塊等組裝成半球沖擊傳感器，為提高傳感器使用壽命需將沖擊質(zhì)量球同基底進(jìn)行粘連，由此減少?zèng)_擊時(shí)沖擊質(zhì)量球?qū)弘姾衲さ哪Σ?，同時(shí)在組裝成傳感器后要對(duì)整體施加預(yù)緊力可提高靈敏度和整體結(jié)構(gòu)的緊湊性。對(duì)半球傳感器進(jìn)行沖擊測(cè)試，將半球沖擊傳感器置于沖擊試驗(yàn)臺(tái)上施加3 000g加速度，電荷信號(hào)分別由傳感器上下電極導(dǎo)出，電荷信號(hào)經(jīng)過電荷放大器調(diào)理變換為電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)輸入到示波器中顯示得到如圖7所示的結(jié)果。

圖7 傳感器沖擊信號(hào)Fig.7 Shock signal diagram of sensor

靈敏度分析：傳感器性能測(cè)試時(shí)需采用科學(xué)的方法進(jìn)行對(duì)比和分析，測(cè)試靈敏度可采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)室中也可選用標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，利用兩者對(duì)比既能探究被測(cè)傳感器性能又能更直觀對(duì)比兩者參數(shù)之間的差異。首先引入Endevco公司的2270加速度計(jì)作為對(duì)比，將2270傳感器與半球沖擊傳感器一同置于沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)上施加3 000g沖擊加速度，將二者的信號(hào)通過靈敏度相同的電荷放大器，二者轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)大小與電荷信號(hào)大小成正比，半球沖擊傳感器電壓信號(hào)峰值為4.7 V，2270傳感器電壓信號(hào)峰值為3.4 V，由于二者通過相同的電荷放大器進(jìn)行信號(hào)處理，故二者電壓信號(hào)峰值之比即為二者電荷靈敏度之比，2270傳感器靈敏度為2.072 pc/g，換算可得半球沖擊傳感器靈敏度為2.86 pc/g。

3 結(jié)束語

本文對(duì)壓電半球沖擊傳感器進(jìn)行了仿真與分析研究，建立傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，分析傳感器壓電厚膜應(yīng)力情況選擇厚膜倒圓大小，初步確定傳感器在多個(gè)角度上均具有沖擊應(yīng)力，沖擊電荷信號(hào)大小與沖擊加速度成正比，利用電流體噴印的方式制備了傳感器壓電厚膜，采用電噴打印裝置進(jìn)行電流體噴印實(shí)驗(yàn)保證厚膜質(zhì)量，利用磁控濺射技術(shù)制備30 nm金屬Ti作為過渡層金屬，再濺射200 nm金屬Pt作為上電極表面層金屬上電極并進(jìn)行了極化處理，最后使用小型沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器對(duì)半球傳感器進(jìn)行測(cè)試，得到半球傳感器在3 000g加速度下的沖擊信號(hào)圖，通過標(biāo)準(zhǔn)傳感器和半球傳感器信號(hào)對(duì)比計(jì)算得到半球傳感器的靈敏度為2.86 pc/g，驗(yàn)證了壓電半球沖擊傳感器的性能。