【摘要】：壓電式力傳感器廣泛應(yīng)用于高性能零件的精密加工、裝配等環(huán)節(jié),是重要的力學(xué)載荷測量裝置。當(dāng)前,對壓電式力傳感器的研究主要集中在晶體材料、晶片尺寸、殼體結(jié)構(gòu)、電極個數(shù)等因素對其性能的影響,缺乏有關(guān)晶片表面微觀形貌對其性能影響的研究。忽視晶片表面微觀形貌因素,將導(dǎo)致傳感器的剛度下降、靈敏度降低、吸濕性提高,嚴(yán)重影響傳感器的正常使用。因此,本論文以晶片表面微觀形貌為研究對象,從晶片制備、表面微觀形貌的表征及其對傳感器性能的影響機(jī)理、影響規(guī)律等方面展開研究。(1)制備了具有不同表面微觀形貌的石英晶片。利用金剛石往復(fù)式線鋸切割壓電晶體,加工定向端面及切片,提出了一種通過控制切向力提升晶片表面平面度的方法。應(yīng)用X射線定向儀對晶片進(jìn)行定向,分析定向誤差對傳感器性能影響。闡述晶片側(cè)表面成型方法及特點(diǎn)。最后研磨晶片,制備了不同表面微觀形貌的晶片,為后續(xù)研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。(2)研究了晶片上/下表面微觀形貌對傳感器法向剛度的影響規(guī)律。利用分形理論對晶片表面微觀形貌進(jìn)行表征,通過結(jié)構(gòu)函數(shù)法計(jì)算晶片表面微觀形貌的分形參數(shù)。建立了慮及晶片表面微觀形貌、預(yù)緊力、電極材料、壓電晶體材料等因素的傳感器法向剛度影響模型。通過兩種壓電晶體(石英和硅酸鎵鑭),四種電極材料(鈦合金、不銹鋼、黃銅和鋁)分別構(gòu)成晶組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:傳感器法向剛度,隨著晶片表面微觀形貌分形維數(shù)的增加,先增加后減小;隨著分形尺度系數(shù)的增加而減小;選用彈性模量小的晶體或電極材料、增加預(yù)緊力,有助于提高晶片與電極的接觸剛度、法向剛度、傳感器固有頻率,從而提高傳感器動態(tài)性能。(3)研究了晶片上/下表面微觀形貌對傳感器靈敏度的影響規(guī)律。晶片表面微觀形貌通過晶片等效電容效應(yīng)影響晶組靈敏度,通過分載效應(yīng)影響傳感器靈敏度。建立了慮及晶片尺寸和表面微觀形貌、晶體壓電系數(shù)、傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)、電荷放大器系統(tǒng)參數(shù)在內(nèi)的傳感器靈敏度模型。針對晶片等效電容效應(yīng),利用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對晶片表面微觀形貌進(jìn)行表征,建立了基于電荷放大器的靈敏度影響模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。隨著晶片表面粗糙度增大,晶片與電極微觀接觸間距增大,晶組的靈敏度提高。針對分載效應(yīng),給出了晶片/電極接觸剛度對傳感器靈敏度影響模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。低接觸剛度時,隨著結(jié)合面接觸剛度的提高,傳感器靈敏度提高;隨著接觸剛度的增加靈敏度提高幅度逐漸降低;高接觸剛度情況下,接觸剛度提高對靈敏度存在負(fù)面影響。闡明了兩種效應(yīng)的關(guān)系——串聯(lián)關(guān)系,分載效應(yīng)的影響更強(qiáng)。最后,以不同表面粗糙度晶片封裝單向力、三向力傳感器,進(jìn)行靈敏度性能對比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:優(yōu)選晶片表面粗糙度可提高壓電式力傳感器靈敏度。給出了不同量程下,壓電式力傳感器晶片表面粗糙度推薦值,為高性能壓電式力傳感器設(shè)計(jì)提供了參考。(4)研究了晶片側(cè)表面微觀形貌對傳感器吸濕性的影響。提出了壓電效應(yīng)感生電荷卸荷通道機(jī)理:感生電荷通過晶片側(cè)表面卸荷。實(shí)驗(yàn)研究了壓電晶體表面粗糙度,相對濕度與晶體面電阻關(guān)系。在高濕度情況下,晶片側(cè)表面越粗糙,傳感器吸濕性越差,防水性越強(qiáng);低濕度時,光滑側(cè)表面具有較高的防水性。針對傳統(tǒng)涂防水膠防水的弊端,提出了一種基于氟化技術(shù)的晶片防水新方法。分析了壓電石英晶體表面氟化膜形成機(jī)理,實(shí)驗(yàn)研究了氟化膜防水的有效性:達(dá)到90%RH時,晶組依然正常工作。實(shí)驗(yàn)研究了溫度、破損對氟化膜防水有效性的影響,在0～80℃范圍,氟化膜具有溫度適應(yīng)性;上/下表面及側(cè)表面周向破損不破壞氟化膜防水性,側(cè)表面法向貫穿式破損使氟化膜失去防水性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果為感生電荷卸荷通道機(jī)理提供了有力的證明。
【圖文】：

感器主要性能研究現(xiàn)狀逡逑器按照力的作用方向劃分為拉力型與壓力型。從測量對象的測力矩傳感器是間接力矩測量，也可通過壓電扭轉(zhuǎn)效應(yīng)溫度范圍，分為常溫傳感器與高溫傳感器。從量程角度分感器和重載荷傳感器。逡逑力傳感器成型產(chǎn)品主要分為單向力傳感器及三向力傳感器ＩＳＴＬＥＲ９０Ｘ丨系列（ＫＩＳＴＬＥＲ瑞士），ＹＤＳ－７８邋Ｉ型（大連理工蘇聯(lián)能中國）以及ＭＯＤＥＬ２０８Ｃ０Ｘ（ＰＣＢ美國）。其他主典型產(chǎn)品如表１．１所示。三向力傳感器是目前使用頻率最Ｉ７９Ｋ三向力傳感器（大連理工大學(xué)中國），，ＫＩＳＴＬＥＲ邋９０２Ｘ），ＭＯＤＥＬ２６０邋系列（ＰＣＢ邋美國），ＬＣ－ＹＤ－３３０２（３３１０）三向產(chǎn)品。瑞士邋ＫＩＳＴＬＥＲ出品的９１３９Ａ多維測力平臺，由成，是機(jī)械加工中最常用的力載荷測量裝置。測力平臺制感器尺寸規(guī)格嚴(yán)格一致，位置均布、預(yù)緊力一致；傳感器

晶片表面微觀形貌對壓電式力傳感器性能影響規(guī)律研宄力對壓電式力傳感器靈敏度的影響逡逑在加工、封裝、使用過程中，需要加預(yù)緊力。孫寶元和張貽恭利用傳感器，實(shí)驗(yàn)研究預(yù)緊力與靈敏度的關(guān)系，預(yù)緊力從0增加至２０００，２０００Ｎ至４０００Ｎ，靈敏度幾乎不變，如圖１．２所示。逡逑預(yù)緊力與壓電式力傳感器靈敏度直接相關(guān)：預(yù)緊力較小時，隨著預(yù)逐漸增加；隨著預(yù)緊力繼續(xù)提高，傳感器靈敏度略有微小下降，可視，目前采用實(shí)驗(yàn)方法確定，缺乏定量分析。逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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1 王明;段芳莉;;界面氫鍵對受限水結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性的影響[J];物理學(xué)報(bào);2015年21期

2 田紅亮;趙美云;鄭金華;趙春華;趙新澤;方子帆;朱大林;;新的柔性結(jié)合部法向接觸剛度和接觸阻尼方程[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2015年01期

3 魏龍;顧伯勤;劉其和;張鵬高;房桂芳;;接觸式機(jī)械密封端面平均溫度耦合計(jì)算方法[J];化工學(xué)報(bào);2014年09期

4 趙波;戴旭東;張執(zhí)南;謝友柏;張勇;;單峰接觸研究及其在分形表面接觸中的應(yīng)用[J];摩擦學(xué)學(xué)報(bào);2014年02期

5 王正;陳楠;王璐;譚偉同;;多重分形在高溫疲勞損傷中的應(yīng)用[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2013年14期

6 張學(xué)良;王南山;溫淑花;陳永會;蘭國生;;機(jī)械結(jié)合面切向接觸阻尼能量耗散彈塑性分形模型[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2013年12期

7 魏龍;顧伯勤;張鵬高;房桂芳;;接觸式機(jī)械密封端面磨合過程平均膜厚預(yù)測[J];化工學(xué)報(bào);2013年11期

8 楊紅平;傅衛(wèi)平;王雯;楊世強(qiáng);李鵬陽;王偉;;基于分形幾何與接觸力學(xué)理論的結(jié)合面法向接觸剛度計(jì)算模型[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2013年01期

9 魏龍;劉其和;張鵬高;;基于分形理論的滑動摩擦表面接觸力學(xué)模型[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2012年17期

10 陳超;王進(jìn)保;肖樂銀;周世威;鄭超;;環(huán)形金剛石線鋸切割藍(lán)寶石試驗(yàn)研究[J];超硬材料工程;2012年04期

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2 于法鵬;高溫壓電晶體的生長、性能表征和應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2011年

3 林盛;基于Stewart結(jié)構(gòu)并聯(lián)分載式六維大力傳感器研究[D];大連理工大學(xué);2010年

4 李映君;新型軸用并聯(lián)壓電式六維大力傳感器的研究[D];大連理工大學(xué);2010年

5 苑寶;多重分形理論及其在中國股票市場中的應(yīng)用研究[D];東北大學(xué);2007年

6 石緒忠;CNGS和CTGS晶體的生長及性能研究[D];山東大學(xué);2007年

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3 張鐵;三向壓電式車削測力儀的性能研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D];大連理工大學(xué);2007年

本文編號：2642518