康铜薄膜压力传感器的有限元分析

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10mm图1 悬臂梁及布片位置F基底表面上下两层均为A1203绝缘层，在绝缘层表面用物理气相沉积的方法溅射上康铜薄膜应变电阻，设定基底长宽为10mm X 2mm，厚度为0.5mm；上下两绝缘层厚度为0.05mm；R、R2、R3、R 为康铜薄膜应变片，其厚度为0.5 p m～R 、R：、R3、R 由导线连成直流全桥线 〉铜薄膜应变电阻尺寸及其测量电路如图2所示。

0.2m. 匡i三三三，m三。三'， t(a)合金薄膜电阻尺寸 (b)电桥线路图2 合金薄膜电阻尺寸及电桥线路传感器用来测竖直方向的压力，连接成全桥电路具有较高的灵敏度，能消除其他方向作用力的相问干扰，且具有温度误差补偿功能。当传感收稿日期：2013-02-24基盒璜目：山西守国留学人员科研资助项目 (2013--086)；中北大学2011年校基金资助项目 (20110203)作者简介：李琦 (1989-)，男，河南人，硕士研究生，研究方向为薄膜应变式切削测力仪的设计。

第35卷 第8期 2013-08(上) [991 l 匐 化器自由端受如图1的力F作用时，基底产生弹性形变，从而引起薄膜电阻的受力，R 、R 受压力作用，R，、R 受拉力作用，当在电桥输入端端加载电压U。时，输出电压U 为：U ： 二 Ⅳ (1)I (蜀 )( )初始时令R R：R R ，当传感器受力时各电阻增量分别为AR1、AR 、AR3、AR4，且有ARlAR2△R3△R4，则式 (1)可描述为：AU1 Uo髓 (2)式中，k为电阻灵敏系数， e为电阻应变，根据胡克定律 OE e，可得：U -E kU。 (3)式中，O为应力，E为弹性模量。由此可知传感器测量电压U。与施加作用力F之间近似成正比。

2 ANSYS建模仿真压阻分析是-种多愁合分析，ANSYS软件在多愁合分析中有着其他有限元软件不可比拟的优势。用ANSYS进行压阻分析时，首先要设置单元类型和材料属性。本文设计的传感器由弹性元件、绝缘层、压阻薄膜和导线组成，其中弹性元件是45号钢，绝缘层是Al：o，，单元类型均采用solid45单元；康铜薄膜设置为solid226单元：导线选为电传导单元solid232，其电阻率设定为O.1× 10 。Q m。 所需材料特性如表1所示 期。

表1 材料特性密度 弹性模量 泊松比 电阻率 压阻系数(kg/m ) (GPa) (umQ) (Gpa- ×10。

112.3， 康铜 8880 l60 0.329 0.48n1，2.3Al203 3940 390 0.2445钢 780o 210 03其 中，康铜材料需要输入的是压阻系数矩阵，由压阻效应原理可知，电阻变化率与压力之间关系为：Apl/Po△p2/p0Ap3/p0Ap4/p0△p5/P0Ap6/Po7c12 冗12O OO OO O(4)式中，p0为初始电阻率，△p /p。为电阻率变11OO1 第35卷 第8期 2013-08(上)化率，o 为压力， ]为压阻系数矩阵。经过退火处理后的康铜可以作为各向同性材料 ，因此万 l1～7l"-20。最后所得压阻系数矩阵为：2.3X102.3×102 3×100002 3×10-。

2.3×10-2.3×10-OOO2.3×l02.3×102.3×100003 结果分析建立模型图如图3所示，康铜薄膜位置距约束端lmm，设置各个实体之间的接触方式为粘接。

当悬臂梁压阻传感器在自由端受50N的z向力时，悬臂梁向上弯曲，最大z向位移可达1.55mm，其应变及应力云图如图4和图5所示。

图3 传感器ANSYS模型图 图4 应变分布云图 m -N 7 。.0- - ，：!， E5～ 0： T t vG J 。～ i 55! 1 1： ---- I-- 票誉图5 应力分布云图 图6 电场分布云图在图3所示导线上a、b两点施加电压U。5V，当悬臂梁产生应变后，由于R 、R 、 、R4阻值的变化，图3中C、d两点之间会产生电势差。电场分布 云图 如 图6所 示 ，在 图上 测得 C点 电势 为2.51338V，d点电势为2.4867V，两点间电势差0.0267V，即为输出电压 0.0267V，通过式 (2)可得出其电阻变化率 0.0053。

为研究电桥输出电压和电阻变化率与载荷之间的关系，分别在自由端加载1N、5N、1ON、20N、50N、100N、200N的z向力，测得电压输出值与力之间的关系图如图7所示，计算出电阻变化率与载荷之间的关系如图8所示。

舅-誓 -目- ～釜 /，l～o o o o o o o o o o 2 2 1 o o o 、l生 訇砂似z向栽荷F/N图7 输出电压与载荷关系图图8 电阻变 化率与载 荷关系图由图7可以看出传感器输出电压U 与Z向载荷之间有着良好的线性关系，同理，由图8得出电阻变化率与载荷之间的线性关系。经拟合得电压与载荷间的线性关系式为 1.07×10-FU0。

为分析传感器压阻薄膜位置及薄膜厚度与输出之间的关系，本文做了进-步的研究。图9是在50N的z向载荷下，压阻薄膜厚度为0.5 la m时传感器压阻薄膜距固定端的距离与输出电压之间的关系曲线。从图中可以清晰地看出当压阻薄膜距悬臂梁约束端越近时，其输出电压越大，传感器灵敏度越高，其变化值呈近似线性关系，这与图5中悬臂梁结构受z向载荷时距约束端越近应力越大的结果相符。因此在设计传感器时，压阻薄膜位置应尽量靠近传感器约束端。

孽腰 与 胡栗 端 跑 禹加 m图9 输出电压与薄膜位置关系图图10是在50N的z向载荷下，压阻薄膜距悬臂梁固定端为lmm时传感器压阻薄膜厚度对输出电压的影响曲线。图中可以清晰地看出在-定厚度范围内传感器输出电压随着压阻薄膜厚度的变大而图10 输出电压与薄膜厚度关系图减小，但变化不是很显著，这与式 (2)的结果相符，即薄膜厚度对传感器电阻变化率影响较校4 结束语本文设计了-种悬臂梁结构的薄膜压阻式传感器，并用ANSYS12.0软件对传感器的实际结构进行了静态特性的仿真分析。通过研究载荷与输出电压之间的关系得出了本传感器输出电压与载荷间的线性关系式 1.07xlO-FUo，由此得出了臂梁式压阻传感器具有良好的线性度和灵敏度的结论。同时分析了压阻薄膜位置和薄膜厚度对传感器输出的影响，发现压阻薄膜距悬臂梁约束端越近，输出电压越大，灵敏度也就越高，而薄膜厚度对传感器输出几乎没有影响。这些结论完全符合实际情况。因此，用ANSYS软件进行合金薄膜压阻传感器的研究是正确可靠的，具有较高的应用价值。完全可以将ANSYS软件应用于合金薄膜压阻传感器的研究工作中，以达到缩减研究成本、减少开发周期的目的， 同时为下-步的实物研究做好了基础工作。