基于微间隙压力监测的SAW微力传感器的研究

作     者：王俊 

作者单位：上海工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李媛媛

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：微间隙 声表面波 微力 传感器 

摘      要：接触压力的检测一直是工程应用和力学方面的热点研究课题,尤其是对在两个物体及弹性介质之间的微间隙的物体来说,其表面接触压力的检测具有必要性和重要性。本文针对该类问题,开展基于微间隙压力监测问题的分析与研究。截止到目前,用来测量接触压力的传感器种类繁多,它们各有利弊,然而,目前大部分接触压力传感器都需要依靠电源工作,且工作方式是有线的。基于传统的检测技术,该工作模式在微间隙环境下不利于接触压力的测量,此外,有源有线增加了系统集成、接触压力检测的难度。针对传统测试方式的不足,本文采用声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)技术,该技术能够实现无源无线的工作方式。SAW微力传感器是传感器的一个分支,结合微间隙监测环境,该类传感器可以充分发挥自身的优势。本文设计的SAW微力传感器不同于传统传感器,其双层中空结构能够发挥功能上的优势。该SAW微力传感器采用微机电加工工艺,使其器件具有微小型、方便集成的特点,且成本低廉。因此,基于SAW传感技术,针对微间隙环境,提出系统中接触压力的测量方案,结合SAW技术特点,对监测的核心器件进行研究、分析与设计。通过理论分析,软件仿真以及实验验证,对相关知识进行系统地研究。本文首先围绕微间隙接触压力监测环境,重点研究SAW压力传感器的结构及工作的基本原理。并针对微间隙接触压力监测问题,提出合适的压力监测方案,设计一种基于微间隙压力监测的SAW微力传感器,即基于铌酸锂压电材料的新式延迟型SAW微力传感器。其次,根据SAW传感器的分析,建立模型,通过ANSYS软件,分析基于铌酸锂压电材料双层机构基底的SAW接触压力传感器,包括受力形式、材料的选择、压电基底的有限元分析、叉指换能器的设计。并对基于铌酸锂双层结构基底的SAW接触压力传感器的制备工艺进行了初步研究,其中包括衬底预处理、划片、焊接等。最后,对制备出的SAW微力传感器进行测试。在对加工出来的SAW传感器进行结果分析过程中,分别应用最小二乘法和矩阵法进行解析并对比,根据结果总结出SAW微力传感器的频率与压力的相关转换关系。