康铜薄膜电阻应变传感器的制作

在应变元件与应变膜之间允许直接形成一体的场合下,把应变电阻元件沉积在接受应变的弹性元件上,将使应变传递性能大大改善,这是不言而喻的.但需解决应变电阻膜与接受应变的金属弹性片间的绝缘层问题.本文介绍作者研制的康铜薄膜电阻应变传感器的制造工艺和测试结果,证实了采用双层介质膜是解决绝缘隔离这一技术难点的良好途径.     

溅射SiO2薄膜的电气性能

本文介绍了一种在金属弹性和应变电阻之间制作了ＳｉＯ２绝缘膜的方法，并对基底表面状况，溅射条件对ＳｉＯ２膜绝缘性能的影响做了实验研究，实验结果表明，在良好的基底表面，合适的基底温度和调谐偏压下可制备出性能良好的ＳｉＯ２膜。     

微型高温压力传感器芯片设计分析与优化

基于弹性力学和板壳力学理论,分析了微型高温压力传感器圆形膜片的受力分布,为力敏电阻在应变膜上的布置提供依据;利用有限元分析方法,借助ANSYS仿真软件,对微型高温压力传感器应变膜进行了一系列的分析和计算机模拟,探讨了传感器圆形应变膜简化应力模型的合理性以及温度对应力差分布的影响,得到了直观可靠的结果,为微型高温压力传感器芯片设计和研发新颖的微型高温压力传感器芯片提供有力的依据.     

基于SEBS/纳米炭黑复合膜的电阻式应变传感材料制备及其性能研究

以热塑性弹性体苯乙烯/乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)和炭黑纳米颗粒为原料,采用熔融共混-模压成型法制备了SEBS/纳米炭黑复合电阻式应变传感膜.实验中,研究了该薄膜的力学性能及其电阻应变的传感性能.力学测试表明,该复合应变传感膜具有优异的弹性力学特性,断裂伸长率达410.8%,断裂强度达2.5 MPa,经1000次循环拉伸后,其形变率仅为3.0%.应变传感测试显示,随着复合膜拉伸倍率增大其电阻变化呈线性提高,并且动态拉伸电阻变化速率高于静态条件下的电阻变化速率.该复合应变传感膜应用于人体胳膊弯曲试验显示,可较为精准的记录胳膊弯曲量和弯曲次数,进而得知人体的运动活动量,在健身和康复等领域有重要的潜在应用价值.     

基于IVUS影像的血管壁局部应变计算方法

动脉血管弹性是反映人体血管系统好坏的重要指标,分析血管壁弹性对早期识别易损斑块、防治心血管疾病具有重要意义。而弹性又以一定力作用下血管壁产生的应变来衡量,研究管壁应变的精确计算方法成为判定血管弹性的关键。在血管内超声图像的基础上,利用有限单元法对血管壁区域进行三角形网格划分,以三角形单元为基础求解血管壁平面二维应变的三个分量,即沿x轴、y轴方向的线应变（正应变）和线段夹角的改变量（切应变）。与一维应变相比,二维应变不仅提供了更多的应变参考数据,还将相邻点之间的形变影响因素也加入到计算中,提高了计算精度。实验计算数据也表明二维应变的分析结果与血管壁区域像素点的实际运动相符合。     

考虑混凝土弹塑性的植入式GFRP封装FBG传感器应变传递分析

工程化FBG传感器的封装层引入的应变传递损耗使其具有应变传递误差,需进行应变传递分析。已有研究多聚焦于基体处于线弹性时的应变传递分析,而混凝土结构发生弹塑性变形后的应变传递规律尚未明晰。以植入式GFRP封装FBG传感器为对象,在应变传递分析中引入混凝土的非线弹性本构关系,建立了基体与FBG的应变传递关系,通过有限元模拟验证了该理论推导的有效性。基于理论分析探讨了混凝土弹塑性演化、混凝土标号、传感器半径与标距等因素对应变传递效率的影响,并分析了传感器的尺寸设计。研究表明：平均应变传递率在混凝土弹性阶段变化较小,而到塑性阶段则显著降低,混凝土标号、半径与标距都会对应变传递效率产生较大影响。本研究可广泛用于植入式FBG传感器的应变传递误差修正及设计。     

非晶FeCoSiB磁弹性薄膜的应力阻抗效应

磁弹性薄膜中的应力阻抗效应有望在高灵敏应力/应变传感器中得到应用,这引起了人们的广泛研究兴趣.我们利用磁控溅射的方法在玻璃基片上制备了FeCoSiB薄膜和FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜,并在真空中退火以获得较好的磁弹性,接着在200kHz～1 0MHz范围内测试了薄膜的应力阻抗效应.结果表明,退火可增强磁弹性薄膜的应力阻抗效应,并且FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层薄膜比FeCoSiB薄膜具有更高的应力阻抗效应.     

双酚A型聚碳酸酯快速拉伸过程的分子动力学模拟

本文采用用分子动力学方法研究了双酚A型聚碳酸酯的快速拉伸过程.采用COMPASS力场和NPT系综研究了应力应/变关系、能量/应变关系等.应力-应变曲线的研究结果显示,前"屈服点"和后"屈服点"分别为0.14和0.17,应变≤0.05为"弹性区域".0.14<ε_(xx)<1.05的区域为"塑性区域",ε_(xx)>1.05属于"硬化"区.能量-应力关系的研究结果显示,在应力-应变呈线性关系的"弹性区域",体系的总势能及各势能分量随应变增大发生不规则的波动.为了从能量的角度解释PBC-PC在外部拉伸条件下的应变情况,本文还研究了体系总能量与各能量分项,与应变的关系,对链结构与能量分项的关系进行了讨论.     

基于红外热效应的电容式气体传感器研究

提出了一种利用气体吸收红外并产生热效应现象检测气体的方法,设计并制造了一种红外电容式气体传感器.该气体传感器采用在密封气室中密封纯净的被测气体,利用被测气体吸收红外的热效应并由此产生压力变化,该压力变化转换为弹性应变膜的应变致使平板电容器的电容变化,由于环境中被测气体与密封气室中被测气体对红外的差分吸收,使得电容的变化...     

干燥与饱水状态下炭质板岩蠕变特性研究

采用分级增量循环加卸载方式,对兰渝铁路木寨岭二期隧道炭质板岩进行干燥与饱水状态下的蠕变试验。结果表明:无论干燥状态还是饱水状态,在各种应力水平作用下,岩石试件均产生了可恢复的瞬时弹性应变、不可恢复的瞬时塑性应变、可恢复的粘弹性应变以及不可恢复的粘塑性应变;水对岩石瞬时变形的影响主要表现在瞬时塑性应变方面,对瞬时弹性变形的影响不大;在蠕变变形方面,水对岩石黏弹性影响显著,对粘塑性应变的影响较小。根据岩石蠕变特点,选用Burgers模型描述炭质板岩流变特性,蠕变试验曲线与理论曲线吻合较好。     

单光纤压力传感器的研究

设计了一种目的在于减小传感器尺寸的单光纤结构膜片式光纤压力传感器.实验中采用62.5/125 μm多模光纤和直径为10 mm的弹性膜片,对光纤端面到膜片的距离在几种不同情况下的传感器响应特性进行了实验研究.我们通过对光纤投射到膜片上的光斑进行分析,给出了反射回光纤的有效光场分布,并利用有效光斑进行计算,而对原有理论做出了一定的修正,修正后的理论与实验的符合性比未修正前有了较大的提高.     

一种基于多铁压电纳米纤维压力传感器设计

设计了一种基于静电纺丝技术制备的多铁压电纳米纤维微压力传感器结构,对其工作原理做出了理论分析。近似平行排列的纳米纤维沉积到叉指电极上,电极材料生长于硅基底方形弹性膜片上表面,用小挠度理论设计计算了方膜结构,并对固支结构的纤维进行了力学分析。由纤维压电效应计算出传感器输出电压,并对传感器的结构尺寸进行比较分析,以提高传感器输出电压。     

基于弹性膜片的薄膜溅射式拉力传感器研究

介绍了一种基于弹性膜片结构的拉力传感器,敏感元件薄膜电阻应变栅采用离子束溅射、光刻技术与弹性体结合成一体。文中给出了传感器的基本结构及零点补偿和信号转接电路,介绍了薄膜电桥的制备过程,并对弹性体进行了仿真与分析。实验结果显示,该传感器在满量程范围内能满足设计要求,其额定载荷为850 N,灵敏度优于0.01377 mV/N。且其安全过载系数约为6.62,为同类拉力传感器的2~3倍。对传感器的标定表明,该传感器的综合误差不大于额定输出的0.013%。     

FBAR-on-diaphragm type electro-acoustic resonant micro-accelerometer: a theoretical study

We presented a theoretical study of the performance of a novel FBAR-on-diaphragm sensor-head structure for the FBAR-based electro-acoustic resonant micro-accelerometer. This structure overcomes disadvantages in the FBAR-beam structure for its limited cantilever beam thickness, and deficiencies in the embedded-FBAR structure for its complex micro-fabrication process. Its elastic diaphragm is made of silicon dioxide (SiO₂)/silicon nitride (Si₃N₄) bilayer film, which is not only more susceptible to the IC compatible integration process for the Si-based microstructure and the FBAR, but also improves sensitivity and temperature stability of the BAW accelerometer. FBAR-on-diaphragm type BAW accelerometer integrates the acceleration sensing structure, i.e., the SiO₂/Si₃N₄ bilayer diaphragm and the Si proof-mass, with the AlN FBAR electro-acoustic transducer. Preliminary performance analysis on FBAR-on-diaphragm type BAW accelerometer suggests that the FBAR-on-diaphragm structure is feasible. We obtained modal frequencies of the FBAR-on-diaphragm structure and stress distribution of the diaphragm under 0–100 g acceleration loads through the finite element modal analysis and static simulation, Applying the calculated maximum stress to the piezoelectric film in FBAR for qualitative analysis, and combining the dependency of elastic coefficient on stress in the Wurtzite AlN film calculated with the first-principle method, we roughly predicted the maximum elastic coefficient variation in the Wurtzite AlN film under different acceleration load. With the help of the RF simulation software ADS, we changed the longitudinal wave velocity corresponding to the elastic constants with variant acceleration loads. By comparing the resulted resonant frequencies of the sensor head without and with different acceleration loads, we qualitatively characterized its frequency shift and sensitivity. In our study, we gave further analysis of the simulation results. It reveals that the first-order modal frequency of the SiO₂/Si₃N₄ circular diaphragm is quite far away from the higher ones, which means less cross modal coupling. It also reveals that under the acceleration load, its resonant frequency with a quite linear acceleration–frequency shift characteristic will up-shift with the sensitivity of several KHz/g.     

Design and fabrication of novel micro electromagnetic actuator

This study designs, fabricates, and characterizes a novel micro electromagnetic actuator comprising a PDMS diaphragm, a polyimide-coated copper micro coil, and a permanent magnet. When an electrical current is passed through the micro coil, a magnetic force is induced between the coil and the magnet which causes the diaphragm to deflect, thereby creating an actuation effect. The experimental results demonstrate that the diaphragm deflection can be accurately controlled by regulating the current passed through the micro coil. It is shown that the maximum diaphragm deflection within elastic limits is 150 μm; obtained by passing a current of 0.6 A through a micro coil with a line width of 100 μm. The micro actuator proposed in this study is easily fabricated and is readily integrated with existing bio-medical chips due to its planar structure.     

Design of SAW sensor for longitudinal strain measurement with improved sensitivity

This paper presents the design of a highly sensitive surface acoustic wave (SAW)-based sensor with novel structure for the longitudinal strain measurement. The sensor utilizes thin lithium niobate (LiNbO₃) diaphragm as the sensing element rather than the bulk substrate. The application of the diaphragm effectively decreases the cross-sectional area of the strain sensitive element, and meanwhile reduces the resistance between the sensor and the specimen. The newly designed strain sensor is to operate around a frequency of 50 MHz. The insertion loss of − 12 dB and quality factor of 63 are obtained analytically from impulse-response model. The sensor performance with tensile testing of the steel beam is predicted by the finite element method. The prestressed eigenfrequency analysis is conducted with the COMSOL commercial software. The simulation shows the resonance frequency of the sensor shifts linearly with the strain induced in the testing beam. For the SAW sensor with traditional configuration applying 1 mm thick substrate, the strain sensitivity is obtained as 0.41 ppm/με. For the sensor with the novel design employing thin diaphragm with the thickness of 200 μm, the strain sensitivity is increased to 0.83 ppm/με. With the availability of the bulk micromachining of LiNbO₃, the application of the piezoelectric diaphragm as sensing element in SAW strain sensor can be an alternative way to enhance the sensor sensitivity.

     

圆平膜片弹性特性的分析及其优化设计

针对圆平膜片在传统设计中存在的计算繁琐、效率低下和精度不高等缺陷,应用ANSYS建立圆平膜片有限元模型,并提出圆平膜片弹性特性分析与优化设计的方法. 该方法用ANSYS仿真分析周边固支圆平膜片的弹性特性以及弹性体应力和位移分布情况;通过对圆平膜片的应力、应变及其静态和动态特性的计算,研究弹性体结构尺寸参数和载荷对弹性特性的影响规律;通过对模型的优化设计,使圆平膜片的性能指标得到进一步优化,弹性元件的设计精度得到提高.该方法对于仪器仪表中圆平膜片的参数优化设计具有一定指导意义和实用价值.     

基于机织结构的柔性应变传感器的设计与分析

建立机织物的等效电路模型,在导电弹性纤维材料的电阻应变效应基础上推导了机织物的电阻应变关系。设计了机织物的平纹组织结构及信号转换电路,分析了柔性应变传感器的输入输出特性与灵敏度。对机织物的结构参数分析表明,当机织物中的导电弹性纱线为并联方式时,可选用电阻率适中或较低的导电弹性纤维材料,理论上适用于任意尺寸物体的大应变检测;当机织物中的导电弹性纱线为串联方式时,只能选用电阻率较低的导电弹性纤维材料,且仅适用于较小尺寸物体的大应变检测。     

结构中埋入TiNi超弹性丝传感网络的实验研究

选择了埋入复合材料基体的TiNi超弹性丝的规格 ,并对其在相变过程中的应力 -应变 -电阻特性进行了测试 ,测试结果表明TiNi超弹性丝在相变温度tf 以上时 ,其应变 -电阻之间呈近似线性关系 ,可作为复合材料结构健康监测的信息源。介绍了基于TiNi超弹性丝传感网络的复合材料结构健康监测技术 ,并制作了用于结构损伤监测的实验构件 ,设计了具体的试验方法。模拟试验表明该方法是可行的