壓電半球沖擊傳感器的仿真與分析研究

王 柱，王大志，趙奎鵬，袁鈺恒，宗浩然

（大連理工大學遼寧省微納米技術與系統重點實驗室，遼寧大連116024）

0 引言

PZT壓電厚膜具有良好電學性質和機械性質，其厚度介于薄膜和塊材之間，具有驅動能力強，靈敏度高等優點[1]。可廣泛應用于加速度傳感器[2]、能量收集器[3]、換能器[4-6]、超聲馬達等器件[7-9]。目前壓電材料作為功能層大多使用平面結構，同時凹球面結構和薄壁球殼狀也有應用于醫學上聚焦超聲換能器[10]和海洋監測中的水換能器，將曲面壓電結構應用于傳感器還可以增加傳感器靈敏方向，其具有響應快、結構簡單、可靠性強等優點。

為獲得性能良好的壓電半球沖擊傳感器，制備高質量的半球壓電厚膜具有關鍵性作用，本文采用電流體噴印工藝[11-13]制備壓電厚膜，電流體噴印技術與傳統噴印采用推的方式不同，電流體噴印技術是利用電場力將打印液體形成納米級液滴[14]，其原理是在打印針口處施加足夠高電壓，打印液體表面會產生自由電荷，這些自由電荷會在電場力作用下帶動液滴運動，針口處的液體表面產生切向應力，使得端口出的液體形成泰勒錐，尖端會導致電荷聚集電場力不斷加大會突破表面張力，形成直徑遠小于端口的射流，根據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、點紡絲、電噴印3種形式[15]，電噴打印技術技術具有良好的打印精度，其工藝適于制備復雜結構壓電厚膜，通過電噴打印技術制備的壓電厚膜厚度一般在1~100 μm，其厚度適中既能實現和基底良好結合又能具備PZT塊材的高驅動力，適用于制備復雜曲面傳感器壓電厚膜制備，與不同形狀表面結合，通過多層打印增加厚度，利用電噴打印技術可以制備得到均勻性和致密性良好的目標結構。

電流體噴印技術具有良好的可控性，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定從而得到厚度均勻的曲面壓電厚膜，最后通過燒結提高曲面壓電厚膜與基底之間的結合強度，同時獲得性質良好的壓電厚膜。本文配置了電噴打印所需PZT復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，利用磁控濺射技術在半球PZT壓電厚膜制上備上電極并進行極化，與沖擊元件配合組成傳感器內部基本結構，對此壓電半球沖擊傳感器進行仿真和測試分析。

1 壓電半球沖擊傳感器的有限元仿真

1.1 力學仿真

使用SOLIDWORKS軟件建立圖1所示的由基底、PZT厚膜、沖擊球構成的沖擊傳感元件模型，由于實際制造時PZT厚膜壓電陶瓷是通過電流體打印到基底上，使用時厚膜與基底也具有很強的結合力，故建模時將PZT厚膜與基底進行粘連。由于PZT壓電材料具有各向異性，其壓電、介電和彈性性質均用其特有屬性矩陣進行表示，其存在壓電結構耦合關系，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行劃分，沖擊球和基底采用自由劃分，調整單元尺寸控制網格的粗細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

進行穩態分析時，施加的邊界條件是基座底面固定、對沖擊球施加8 000g加速度沖擊，將PZT壓電陶瓷下表面接地，并且將球形膜設置為壓電材料，并且將壓電材料的坐標系選擇為已經定義的基矢球坐標系，來保證壓電材料的極化方向為沿球的半徑方向。由于壓電半球沖擊傳感元件具有半包圍結構，沖擊在不同沖擊角度下在壓電厚膜上均會產生應力進而產生壓電信號，為對這一想法進行驗證下面對沖擊球在90°、80°、60°和30°的角度沖擊下的厚膜應力進行仿真，仿真結果如圖2所示，可以看到不同角度沖擊下厚膜均會產生應力。

圖2 90°、80°、60°、30°沖擊應力Fig.2 Impact stress diagram of 90°，80°，60°and 30°

1.2 半球壓電厚膜應力分析

考慮到傳感器實際應用和制造難度，圓角過大時沖擊球與厚膜接觸面積減小，影響傳感器靈敏角度，故以下對傳感器基底圓角半徑進行優化。選擇基底半球直徑為8.1 mm，對應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的情況下進行沖擊應力分析，仿真結果如圖3所示。由圖可以看出，隨著圓角逐漸變大，其應力云圖中的最大應力值也逐漸增大。所以從仿真結果可以知圓角越小，其應力最大值越小。但是壓電材料在極化過程中若沒有圓角或圓角太小，則容易造成擊穿現象。故為降低壓電材料制造難度和同時盡量減小壓電膜應力集中，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時應力云圖Fig.3 Stress nephogram with fillet radius of 0.5 mm，1 mm，1.5 mm and 2 mm

1.3 靜態響應分析

分析沖擊傳感器在100g~10 000g加速度沖擊下其產生的電荷量。COMSOL在仿真壓電材料電荷量時，需要設置終端來提取壓電厚膜產生的表面電荷量，在不同沖擊加速度下對應的信號仿真結果如圖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沖擊加速度約產生113 pc的電荷量，即沖擊加速度越大，壓電膜產生的電荷量越多，這與厚膜壓電性質相符合。

圖4 不同沖擊加速度下對應信號值Fig.4 Corresponding signal values under different impact accelerations

2 壓電半球沖擊傳感器制備與測試分析

2.1 制備

首先備傳感器基底，通過機械加工獲得基底外形以及半球內凹基本形狀，利用如圖5所示電噴打印裝置進行打印，其由計算機、相機、高壓電源、控制柜、注射泵和去曲面壓電厚膜打印臺構成，由于傳感器基底為內凹形狀，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可以實現，在打印過程中實驗臺旋轉和水平垂直方向聯動保持噴印針頭與基底在等距范圍內移動，同時噴印針頭軌跡移動范圍包含整個半球基底，利用此打印臺進行打印。

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復合懸浮液置于注射器中，打印期間通過計算機控制高壓電源產生高壓，計算機通過控制柜使打印臺與噴針間形成穩定間距，由此獲得噴針與曲面基底之間穩定的電場，再控制注射泵均勻推進懸浮液即可形成穩定錐-射流[11]，此時通過相機進行觀察射流形態可進行電場調整獲得更好的打印狀態。在曲面壓電厚膜打印臺旋轉完整的一個半球周期后計算機控制注射器停止推進同時關閉高壓電源，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電荷的傳導，利用磁控濺射技術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，在極化時嚴格控制極化電場大小、溫度高低以及極化時間長短，這對壓電材料性能具有重要影響，若極化電場大于矯頑場強會導致元件擊穿，極化溫度會影響極化最終效果，采用壓電材料不同厚度對應的場強以及壓電材料極化溫度進行極化賦予壓電厚膜壓電性。

2.2 測試分析

為測試壓電半球沖擊傳感器性能，首先對極化后的傳感器基底進行壓電性測試，本文所制備的半球面壓電厚膜厚度約為50 μm，利用D33測試儀進行測試可得壓電厚膜壓電常數D33約為80 pc/N，將制備好的半球基底同傳感器外殼、沖擊質量球、預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量球同基底進行粘連，由此減少沖擊時沖擊質量球對壓電厚膜的摩擦，同時在組裝成傳感器后要對整體施加預緊力可提高靈敏度和整體結構的緊湊性。對半球傳感器進行沖擊測試，將半球沖擊傳感器置于沖擊試驗臺上施加3 000g加速度，電荷信號分別由傳感器上下電極導出，電荷信號經過電荷放大器調理變換為電壓信號，將電壓信號輸入到示波器中顯示得到如圖7所示的結果。

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

靈敏度分析：傳感器性能測試時需采用科學的方法進行對比和分析，測試靈敏度可采用標準實驗設備進行校準，在實驗室中也可選用標準傳感器進行對比測試，利用兩者對比既能探究被測傳感器性能又能更直觀對比兩者參數之間的差異。首先引入Endevco公司的2270加速度計作為對比，將2270傳感器與半球沖擊傳感器一同置于沖擊實驗臺上施加3 000g沖擊加速度，將二者的信號通過靈敏度相同的電荷放大器，二者轉化后的電壓信號大小與電荷信號大小成正比，半球沖擊傳感器電壓信號峰值為4.7 V，2270傳感器電壓信號峰值為3.4 V，由于二者通過相同的電荷放大器進行信號處理，故二者電壓信號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 結束語

本文對壓電半球沖擊傳感器進行了仿真與分析研究，建立傳感器內部結構模型，分析傳感器壓電厚膜應力情況選擇厚膜倒圓大小，初步確定傳感器在多個角度上均具有沖擊應力，沖擊電荷信號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行電流體噴印實驗保證厚膜質量，利用磁控濺射技術制備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行了極化處理，最后使用小型沖擊實驗臺和標準傳感器對半球傳感器進行測試，得到半球傳感器在3 000g加速度下的沖擊信號圖，通過標準傳感器和半球傳感器信號對比計算得到半球傳感器的靈敏度為2.86 pc/g，驗證了壓電半球沖擊傳感器的性能。