【摘要】：壓磁式力敏薄膜傳感器是近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外新興的一種傳感器。鐵基非晶薄膜因其具有良好物理化學(xué)性能和優(yōu)異的軟磁特性,正成為該類型傳感器研究的熱點(diǎn)與方向,研究其壓磁特性對(duì)開(kāi)發(fā)高性能的壓磁型傳感器具有重大意義及實(shí)用價(jià)值。本文以鐵基非晶合金薄膜為研究對(duì)象,首先較系統(tǒng)地總結(jié)了非晶合金薄膜壓磁測(cè)試方法及其力敏傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并以此為基礎(chǔ)應(yīng)用自主開(kāi)發(fā)的一套完整壓磁測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鐵基非晶合金薄膜的壓磁性能及其環(huán)境穩(wěn)定性進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究;在非晶合金表面制備了一層化學(xué)轉(zhuǎn)化膜,解決了非晶合金薄膜作為力敏傳感器的敏感元件所面臨的封裝問(wèn)題,并研究了壓磁型力敏薄膜傳感器的芯片結(jié)構(gòu)及其封裝工藝;最后,初步驗(yàn)證了該測(cè)試方法在疲勞檢測(cè)方面應(yīng)用的可行性。(1)在壓磁特性開(kāi)放式測(cè)量裝置的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了閉合式測(cè)試系統(tǒng),解決了測(cè)試系統(tǒng)易受外界環(huán)境干擾的問(wèn)題,并提升了測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度。測(cè)試系統(tǒng)受外界電磁場(chǎng)影響的距離由原有的15 mm縮減到2 mm;另外,在電感式壓磁測(cè)試方法基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了可以更直觀準(zhǔn)確地反映薄膜的壓磁性能變化情況的直接測(cè)量方法。(2)退火處理工藝對(duì)鐵基非晶合金薄膜的壓磁性能具有顯著影響。Fe_(78)Si_(13)B_9,Fe_(73.5)Cu_lNb_3Si_(13.5)B_9及Fe_(71.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9V_2三種非晶合金薄膜的最佳退火溫度分別為400℃,550℃,300℃,其對(duì)應(yīng)薄膜的SI_(Max)分別為0.5907、1.2998、0.1833。在相同退火處理工藝及測(cè)試條件下,Fe_(73.5)Cu_lNb_3Si_(13.5)B_9薄膜具有更優(yōu)異的壓磁性能。鐵基薄膜對(duì)微小應(yīng)力敏感,薄膜的應(yīng)力敏感區(qū)間約在0~1.5 kPa之間。(3)Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶合金薄膜在0~0.6 kPa壓力帶,薄膜電感值隨薄膜受到的壓應(yīng)力增大而顯著上升,即具有“正壓磁效應(yīng)”,其當(dāng)壓應(yīng)力σ=0.6kPa時(shí),SI值5.5%;環(huán)境溫度對(duì)壓磁效應(yīng)靈敏度有顯著影響,在20~30℃范圍內(nèi),壓磁效應(yīng)和靈敏度穩(wěn)定性最好。(4)薄膜的壓磁效應(yīng)與拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力方向θ相關(guān)。當(dāng)合力方向?yàn)檠刂∧し较虻睦瓚?yīng)力時(shí),薄膜表現(xiàn)為正的壓磁效應(yīng),否則呈現(xiàn)出負(fù)的壓磁效應(yīng)。Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶合金薄膜經(jīng)過(guò)退火處理后,薄膜內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化,壓磁效應(yīng)的特征也會(huì)發(fā)生顯著變化。當(dāng)退火溫度≥350℃時(shí),薄膜的壓磁效應(yīng)類型由“正壓磁效應(yīng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤柏?fù)壓磁效應(yīng)”。(5)通過(guò)轉(zhuǎn)化反應(yīng)成功地在Fe_(71.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9V_2非晶合金薄膜表面制得了一種表面平整、均勻、主要成份為Cu_(0.86)Fe_(2.14)O_4和(Cu_(0.18)Fe_(0.82))Cu_(0.82)Fe_(1.18)O_4的內(nèi)生轉(zhuǎn)化膜,相應(yīng)地其薄膜厚度約被等效地減薄了6~8μm。表面處理的最佳反應(yīng)時(shí)間為15 min。表面處理后的薄膜與高分子樹(shù)脂具有良好的浸潤(rùn)性,容易被環(huán)氧樹(shù)脂封裝。(6)研究了傳感器的芯片結(jié)構(gòu)及封裝工藝對(duì)其測(cè)試性能的影響。在應(yīng)力加載為0~3 kPa范圍內(nèi),各結(jié)構(gòu)芯片的傳感器均具有良好的應(yīng)力敏感性,對(duì)外呈現(xiàn)為正壓磁效應(yīng)現(xiàn)象。測(cè)試頻率為1 kHz時(shí),單層結(jié)構(gòu)芯片的傳感器壓磁性能最優(yōu),其SI_(Max)表征值為1.696,靈敏度K_(Max)為3.106;測(cè)試頻率為10 kHz時(shí),三層結(jié)構(gòu)芯片的傳感器壓磁效應(yīng)值最大。(7)應(yīng)用非晶合金薄片與碳纖維制備而成的復(fù)合材料具有良好的力敏特征。復(fù)合材料材料壓磁特征與外加拉應(yīng)力具有明顯單調(diào)相關(guān)關(guān)系,壓磁特性數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定性較高。材料的K---t曲線可以直觀地反映材料內(nèi)部應(yīng)力的突變情況。應(yīng)用此復(fù)合材料制作的敏感貼片可以在一定程度上反映材料的失效問(wèn)題。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.2;TP212
【圖文】：

圖 1.1 壓力傳感器發(fā)展[19]Fig. 1.1 Development of pressure sensor力敏傳感器的基本原理是通過(guò)敏感元件感知應(yīng)力、壓力等力學(xué)信號(hào)的過(guò)信號(hào)處理單元轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號(hào)的變化。按照其工作原理進(jìn)行分類敏傳感器分為壓電式、壓阻式、電感式、電容式、光纖式及壓磁式力。壓電式力敏傳感器是指應(yīng)用材料的壓電效應(yīng)(正壓電效應(yīng)，見(jiàn)圖 1.2壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為敏感元件兩端電信號(hào)變化的傳感器。

圖 1.1 壓力傳感器發(fā)展[19]Fig. 1.1 Development of pressure sensor力敏傳感器的基本原理是通過(guò)敏感元件感知應(yīng)力、壓力等力學(xué)信號(hào)的變通過(guò)信號(hào)處理單元轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號(hào)的變化。按照其工作原理進(jìn)行分類，力敏傳感器分為壓電式、壓阻式、電感式、電容式、光纖式及壓磁式力敏器。壓電式力敏傳感器是指應(yīng)用材料的壓電效應(yīng)(正壓電效應(yīng)，見(jiàn)圖 1.2)，界壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為敏感元件兩端電信號(hào)變化的傳感器。

第 1章 緒論輸出的特點(diǎn)。因此，壓電式力敏傳感器不具備靜態(tài)量。另外，壓電式力敏傳感器在應(yīng)用時(shí)往往需要配了其使用成本。敏傳感器是應(yīng)用材料的壓阻效應(yīng)制備而成的一種傳的一種力敏傳感器。壓阻傳感器在使用過(guò)程中其敏的，因此往往與集成電路技術(shù)相配合。1954 年，S硅中存在壓阻效應(yīng)[22]：外加應(yīng)力會(huì)使材料產(chǎn)生應(yīng)變距發(fā)生改變，從而使得帶隙寬度發(fā)生改變最終影響敏感芯片是采用貼片形式，性能相對(duì)較差且難以集出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)壓阻傳感器的弊端，并實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量[23外界溫度的干擾，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

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本文編號(hào)：2806239