压电半球冲击传感器的仿真与分析研究

王 柱，王大志，赵奎鹏，袁钰恒，宗浩然

（大连理工大学辽宁省微纳米技术与系统重点实验室，辽宁大连116024）

0 引言

PZT压电厚膜具有良好电学性质和机械性质，其厚度介于薄膜和块材之间，具有驱动能力强，灵敏度高等优点[1]。可广泛应用于加速度传感器[2]、能量收集器[3]、换能器[4-6]、超声马达等器件[7-9]。目前压电材料作为功能层大多使用平面结构，同时凹球面结构和薄壁球壳状也有应用于医学上聚焦超声换能器[10]和海洋监测中的水换能器，将曲面压电结构应用于传感器还可以增加传感器灵敏方向，其具有响应快、结构简单、可靠性强等优点。

为获得性能良好的压电半球冲击传感器，制备高质量的半球压电厚膜具有关键性作用，本文采用电流体喷印工艺[11-13]制备压电厚膜，电流体喷印技术与传统喷印采用推的方式不同，电流体喷印技术是利用电场力将打印液体形成纳米级液滴[14]，其原理是在打印针口处施加足够高电压，打印液体表面会产生自由电荷，这些自由电荷会在电场力作用下带动液滴运动，针口处的液体表面产生切向应力，使得端口出的液体形成泰勒锥，尖端会导致电荷聚集电场力不断加大会突破表面张力，形成直径远小于端口的射流，根据喷针与基底之间的距离不同以及喷印的材料不同，可以形成电喷雾、点纺丝、电喷印3种形式[15]，电喷打印技术技术具有良好的打印精度，其工艺适于制备复杂结构压电厚膜，通过电喷打印技术制备的压电厚膜厚度一般在1~100 μm，其厚度适中既能实现和基底良好结合又能具备PZT块材的高驱动力，适用于制备复杂曲面传感器压电厚膜制备，与不同形状表面结合，通过多层打印增加厚度，利用电喷打印技术可以制备得到均匀性和致密性良好的目标结构。

电流体喷印技术具有良好的可控性，通过增材制造方式使得压电材料与基底紧密贴合，保持喷针与基底之间的距离稳定从而得到厚度均匀的曲面压电厚膜，最后通过烧结提高曲面压电厚膜与基底之间的结合强度，同时获得性质良好的压电厚膜。本文配置了电喷打印所需PZT复合悬浮液并制备了半球压电厚膜，喷印的基底作为传感元件下电极，利用磁控溅射技术在半球PZT压电厚膜制上备上电极并进行极化，与冲击元件配合组成传感器内部基本结构，对此压电半球冲击传感器进行仿真和测试分析。

1 压电半球冲击传感器的有限元仿真

1.1 力学仿真

使用SOLIDWORKS软件建立图1所示的由基底、PZT厚膜、冲击球构成的冲击传感元件模型，由于实际制造时PZT厚膜压电陶瓷是通过电流体打印到基底上，使用时厚膜与基底也具有很强的结合力，故建模时将PZT厚膜与基底进行粘连。由于PZT压电材料具有各向异性，其压电、介电和弹性性质均用其特有属性矩阵进行表示，其存在压电结构耦合关系，选取PZT厚膜为SOLID5单元类型，选取冲击球和基底为SOLID45六面体单元类型。PZT厚膜通过扫略方式进行划分，冲击球和基底采用自由划分，调整单元尺寸控制网格的粗细以满足仿真的精度要求。

图1 压电半球冲击传感元件模型Fig.1 Model of piezoelectric hemispher ical impact sensor

进行稳态分析时，施加的边界条件是基座底面固定、对冲击球施加8 000g加速度冲击，将PZT压电陶瓷下表面接地，并且将球形膜设置为压电材料，并且将压电材料的坐标系选择为已经定义的基矢球坐标系，来保证压电材料的极化方向为沿球的半径方向。由于压电半球冲击传感元件具有半包围结构，冲击在不同冲击角度下在压电厚膜上均会产生应力进而产生压电信号，为对这一想法进行验证下面对冲击球在90°、80°、60°和30°的角度冲击下的厚膜应力进行仿真，仿真结果如图2所示，可以看到不同角度冲击下厚膜均会产生应力。

图2 90°、80°、60°、30°冲击应力Fig.2 Impact stress diagram of 90°，80°，60°and 30°

1.2 半球压电厚膜应力分析

考虑到传感器实际应用和制造难度，圆角过大时冲击球与厚膜接触面积减小，影响传感器灵敏角度，故以下对传感器基底圆角半径进行优化。选择基底半球直径为8.1 mm，对应压电厚膜选择直径为8 mm、厚度为50 μm，厚膜圆角半径分别为0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm的情况下进行冲击应力分析，仿真结果如图3所示。由图可以看出，随着圆角逐渐变大，其应力云图中的最大应力值也逐渐增大。所以从仿真结果可以知圆角越小，其应力最大值越小。但是压电材料在极化过程中若没有圆角或圆角太小，则容易造成击穿现象。故为降低压电材料制造难度和同时尽量减小压电膜应力集中，最终圆角半径选择为1 mm。

图3 圆角半径为0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm时应力云图Fig.3 Stress nephogram with fillet radius of 0.5 mm，1 mm，1.5 mm and 2 mm

1.3 静态响应分析

分析冲击传感器在100g~10 000g加速度冲击下其产生的电荷量。COMSOL在仿真压电材料电荷量时，需要设置终端来提取压电厚膜产生的表面电荷量，在不同冲击加速度下对应的信号仿真结果如图4所示。由图可知，电荷量的大小与冲击加速度的大小成正比，每100g冲击加速度约产生113 pc的电荷量，即冲击加速度越大，压电膜产生的电荷量越多，这与厚膜压电性质相符合。

图4 不同冲击加速度下对应信号值Fig.4 Corresponding signal values under different impact accelerations

2 压电半球冲击传感器制备与测试分析

2.1 制备

首先备传感器基底，通过机械加工获得基底外形以及半球内凹基本形状，利用如图5所示电喷打印装置进行打印，其由计算机、相机、高压电源、控制柜、注射泵和去曲面压电厚膜打印台构成，由于传感器基底为内凹形状，为保证半球压电厚膜厚度均匀，需要喷针与基底之间距离保持恒定，利用曲面压电厚膜打印台可以实现，在打印过程中实验台旋转和水平垂直方向联动保持喷印针头与基底在等距范围内移动，同时喷印针头轨迹移动范围包含整个半球基底，利用此打印台进行打印。

图5 电喷打印装置Fig.5 Schematic diagram of EFI printing device

首先将半球基底定位，打印前将PZT复合悬浮液置于注射器中，打印期间通过计算机控制高压电源产生高压，计算机通过控制柜使打印台与喷针间形成稳定间距，由此获得喷针与曲面基底之间稳定的电场，再控制注射泵均匀推进悬浮液即可形成稳定锥-射流[11]，此时通过相机进行观察射流形态可进行电场调整获得更好的打印状态。在曲面压电厚膜打印台旋转完整的一个半球周期后计算机控制注射器停止推进同时关闭高压电源，打印多层后获得如图6所示半球形压电厚膜。

图6 打印后的PZT厚膜Fig.6 PZT thick film after printing

为使压电厚膜具有压电性需要进行极化处理，制备电极的目的包括完成极化以及传感器在使用时电荷的传导，利用磁控溅射技术在曲面压电厚膜先溅射30 nm金属Ti作为过渡层金属，再溅射200 nm金属Pt作为上电极表面层金属，在极化时严格控制极化电场大小、温度高低以及极化时间长短，这对压电材料性能具有重要影响，若极化电场大于矫顽场强会导致元件击穿，极化温度会影响极化最终效果，采用压电材料不同厚度对应的场强以及压电材料极化温度进行极化赋予压电厚膜压电性。

2.2 测试分析

为测试压电半球冲击传感器性能，首先对极化后的传感器基底进行压电性测试，本文所制备的半球面压电厚膜厚度约为50 μm，利用D33测试仪进行测试可得压电厚膜压电常数D33约为80 pc/N，将制备好的半球基底同传感器外壳、冲击质量球、预紧力压块等组装成半球冲击传感器，为提高传感器使用寿命需将冲击质量球同基底进行粘连，由此减少冲击时冲击质量球对压电厚膜的摩擦，同时在组装成传感器后要对整体施加预紧力可提高灵敏度和整体结构的紧凑性。对半球传感器进行冲击测试，将半球冲击传感器置于冲击试验台上施加3 000g加速度，电荷信号分别由传感器上下电极导出，电荷信号经过电荷放大器调理变换为电压信号，将电压信号输入到示波器中显示得到如图7所示的结果。

图7 传感器冲击信号Fig.7 Shock signal diagram of sensor

灵敏度分析：传感器性能测试时需采用科学的方法进行对比和分析，测试灵敏度可采用标准实验设备进行校准，在实验室中也可选用标准传感器进行对比测试，利用两者对比既能探究被测传感器性能又能更直观对比两者参数之间的差异。首先引入Endevco公司的2270加速度计作为对比，将2270传感器与半球冲击传感器一同置于冲击实验台上施加3 000g冲击加速度，将二者的信号通过灵敏度相同的电荷放大器，二者转化后的电压信号大小与电荷信号大小成正比，半球冲击传感器电压信号峰值为4.7 V，2270传感器电压信号峰值为3.4 V，由于二者通过相同的电荷放大器进行信号处理，故二者电压信号峰值之比即为二者电荷灵敏度之比，2270传感器灵敏度为2.072 pc/g，换算可得半球冲击传感器灵敏度为2.86 pc/g。

3 结束语

本文对压电半球冲击传感器进行了仿真与分析研究，建立传感器内部结构模型，分析传感器压电厚膜应力情况选择厚膜倒圆大小，初步确定传感器在多个角度上均具有冲击应力，冲击电荷信号大小与冲击加速度成正比，利用电流体喷印的方式制备了传感器压电厚膜，采用电喷打印装置进行电流体喷印实验保证厚膜质量，利用磁控溅射技术制备30 nm金属Ti作为过渡层金属，再溅射200 nm金属Pt作为上电极表面层金属上电极并进行了极化处理，最后使用小型冲击实验台和标准传感器对半球传感器进行测试，得到半球传感器在3 000g加速度下的冲击信号图，通过标准传感器和半球传感器信号对比计算得到半球传感器的灵敏度为2.86 pc/g，验证了压电半球冲击传感器的性能。