表面粘贴式 MEMS 应变传感器的应变传递分析.pdf

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1、第３７卷第１１期仪器仪表学报Ｖｏｌ３７Ｎｏ１１２０１６年１１月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＮｏｖ．２０１６表面粘贴式ＭＥＭＳ应变传感器的应变传递分析１１１２王彪，李昂，孙洋，刘马宝（１．西安交通大学航天航空学院西安７１００４９；２．西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安７１００４９）摘要：表面粘贴式ＭＥＭＳ应变传感器已被广泛运用于航空航天、汽车工业及土木工程等领域的应变测量和监测中。但由于粘接层的影响，结构的应变并不能全部准确、有效地传递到ＭＥＭＳ应变传感器上，造成传感器的测量值与结构的真实应变之间

2、存在一定误差。为了分析表面粘贴式ＭＥＭＳ应变传感器的应变传递机理，基于剪滞理论建立了ＭＥＭＳ应变传感器的力学分析模型，推导出基体和ＭＥＭＳ应变传感器基底上的应变分布、粘接层中的剪力分布及表征ＭＥＭＳ应变传感器应变传递效果的应变传递率，并与有限元数值模拟结果进行了比较。特别地，具体分析了粘接层及ＭＥＭＳ应变传感器基底的几何参数和物理特性参数对应变传递率的影响。结果表明，金属类粘接材料的应变传递率明显高于有机胶的应变传递率，且粘接层厚度越薄，应变传递效果越好。此外，在制造ＭＥＭＳ应变传感器时，采用厚度较薄的Ｓｉ或ＳｉＣ基底能保证较高的应变传递率。关键词：ＭＥＭＳ

3、应变传感器；粘接层；应变传递；剪滞效应；有限元法中图分类号：ＴＨ８２３Ｏ３４３文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４６０．４０２０ＳｔｒａｉｎｔｒａｎｓｆｅｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｂｏｎｄｅｄＭＥＭＳｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓ１１１２ＷａｎｇＢｉａｏ，ＬｉＡｎｇ，ＳｕｎＹａｎｇ，ＬｉｕＭａｂａｏ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ′ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＳ

4、ｔｒｅｎｇｔｈａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｘｉ′ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｕｒｆａｃｅｂｏｎｄｅｄＭＥＭＳｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｓｔｒａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈａｓａｅｒｏｓｐａｃｅ，ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｃｉｖｉｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｅｔｃ．ＴｈｅＭＥＭＳｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｂｏｎｄｅｄｏｎｈ

5、ｏｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇａｄｈｅｓｉｖｅｓ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｌａｙｅｒ，ｔｈｅｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｎｏｔｂｅｆｕｌｌｙｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｆｒｏｍｔｈｅｈｏｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｔｈｅｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｃｅｒｔａｉｎｅｒｒｏｒｅｘｉｓｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒａｎｄｔｈｅｒｅａｌｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｏａｎａｌｙｓｅｔｈｅｓｔｒａｉｎｔｒａｎｓｆｅｒｍｅ

6、ｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｂｏｎｄｅｄＭＥＭＳｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｈｅａｒｌａｇｔｈｅｏｒｙ，ａｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｂｏｎｄｅｄＭＥＭＳｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｓｔｒａｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｈｏｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｏｆｔｈｅＭＥＭＳｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｌａｙｅｒａｎｄｔｈｅｓｔｒａｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉ

7、ｏｎｒａｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇｔｈｅｓｔｒａｉｎｔｒａｎｓｆｅｒｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅＭＥＭＳｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒａｒｅｄｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｌａｙｅｒａｎｄｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｏｆｔｈｅＭＥＭＳｓｔｒａ

8、ｉｎｓｅｎｓｏｒｏｎｔｈｅｓｔｒａｉｎｔｒａｎｓｍｉ