CN112462157A - 提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，包括对裂纹传感元件中压电材料在基底上的位置进行定位，包括：计算裂纹传感元件基底上裂纹尖端应力场内的最大正应力大小；计算求得最大正应力矢量方向；根据上述最大正应力大小，得出平面应力状态下基底上裂纹尖端应力场内最大正应力的分布等值线；根据所述分布等值线以及压电材料的长度，在裂纹尖端区域内选择相应长度的最大正应力分布等值线，并调整压电材料摆放曲线的位置，使其垂直于最大正应力矢量方向。通过本发明的方法所得到的压电材料最佳摆放位置可以使压电材料有更高的电荷输出，极大地提高了裂纹传感元件的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微传感制造技术领域，具体涉及一种提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，包括裂纹传感元件中压电材料最佳摆放位置的确定方法及压电材料的嵌入方法。
背景技术
裂纹传感元件中，压电材料是集成振动信号高精度检测与机械能高效俘获功能的微型器件中影响感知与续航能力的关键，其摆放在基底材料中的位置和制备工艺是影响元件性能的重要因素，现有技术并未涉及该方面的研究。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法及嵌入方法，以解决现有技术中的问题，该定位方法所确定的压电材料摆放位置能够最大化压电材料的电荷输出，该嵌入方法可以使压电材料与基底之间存在较低的耦合关系。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一实施例中，提供了一种提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，包括对裂纹传感元件中压电材料在基底上的位置进行定位(定位方法)，包括：
计算裂纹传感元件基底上裂纹尖端应力场内的最大正应力大小；
计算求得最大正应力矢量方向；
根据上述最大正应力大小，得出平面应力状态下基底上裂纹尖端应力场内最大正应力的分布等值线；
根据所述分布等值线以及压电材料的长度，在裂纹尖端区域内选择相应长度的最大正应力分布等值线，并调整压电材料摆放曲线的位置，使其垂直于最大正应力矢量方向。
作为本发明的进一步改进，根据断裂力学I型裂纹尖端应力场公式以及平面应力公式计算最大正应力大小。
作为本发明的进一步改进，断裂力学I型裂纹尖端应力场公式为：
其中，σx、σy、τxy分别表示x方向应力，y方向应力和切应力，
表示I型裂纹的应力强度因子，在以裂纹尖端为极坐标原点情况下，尖端附近某一点的极坐标可以表示为(r，θ)。
作为本发明的进一步改进，计算裂纹传感元件基底上裂纹尖端应力场内最大正应力的公式为：
作为本发明的进一步改进，最大正应力矢量方向的公式为：
其中，α0和α0+90°确定两个互相垂直的平面，一个是最大正应力所在的平面，另一个是最小正应力所在的平面。
作为本发明的进一步改进，最大正应力矢量方向的判断条件包括：若约定|α0|<90°，即α0取值在±90°范围内，当σx>σy时，σx与σmax之间的夹角对应绝对值较小α0；当σx<σy时，σx与σmax之间的夹角对应绝对值较大α0。
作为本发明的进一步改进，还包括(嵌入方法)：
根据裂纹尖端应力场内最大正应力分布等值线确定压电材料摆放位置和摆放形状后，在基底上开设相应的沿厚度方向贯穿基底的凹槽；
将压电材料放入所述凹槽内且部分突出基底一侧，在所述凹槽的剩余空间内填入液态环氧树脂并固化；
在压电材料突出基底的部分设置输出电极。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽通过铣刀铣削的方式加工形成。
作为本发明的进一步改进，所述压电材料的上下表面分别通过沉积、蒸镀、溅镀或刷涂的方式形成有导电层。
作为本发明的进一步改进，所述输出电极通过导电银浆、导电银胶或铜箔胶带黏附于所述压电材料的上下表面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
(1)通过本发明的定位方法所得到的压电材料最佳摆放位置可以使压电材料有更高的电荷输出，极大地提高了裂纹传感元件的灵敏度。
(2)本发明所提出的压电材料嵌入基底中的方法可以将压电材料以想要的摆放位置及形状放置于基底中，并且压电材料可以完美的贴合于基底中，减少压电材料表面应力损失。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施方式中裂纹尖端应力场内最大正应力分布等值线示意图；
图2是裂纹传感元件基底图；
图3是压电材料放入基底凹槽后的示意图；
图4是裂纹传感元件基底中嵌入压电材料后的部分三维示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
压电材料嵌入基底后，在z轴方向(垂直于压电材料表面方向，即压电材料厚度方向)所对应的面尺寸远远大于x，y轴方向上面的尺寸，因此压电材料主要承受z轴方向的压力，且可由下式计算出压电材料的输出电荷：
Q＝d33Aσ
式中d33为压电应变常数，A为压电材料面积，σ为垂直于压电材料表面的应力。
因此，在压电材料面积一定的情况下，要使得压电材料的输出电荷最大，则需要垂直于压电材料表面的应力达到最大，而当压电材料嵌入基底前，则需要在基底上得出裂纹尖端应力场内最大正应力分布等值线。
本申请一实施例提供了一种裂纹传感元件中压电材料位置的定位方法，包括：
(1)根据断裂力学I型裂纹尖端应力场公式计算裂纹传感元件缝尖端区域应力场大小，具体公式为：
式中σx、σy、τxy分别表示x方向应力，y方向应力和切应力，
表示I型裂纹的应力强度因子，在以裂纹尖端为极坐标原点情况下，尖端附近某一点的极坐标可以表示为(r，θ)。
(2)通过平面应力状态分析，计算基底裂纹尖端应力场最大主应力方向和大小，确定压电材料的最佳摆放位置。
当压电材料嵌入基底裂纹尖端应力场内时，其上任意一点任意方向上的应力可以表示成
上式中：σα为正应力，τα为切应力，由于压电材料表面输出的电荷量与垂直于表面的应力成正比，因此，垂直于压电材料表面上应力的分量越大，则表面输出电荷越大。
在已知裂纹尖端应力场某一点的位置后，要使该点处压电材料的电荷输出最大，则该点处的正应力应取得最大值，并且压电材料摆放形状的法向方向需沿着该点最大正应力的方向。
对上述公式进一步推导，可得最大最小正应力，具体公式可以表示为：
极值面的方位可以由下式得出：
极值面所在角度为：
α0和α0+90°确定两个互相垂直的平面，一个是最大正应力所在的平面，另一个是最小正应力所在的平面。
最大正应力角度可以由以下关系确定，若约定|α0|<90°即α0取值在±90°范围内，当σx>σy时，σx与σmax之间的夹角对应绝对值较小α0；当σx<σy时，σx与σmax之间的夹角对应绝对值较大α0。
(3)根据(1)和(2)中的分析，得出平面应力状态下裂纹尖端应力场最大正应力的分布等值线和矢量方向。由于裂纹尖端的不稳定性，压电材料的摆放位置需离尖端一定距离，在给定压电材料的长度及摆放区域后，分析在该区域内压电材料最佳的摆放位置。
本申请中的裂纹传感元件包括基底，I形裂纹，压电材料和输出电极。压电材料位于基底裂纹尖端应力场内，输出电极粘附于压电材料的上下表面。
基底裂纹尖端应力场内，根据压电材料摆放的位置形状，通过铣刀铣削的方式加工出该形状的凹槽，该凹槽在基底厚度方向完全贯穿。
压电材料为聚偏氟乙烯压电薄膜材料、锆钛酸铅压电薄膜材料、氧化锌压电薄膜材料以及一些压电聚合物柔性压电薄膜材料中的一种。
压电材料表面的导电层通过沉积、蒸镀、溅镀或刷涂等方法中的一种制备而成。
压电材料表面设有金属镀层，金属镀层可以为金、银、铜、铂等金属中的一种。
输出电极为金、银、铜、铂、石墨等各种导电材料中的一种。
输出电极通过导电银浆将其黏附于压电材料的上下表面。
本申请一实施例提供了一种裂纹传感元件中压电材料的嵌入方法，包括以下步骤：
使用铣刀在基底裂纹尖端附近铣削出压电材料最佳摆放位置形状的凹槽。
将压电材料以凹槽的形状放入基底中，使用液态环氧树脂将剩余空隙部分填充，并对其进行进一步固化处理。
将输出电极通过导电银浆粘附在剩余突出部分的压电材料上下表面。
实施例1：
在给定基底尺寸情况下，求得I裂纹尖端应力场，公式如下：
在应力场公式基础上，对其进行平面应力状态分析。
如图1所示，根据压电材料的长度在裂纹尖端区域内选择相应长度的最大正应力分布等值线，并调整压电材料摆放曲线的位置使其垂直于最大正应力方向。
当确定裂纹尖端应力场最大正应力方向分布后，将压电材料沿着垂直于最大应力方向曲线摆放，此时，垂直于压电材料上的应力为最大值，根据压电材料输出电荷公式，该摆放位置的输出电荷即为最大值。
在确定压电材料裂纹尖端应力场内摆放位置后，需要将压电材料嵌入基底中，以下将结合附图并举实施例对本发明做进一步进行详细说明。
如图2所示，基底主要由环氧树脂板1构成，基底上开设有I型裂纹2和凹槽3；其中，凹槽3的形状为上述分析获得的压电材料最佳摆放位置形状，凹槽3通过铣刀在基底I型裂纹2尖端附近铣削出压电材料4最佳摆放位置形状，并基底厚度方向完全贯穿。
进一步，如图3所示将压电材料4放入凹槽3中，凹槽3内剩余空隙使用液态环氧树脂填充并进行固化。
进一步，如图4所示，将输出电极5通过导电银浆6黏附于突出基底部分的压电材料4，其中导电银浆6也可以替换为导电银胶、铜箔胶带等。
在本发明的一个较佳实施例中，压电材料4的厚度小于凹槽3的厚度，压电材料4的长度与凹槽3的长度一致，压电材料4的宽度高于基底的厚度。在本实施例中，凹槽3通过直径100um到200um的铣刀铣削而成，压电材料4的长度为4000um到8000um，厚度为28um到100um。
本实施例对用环氧树脂材料为固化材料进行详细说明，采用环氧树脂材料填充凹槽3时，将凹槽的一面密封，从另一面灌入液态环氧树脂，之后在30℃-50℃的状态下加热12小时，以使得环氧树脂呈现完全固化状态。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于，包括对裂纹传感元件中压电材料在基底上的位置进行定位，包括：
计算裂纹传感元件基底上裂纹尖端应力场内的最大正应力大小；
计算求得最大正应力矢量方向；
根据上述最大正应力大小，得出平面应力状态下基底上裂纹尖端应力场内最大正应力的分布等值线；
根据所述分布等值线以及压电材料的长度，在裂纹尖端区域内选择相应长度的最大正应力分布等值线，并调整压电材料摆放曲线的位置，使其垂直于最大正应力矢量方向。
2.根据权利要求1所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于，根据断裂力学I型裂纹尖端应力场公式以及平面应力公式计算最大正应力大小。
3.根据权利要求2所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于，断裂力学I型裂纹尖端应力场公式为：
其中，σx、σy、τxy分别表示x方向应力，y方向应力和切应力，
表示I型裂纹的应力强度因子，在以裂纹尖端为极坐标原点情况下，尖端附近某一点的极坐标可以表示为(r，θ)。
4.根据权利要求3所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于，计算裂纹传感元件基底上裂纹尖端应力场内最大正应力的公式为：
5.根据权利要求3所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于，最大正应力矢量方向的公式为：
其中，α0和α0+90°确定两个互相垂直的平面，一个是最大正应力所在的平面，另一个是最小正应力所在的平面。
6.根据权利要求5所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于，最大正应力矢量方向的判断条件包括：若约定|α0|<90°，即α0取值在±90°范围内，当σx>σy时，σx与σmax之间的夹角对应绝对值较小α0；当σx<σy时，σx与σmax之间的夹角对应绝对值较大α0。
7.根据权利要求1-6任一所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于，还包括：
根据裂纹尖端应力场内最大正应力分布等值线确定压电材料摆放位置和摆放形状后，在基底上开设相应的沿厚度方向贯穿基底的凹槽；
将压电材料放入所述凹槽内且部分突出基底一侧，在所述凹槽的剩余空间内填入液态环氧树脂并固化；
在压电材料突出基底的部分设置输出电极。
8.根据权利要求7所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于：所述凹槽通过铣刀铣削的方式加工形成。
9.根据权利要求7所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于：所述压电材料的上下表面分别通过沉积、蒸镀、溅镀或刷涂的方式形成有导电层。
10.根据权利要求7所述的提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法，其特征在于：所述输出电极通过导电银浆、导电银胶或铜箔胶带黏附于所述压电材料的上下表面。
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