微位移傳感器的設計與仿真范文

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《電子測量技術雜志》2016年第8期

摘要：

在光電子器件封裝中，光纖組件和陣列波導芯片之間微小位移的檢測對封裝效率有很大的影響。分析了目前光電子封裝存在的問題，并對幾種位移測量方法進行了比較，提出了基于電阻應變式一維位移傳感器結構。首先，對位移傳感器結構進行了理論上的分析，得到了微位移與應變的關系式；然后，采用ANSYS有限元分析軟件對傳感器的結構的進行仿真分析，得到位移與應變之間的仿真值；最后，把理論上的分析值與仿真得到的結果進行比較分析。結果表明，新型傳感器能夠檢測微米級位移，通過優化彈性薄片的結構和改變施力點的位置，可以有效的提高傳感器的靈敏度。

關鍵詞：

光電子器件；傳感器；ANSYS有限元分析；微位移

1引言

集成光電子技術是光纖通信的基礎，其顯著提高了光信息處理速度和容量，是支撐下一代光纖通信快速發展的關鍵器件［1］。而光電子封裝是制約光電子器件發展應用的一個瓶頸［2－3］，目前的封裝方法主要是采用機器視覺進行觀測，并估算出相對間隙，這種方法存在以下兩個問題：1）因為光學本身的原因，視覺系統本身的分辨率低，精度不夠；2）視覺系統檢測屬于間接性的測量，無法實時的完成分析檢測。因此，研究耦合界面接觸時產生的微位移，對于光電子封裝的效率具有重要意義，一方面可以提高了耦合封裝時端面的對準精度；另一方面也可以與運動構成閉環控制，對于提高光電子封裝的性能和后續封裝速度具有促進作用。可見，在光電子器件中對微位移的檢測是至關的重要，為了更好地實現微位移測量的實際需要，近年來也發展出了各種類型的位移傳感器，比如電容位移傳感器［4］，具有結構簡單，分辨率高、動態反應快等特點，但是其存在寄生和分布電容、存在非線性誤差等影響測量精度；電感位移傳感器［5］，具有靈敏度高、測量范圍廣、抗干擾能力強等優點，但是其頻率響應低，制作成本相對較高；光電式位移傳感器［7－8］，測量精度高、工作較穩定，但是其設計的技術難度比較大，成本較高。而對于電阻應變式位移傳感器［6］來說，其具有較高的靈敏度、結構簡單、線性度好、工作穩定，而且設計成本較低等優點。結合光電子器件封裝特點以及存在的問題，最終采用了電阻應變片位移傳感器來對陣列光纖與波導芯片之間的位移進行檢測，其測量基本原理是利用應變片響應的應變與位移一一對應關系，來進行標定實現其測量。

2光電子封裝的基本原理

光電子封裝是將輸入陣列光纖、波導功能芯片和輸出陣列光纖實現模場匹配的對準耦合，并釆用膠固化技術或爆接技術將各個模塊精確固化，獲得器件完整功能的生產過程，封裝結構如圖1所示。陣列光纖與波導芯片之間的耦合對準是封裝過程中的關鍵，兩者耦合間距非常小，僅為十幾微米，填充的UV膠量約為幾十納升。如果耦合距離過大，會導致膠量過多進而引起耦合損耗增加，反之，耦合距離過小會導致UV膠量過少固化的強度不足，影響光電子器件的穩定性。由于耦合界面間的距離調整往往是依靠人的眼睛在顯微鏡下主觀性的判斷，偶然性較大，并且數據無法量化，調整難度大。因此，為了更好地測算出兩者之間的間距，設計了一種一維微位移傳感器結構，如圖1安裝所示，在A、B處安裝傳感器，在A處的傳感器可以檢測到波導芯片與輸入陣列光纖之間的力以及微位移，同理在B處的傳感器也能檢測到波導芯片與陣列光纖的力以及微位移。通過傳感器測量的優點體現為：一方面可以對間距進行量化，另一方面也可以實現時時檢測，真正實現波導芯片與陣列光纖的間距可控。為了測量耦合界面接觸壓力以及微位移，可以在陣列光纖夾具上安裝傳感器，傳統的傳感器結構如圖2所示。電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應將應變轉化為電阻變化的傳感器［9］。在對傳感器施加外力作用時，產生微小機械變形，應變片隨著被測對象發生變化而變化，此刻應變片電阻值也發生相應改變，當測得應變片電阻值改變量為ΔR時，知道其靈敏系數便可知被測對象的應變值［10］：dLL＝εΔRR＝Kε（1）式中：R為電阻值（Ω）；K為靈敏系數；ε為金屬絲材料的應變值；L為金屬絲的長度（m）；dL為伸長量（m）。傳統傳感器是一種結構簡單、應變片容易黏貼的位移傳感器。但在測位移時，在傳感器的末端作用點上施加一個作用力F時，會在末端產生一個很大的位移，在測量微小位移情況下，這個結構效果不是很好，為了能夠提高傳感器測量靈敏度，所以必須進行結構上的改進。在懸臂梁傳感器的基礎上進行部分優化，在懸臂梁中心處開一圓形孔，通過仿真測量計算，總體效果并不是有明顯的改善。因此，為了更好地實現對微小位移的檢測，提出了一種新型傳感器結構。

3新型傳感器結構的設計與分析

通過增加應變片的值，提高傳感器的靈敏度，設計了一種新型傳感器結構如圖3所示，在矩形截面梁上開兩端不對稱的槽，在靠近施力點一端開上下對稱槽，作用近似為一固定軸；在另一端設計為一薄片，為應變值最大處。在作用點施加作用力F時，使得薄片處應變最大，此處上表面受壓應力，下表面受拉應力，所以在其上表面和下表面各貼一個應變片A和B，當應變梁發生形變，使得應變梁上A、B應變片電阻發生變化，橋式電路電橋平衡被打破，轉化為電壓信號。在圖2所示的結構中，“U”型槽薄且間距短，在微小力的作用下，其位移量較小，因此在理論分析中忽略其位移變化，將其近似成一固定軸；水平剛性體相對于“U”型槽厚度及彈性體薄片較厚，相對形變較小，近似看作剛性體；彈性薄片很薄，且水平剛性體發生形變小，因此在分析受力過程中可以忽略彈性薄片對應變的影響。假設固定軸距離右側薄板距離為L1，施力點最大位移處距離為L2，作用力為F1，最大應變處力大小為F2，Δs為最大位移量，Δy為施力點最大位移量：Δy＝L2L1•Δs（2）b為薄的彈性片寬度，h為厚度，l為長度，E為彈性模量，則最大位移變化量為公式：Δs＝4F2l3bh3E（3）薄彈性片的支撐力約為F3，方向與最大應變處力F2大小相等方向相反，l′為應變片中心點到最大位移處距離，最大貼應變片處應變公式［6］：ε＝6F3（l－l′）bh2E（4）由式（2）～（4）得式（5）：Δy＝L2L1•2l3ε3（l－l′）h（5）

4彈性體有限元仿真分析

由于實驗可以布置的測點數量有限，而仿真可以得到整個結構的力學參數，故通過仿真替代實驗對理論公式關于實際結構的適用性進行分析［11］。采用ANSYS有限元軟件對彈性體整體結構進行有限元靜態分析，在應變分析求取方面具有高度可信的仿真結果。傳感器設計為85mm×10mm×10．2mm長方體結構，施力面小圓柱凸起R1＝2．5mm，高度為1mm；靠近施力面上下對稱“U”型槽，切除的結構構成：長方體長寬高2mm×10mm×3．6mm，半圓R1＝1mm，離左側固定端5mm，剩余輔助彈性體厚度為1mm；右邊部分結構構成：上下四分之一半圓，半徑均為5mm，薄彈性體長寬厚6mm×10mm×0．2mm。通過ANSYS有限元軟件可以確定其結構應變量，同時對施力點位移變化情況進行分析，并對應變片進行精確定位貼片，更能直觀地找出彈性體結構中最敏感部位。

4．1網格劃分

本彈性體結構采用硬鋁合金材料，硬鋁合金的彈性模量為72GPa，泊松比為0．33。在ANSYS建模將實體模型轉換為有限元分析模型時需要劃分網格。在對彈性體結構進行網格劃分時，單元類型選用SOLID95高精度實體單元，并采用智能網絡劃分控制，選擇劃分精度后由ANSYS自動劃分后，對貼應變片處的敏感部位再進行精確劃分。

4．2仿真計算

彈性體是梁式結構，在對彈性體進行施力仿真前，需對彈性體左側施加面X、Y、Z軸上施加約束力，右側施加面Y軸上施加約束力，在施力位置點施加集中載荷力F。通過求解，可得到彈性體整體變形狀況以及最敏感處的應變，通過應力、應變以及位移等值線或曲線圖［12］，就可以了解應力、應變以及整體位移的分布情況。由于應變片敏感柵具有一定的區域，不同長度、寬度處的應變值不同，因此不能使用一條在線的應變值代表整片應變片的變形量［10］，所以采用均值法求得應變。設計選用半導體應變片的敏感柵長為5mm，寬0．32mm。因此，采用路徑映射將應變值映射到選定的一條路徑上，即敏感柵左右邊界處，每一條路徑化分50個節點，即將5mm均分50等份，標示每一節點上的應變為εi，則求得一條直線上的平均應變變化值珋εn，把寬度0．32mm均分為十條直線，每條直線上的應變為珋εn，通過對10條直線上的平均應變值求解，便可得所求應變值。

4．3傳感器的有限元分析

在光電子器件封裝過程中，波導芯片與陣列光纖之間接觸力比較小，為了實現其在同等力情況下，傳感器彈性薄片應變量最大，因此在整個仿真實驗中設定其厚度為0．2mm。在施力點A處施加力F時，傳感器X軸應變仿真云圖如圖4所示，仿真應變最大值集中在彈性薄片上，與分析結果相一致。為了更好地驗證傳感器的性能，在傳感器的施力點施加1～10N的垂直力，通過上述數據處理方法，得到在X軸上應變集中處的應變量，以及在施力點上的Z軸位移變化量，數據處理結果如表1所示。為與此結構比較，懸臂梁傳感器結構長寬高均取相同值，改進型傳感器圓孔處于傳感器中心，半徑為5mm。根據上述數據處理方法，可得X軸應變量和Z軸位移量。從圖5中可以看出，在施力點產生同樣的位移時，設計的新型傳感器中應變量明顯高于傳統型懸臂梁傳感器和改進型傳感器，靈敏度更高。為檢驗彈性薄片長度l、U型槽到施力點的距離L2與均值應變與施力點最大位移的比值之間的關系，通過上述ANSYS有限元分析方法以及數據處理方法進行逐一實驗驗證。根據絕對誤差的定義為測量的實際值與被測量的理想真值之差，相對誤差的定義為絕對誤差與被測量的真值之比［13］。彈性薄片長度l是變量時，假設l＝6mm為起始點每次增加0．5mm，通過理論計算以及ANSYS有限元分析實測均值應變與施力點最大位移的比值之間的關系，如表2所示。施力點位移L2是變量時，假設L2＝7mm處為起始點每次增加0．5mm，通過理論計算以及ANSYS有限元分析實測均值應變與施力點最大位移的比值之間的關系，得到如表3所示。通過ANSYS仿真實驗得到表1的結果，從中可以看出，當其他條件不變時，彈性薄片長度l越長，彈性片上的均應變與施力點的最大位移比值越小，與理論分析結果相一致。除在l＝6mm時誤差較大外，其他值時誤差較小，也說明在理論推導條件下，l越短彈性薄片在整個結構的影響因素就越大。通過ANSYS仿真實驗得到表2的結果，從中可以看出，當其他條件不變時，施力點位移L2越長，彈性片上的均應變與施力點的最大位移比值越小，與理論分析結果相一致。由于測量的實際結果與理論值之間的誤差值一致，因此可以通過軟件的方式減少相對誤差值。

5結論

設計了一種新型的傳感器結構，通過優化傳感器彈性元件參數可以有效地提高傳感器的靈敏度，與傳統的位移傳感器相比，此傳感器適合于微位移的測量需求。

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作者:牛俊澤 單位:湖南師范大學物理與信息科學學院