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微位移传感器的设计与仿真

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《电子测量技术杂志》2016年第8期

摘要:

在光电子器件封装中,光纤组件和阵列波导芯片之间微小位移的检测对封装效率有很大的影响。分析了目前光电子封装存在的问题,并对几种位移测量方法进行了比较,提出了基于电阻应变式一维位移传感器结构。首先,对位移传感器结构进行了理论上的分析,得到了微位移与应变的关系式;然后,采用ANSYS有限元分析软件对传感器的结构的进行仿真分析,得到位移与应变之间的仿真值;最后,把理论上的分析值与仿真得到的结果进行比较分析。结果表明,新型传感器能够检测微米级位移,通过优化弹性薄片的结构和改变施力点的位置,可以有效的提高传感器的灵敏度。

关键词:

光电子器件;传感器;ANSYS有限元分析;微位移

1引言

集成光电子技术是光纤通信的基础,其显著提高了光信息处理速度和容量,是支撑下一代光纤通信快速发展的关键器件[1]。而光电子封装是制约光电子器件发展应用的一个瓶颈[2-3],目前的封装方法主要是采用机器视觉进行观测,并估算出相对间隙,这种方法存在以下两个问题:1)因为光学本身的原因,视觉系统本身的分辨率低,精度不够;2)视觉系统检测属于间接性的测量,无法实时的完成分析检测。因此,研究耦合界面接触时产生的微位移,对于光电子封装的效率具有重要意义,一方面可以提高了耦合封装时端面的对准精度;另一方面也可以与运动构成闭环控制,对于提高光电子封装的性能和后续封装速度具有促进作用。可见,在光电子器件中对微位移的检测是至关的重要,为了更好地实现微位移测量的实际需要,近年来也发展出了各种类型的位移传感器,比如电容位移传感器[4],具有结构简单,分辨率高、动态反应快等特点,但是其存在寄生和分布电容、存在非线性误差等影响测量精度;电感位移传感器[5],具有灵敏度高、测量范围广、抗干扰能力强等优点,但是其频率响应低,制作成本相对较高;光电式位移传感器[7-8],测量精度高、工作较稳定,但是其设计的技术难度比较大,成本较高。而对于电阻应变式位移传感器[6]来说,其具有较高的灵敏度、结构简单、线性度好、工作稳定,而且设计成本较低等优点。结合光电子器件封装特点以及存在的问题,最终采用了电阻应变片位移传感器来对阵列光纤与波导芯片之间的位移进行检测,其测量基本原理是利用应变片响应的应变与位移一一对应关系,来进行标定实现其测量。

2光电子封装的基本原理

光电子封装是将输入阵列光纤、波导功能芯片和输出阵列光纤实现模场匹配的对准耦合,并釆用胶固化技术或爆接技术将各个模块精确固化,获得器件完整功能的生产过程,封装结构如图1所示。阵列光纤与波导芯片之间的耦合对准是封装过程中的关键,两者耦合间距非常小,仅为十几微米,填充的UV胶量约为几十纳升。如果耦合距离过大,会导致胶量过多进而引起耦合损耗增加,反之,耦合距离过小会导致UV胶量过少固化的强度不足,影响光电子器件的稳定性。由于耦合界面间的距离调整往往是依靠人的眼睛在显微镜下主观性的判断,偶然性较大,并且数据无法量化,调整难度大。因此,为了更好地测算出两者之间的间距,设计了一种一维微位移传感器结构,如图1安装所示,在A、B处安装传感器,在A处的传感器可以检测到波导芯片与输入阵列光纤之间的力以及微位移,同理在B处的传感器也能检测到波导芯片与阵列光纤的力以及微位移。通过传感器测量的优点体现为:一方面可以对间距进行量化,另一方面也可以实现时时检测,真正实现波导芯片与阵列光纤的间距可控。为了测量耦合界面接触压力以及微位移,可以在阵列光纤夹具上安装传感器,传统的传感器结构如图2所示。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应将应变转化为电阻变化的传感器[9]。在对传感器施加外力作用时,产生微小机械变形,应变片随着被测对象发生变化而变化,此刻应变片电阻值也发生相应改变,当测得应变片电阻值改变量为ΔR时,知道其灵敏系数便可知被测对象的应变值[10]:dLL=εΔRR=Kε(1)式中:R为电阻值(Ω);K为灵敏系数;ε为金属丝材料的应变值;L为金属丝的长度(m);dL为伸长量(m)。传统传感器是一种结构简单、应变片容易黏贴的位移传感器。但在测位移时,在传感器的末端作用点上施加一个作用力F时,会在末端产生一个很大的位移,在测量微小位移情况下,这个结构效果不是很好,为了能够提高传感器测量灵敏度,所以必须进行结构上的改进。在悬臂梁传感器的基础上进行部分优化,在悬臂梁中心处开一圆形孔,通过仿真测量计算,总体效果并不是有明显的改善。因此,为了更好地实现对微小位移的检测,提出了一种新型传感器结构。

3新型传感器结构的设计与分析

通过增加应变片的值,提高传感器的灵敏度,设计了一种新型传感器结构如图3所示,在矩形截面梁上开两端不对称的槽,在靠近施力点一端开上下对称槽,作用近似为一固定轴;在另一端设计为一薄片,为应变值最大处。在作用点施加作用力F时,使得薄片处应变最大,此处上表面受压应力,下表面受拉应力,所以在其上表面和下表面各贴一个应变片A和B,当应变梁发生形变,使得应变梁上A、B应变片电阻发生变化,桥式电路电桥平衡被打破,转化为电压信号。在图2所示的结构中,“U”型槽薄且间距短,在微小力的作用下,其位移量较小,因此在理论分析中忽略其位移变化,将其近似成一固定轴;水平刚性体相对于“U”型槽厚度及弹性体薄片较厚,相对形变较小,近似看作刚性体;弹性薄片很薄,且水平刚性体发生形变小,因此在分析受力过程中可以忽略弹性薄片对应变的影响。假设固定轴距离右侧薄板距离为L1,施力点最大位移处距离为L2,作用力为F1,最大应变处力大小为F2,Δs为最大位移量,Δy为施力点最大位移量:Δy=L2L1•Δs(2)b为薄的弹性片宽度,h为厚度,l为长度,E为弹性模量,则最大位移变化量为公式:Δs=4F2l3bh3E(3)薄弹性片的支撑力约为F3,方向与最大应变处力F2大小相等方向相反,l′为应变片中心点到最大位移处距离,最大贴应变片处应变公式[6]:ε=6F3(l-l′)bh2E(4)由式(2)~(4)得式(5):Δy=L2L1•2l3ε3(l-l′)h(5)

4弹性体有限元仿真分析

由于实验可以布置的测点数量有限,而仿真可以得到整个结构的力学参数,故通过仿真替代实验对理论公式关于实际结构的适用性进行分析[11]。采用ANSYS有限元软件对弹性体整体结构进行有限元静态分析,在应变分析求取方面具有高度可信的仿真结果。传感器设计为85mm×10mm×10.2mm长方体结构,施力面小圆柱凸起R1=2.5mm,高度为1mm;靠近施力面上下对称“U”型槽,切除的结构构成:长方体长宽高2mm×10mm×3.6mm,半圆R1=1mm,离左侧固定端5mm,剩余辅助弹性体厚度为1mm;右边部分结构构成:上下四分之一半圆,半径均为5mm,薄弹性体长宽厚6mm×10mm×0.2mm。通过ANSYS有限元软件可以确定其结构应变量,同时对施力点位移变化情况进行分析,并对应变片进行精确定位贴片,更能直观地找出弹性体结构中最敏感部位。

4.1网格划分

本弹性体结构采用硬铝合金材料,硬铝合金的弹性模量为72GPa,泊松比为0.33。在ANSYS建模将实体模型转换为有限元分析模型时需要划分网格。在对弹性体结构进行网格划分时,单元类型选用SOLID95高精度实体单元,并采用智能网络划分控制,选择划分精度后由ANSYS自动划分后,对贴应变片处的敏感部位再进行精确划分。

4.2仿真计算

弹性体是梁式结构,在对弹性体进行施力仿真前,需对弹性体左侧施加面X、Y、Z轴上施加约束力,右侧施加面Y轴上施加约束力,在施力位置点施加集中载荷力F。通过求解,可得到弹性体整体变形状况以及最敏感处的应变,通过应力、应变以及位移等值线或曲线图[12],就可以了解应力、应变以及整体位移的分布情况。由于应变片敏感栅具有一定的区域,不同长度、宽度处的应变值不同,因此不能使用一条在线的应变值代表整片应变片的变形量[10],所以采用均值法求得应变。设计选用半导体应变片的敏感栅长为5mm,宽0.32mm。因此,采用路径映射将应变值映射到选定的一条路径上,即敏感栅左右边界处,每一条路径化分50个节点,即将5mm均分50等份,标示每一节点上的应变为εi,则求得一条直线上的平均应变变化值珋εn,把宽度0.32mm均分为十条直线,每条直线上的应变为珋εn,通过对10条直线上的平均应变值求解,便可得所求应变值。

4.3传感器的有限元分析

在光电子器件封装过程中,波导芯片与阵列光纤之间接触力比较小,为了实现其在同等力情况下,传感器弹性薄片应变量最大,因此在整个仿真实验中设定其厚度为0.2mm。在施力点A处施加力F时,传感器X轴应变仿真云图如图4所示,仿真应变最大值集中在弹性薄片上,与分析结果相一致。为了更好地验证传感器的性能,在传感器的施力点施加1~10N的垂直力,通过上述数据处理方法,得到在X轴上应变集中处的应变量,以及在施力点上的Z轴位移变化量,数据处理结果如表1所示。为与此结构比较,悬臂梁传感器结构长宽高均取相同值,改进型传感器圆孔处于传感器中心,半径为5mm。根据上述数据处理方法,可得X轴应变量和Z轴位移量。从图5中可以看出,在施力点产生同样的位移时,设计的新型传感器中应变量明显高于传统型悬臂梁传感器和改进型传感器,灵敏度更高。为检验弹性薄片长度l、U型槽到施力点的距离L2与均值应变与施力点最大位移的比值之间的关系,通过上述ANSYS有限元分析方法以及数据处理方法进行逐一实验验证。根据绝对误差的定义为测量的实际值与被测量的理想真值之差,相对误差的定义为绝对误差与被测量的真值之比[13]。弹性薄片长度l是变量时,假设l=6mm为起始点每次增加0.5mm,通过理论计算以及ANSYS有限元分析实测均值应变与施力点最大位移的比值之间的关系,如表2所示。施力点位移L2是变量时,假设L2=7mm处为起始点每次增加0.5mm,通过理论计算以及ANSYS有限元分析实测均值应变与施力点最大位移的比值之间的关系,得到如表3所示。通过ANSYS仿真实验得到表1的结果,从中可以看出,当其他条件不变时,弹性薄片长度l越长,弹性片上的均应变与施力点的最大位移比值越小,与理论分析结果相一致。除在l=6mm时误差较大外,其他值时误差较小,也说明在理论推导条件下,l越短弹性薄片在整个结构的影响因素就越大。通过ANSYS仿真实验得到表2的结果,从中可以看出,当其他条件不变时,施力点位移L2越长,弹性片上的均应变与施力点的最大位移比值越小,与理论分析结果相一致。由于测量的实际结果与理论值之间的误差值一致,因此可以通过软件的方式减少相对误差值。

5结论

设计了一种新型的传感器结构,通过优化传感器弹性元件参数可以有效地提高传感器的灵敏度,与传统的位移传感器相比,此传感器适合于微位移的测量需求。

参考文献:

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作者:牛俊泽 单位:湖南师范大学物理与信息科学学院

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