工程科学学报，第39卷，第2期：301-308.2017年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.2:301-308,February 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.019;http://journals.ustb.edu.en 基于ASYS的新型聚合物石英压电传感器振动性能 分析 王南飞，李强，谷宇四 北京科技大学自动化学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:guyu@usth.cdu.cm 摘要新型聚合物石英压电传感器制备过程中，AT切型石英压电传感器基体的表面粗糙度及其基膜界面化学性质影响聚 合物薄膜的生长，导致聚合物薄膜厚度不均匀、表面存在缺陷，使得传感器采集的频率信号不稳定.本文建立了新型聚合物 石英压电传感器在考虑薄膜厚度不均、中心缺陷条件下的力学模型，利用ANSYS有限元软件对其进行模态分析，得到复杂条 件下传感器振动特性.模态分析结果发现，传感器固有频率值随聚合物薄膜缺陷的半径值增大呈现出从稳定到发散的趋势、 随薄膜的厚度值增大呈现出线性增大的趋势.研究结果表明，新型聚合物石英压电传感器的生产应确保薄膜厚度均匀且严 格控制中心缺陷半径小于0.5mm,该结果为制备稳定的新型聚合物石英压电传感器提供了重要依据. 关键词压电晶体：传感器：谐振频率：薄膜厚度；模态分析 分类号TH89:TH-39 Influence of polymer coating dimension variation on the resonant frequency of polymer quartz piezoelectric crystal sensors based on ANSYS WANG Nan-fei,LI Qiang,GU Yu School of Automation and Electrical Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:guyu@ustb.edu.en ABSTRACT In the preparation process of novel polymer quartz piezoelectric sensors using AT-cut quartz substrates and polymer ma- terials,the roughness and the chemical characteristics of the substrate surface have a great influence on the production of the sensors. It could result in thickness-varied or defective films of the sensors,which make the sensor's frequency signals unstable.In this paper, a mechanical model of the sensor is presented,which takes into account the conditions that the film is thickness-varied and defective. The ANSYS software was used to obtain the vibration characteristics of the mechanical model under complex conditions by modal analy- sis.Results show that the natural frequency values of the sensor change from a stable state to a divergence state with the increase of the film defect in the radius,and the natural frequency values of the sensor increase linearly with increase of the thickness for the film.It indicates that the thickness of the film should be kept uniform and the defect radius should be limited within 0.5mm during producing the sensors.The results provide an important basis for producing the qualified polymer quartz piezoelectric sensors. KEY WORDS piezoelectric crystals;sensors;resonant frequency;coating thickness;modal analysis 新型石英压电传感器是近年来发展起来的一种基选择识别功能的薄膜材料作为敏感元件，并利用石英 于石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM) 压电传感器的压电特性，将石英压电传感器表面质量 原理1-)，通过在石英压电传感器表面修饰具有特异 变化转换为频率信号的高灵敏度的传感器.新型石英 收稿日期：2016-04-14 基金项目：国家高新技术研究发展计划资助项目(2013AA030901)
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期:301鄄鄄308,2017 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 2: 301鄄鄄308, February 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 02. 019; http: / / journals. ustb. edu. cn 基于 ANSYS 的新型聚合物石英压电传感器振动性能 分析 王南飞, 李 强, 谷 宇苣 北京科技大学自动化学院, 北京 100083 苣 通信作者, E鄄mail: guyu@ ustb. edu. cn 摘 要 新型聚合物石英压电传感器制备过程中,AT 切型石英压电传感器基体的表面粗糙度及其基膜界面化学性质影响聚 合物薄膜的生长,导致聚合物薄膜厚度不均匀、表面存在缺陷,使得传感器采集的频率信号不稳定. 本文建立了新型聚合物 石英压电传感器在考虑薄膜厚度不均、中心缺陷条件下的力学模型,利用 ANSYS 有限元软件对其进行模态分析,得到复杂条 件下传感器振动特性. 模态分析结果发现,传感器固有频率值随聚合物薄膜缺陷的半径值增大呈现出从稳定到发散的趋势、 随薄膜的厚度值增大呈现出线性增大的趋势. 研究结果表明,新型聚合物石英压电传感器的生产应确保薄膜厚度均匀且严 格控制中心缺陷半径小于 0郾 5 mm,该结果为制备稳定的新型聚合物石英压电传感器提供了重要依据. 关键词 压电晶体; 传感器; 谐振频率; 薄膜厚度; 模态分析 分类号 TH89; TH鄄39 收稿日期: 2016鄄鄄04鄄鄄14 基金项目: 国家高新技术研究发展计划资助项目(2013AA030901) Influence of polymer coating dimension variation on the resonant frequency of polymer quartz piezoelectric crystal sensors based on ANSYS WANG Nan鄄fei, LI Qiang, GU Yu 苣 School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: guyu@ ustb. edu. cn ABSTRACT In the preparation process of novel polymer quartz piezoelectric sensors using AT鄄cut quartz substrates and polymer ma鄄 terials, the roughness and the chemical characteristics of the substrate surface have a great influence on the production of the sensors. It could result in thickness鄄varied or defective films of the sensors, which make the sensor爷s frequency signals unstable. In this paper, a mechanical model of the sensor is presented, which takes into account the conditions that the film is thickness鄄varied and defective. The ANSYS software was used to obtain the vibration characteristics of the mechanical model under complex conditions by modal analy鄄 sis. Results show that the natural frequency values of the sensor change from a stable state to a divergence state with the increase of the film defect in the radius, and the natural frequency values of the sensor increase linearly with increase of the thickness for the film. It indicates that the thickness of the film should be kept uniform and the defect radius should be limited within 0郾 5 mm during producing the sensors. The results provide an important basis for producing the qualified polymer quartz piezoelectric sensors. KEY WORDS piezoelectric crystals; sensors; resonant frequency; coating thickness; modal analysis 新型石英压电传感器是近年来发展起来的一种基 于石英晶体微天平( quartz crystal microbalance, QCM) 原理[1鄄鄄3] ,通过在石英压电传感器表面修饰具有特异 选择识别功能的薄膜材料作为敏感元件,并利用石英 压电传感器的压电特性,将石英压电传感器表面质量 变化转换为频率信号的高灵敏度的传感器. 新型石英
·302· 工程科学学报，第39卷，第2期 压电传感器具有体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高 模拟了SAW设备的行为.Wingqvist等[)研究了具有 等优势，被广泛应用于工程力学、生物医学、测量勘探 一定蛋白膜厚度的薄膜体声谐振器(ilm bulk acoustic 和无损检测、环境监测等领域. resonator,FBAR)的共振频率响应.傅均等[]研究了 一般而言，依据表面所修饰的薄膜材料种类，新型 不同湿度环境下的具有聚氨苯/TO,结构的石英晶体 石英压电传感器主要分为三类：通过蒸镀法制备的金 微天平气体传感器的振动行为.Tan等6研究了因质 属及金属氧化物材料(TO,[)薄膜型新型石英压电传 量效应、材料性质引起的石英晶体微天平型传感器的 感器、通过分子印迹法制备的生物活性材料（蛋白质、 频率变化情况.Martin等[n]讨论了晶体的表面粗糙度 酶、抗体等5-])薄膜型新型石英压电传感器和通过相 对石英压电传感器黏度、密度响应的影响.本文建立 转化法制备的聚合物材料（三聚氰胺）]、聚苯胺/氧化 了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜厚度影响、 钢复合薄膜[])薄膜型新型石英压电传感器.聚合物 中心缺陷的复杂条件下力学模型，基于ANSYS有限元 材料薄膜型新型石英压电传感器因其价格低廉、稳定 软件对其进行模态分析，从中提取1~10阶的振动模 性好成为其中应用最为广泛的一种.聚合物材料薄膜 态及频率进行分析，结果为制备稳定的新型聚合物石 型新型石英压电传感器的制备中，需要通过复杂方法 英压电传感器提供了一个重要依据. 预先准备成膜剂，并在液体环境下成膜剂生长成膜，薄 1石英晶体微天平原理 膜生长缓慢且对制膜技术要求高，严重制约其大规模 应用.基于“真空电子束色散(electron beam vacuum 新型聚合物石英压电传感器的设计基于石英晶体 dispersion,EBVD)镀膜”技术[9]，我们开发出一种聚合 微天平检测原理，依据Sauerbrey方程(1)： 物薄膜快速制备方法，实现了一种具有聚合物薄膜/ AT切型石英压电传感器/聚合物薄膜三层复合结构的 4ys、64m NPA (1) 新型聚合物石英压电传感器[0-)的快速制备.然而， 式中，△为新型聚合物石英压电传感器频率变化值，6 新型聚合物石英压电传感器制备过程中，由于AT切 为石英晶体微天平的固有频率，p是石英的密度，△m 型石英压电传感器表面粗糙度和界面化学性质对聚合 是新型聚合物石英压电传感器表面吸附质量的变化 物薄膜生长的影响[口)，聚合物薄膜不可避免的存在薄 值，A是石英晶体具有压电活性的表面积，N为与石英 膜厚度不均匀、尺寸缺陷等现象，这对新型聚合物石英 晶体切型有关的石英晶体频率常数，新型聚合物石英 压电传感器工作频率稳定性产生影响，为传感器的准 压电传感器中所使用的AT切型石英晶体：N=1.67× 确测量带来了困难. 105 Hz.cm. 实验数据表明[]，新型石英压电传感器表面所修 2新型聚合物石英压电传感器及其力学 饰的薄膜结构是传感器频率稳定性的重要影响因素之 模型 一，薄膜厚度、均匀度等直接决定着传感器频率的灵敏 度和精确度，薄膜涂层越稳定，传感器的噪音水平就越 2.1新型聚合物石英压电传感器 低，敏感极限就越高.针对薄膜厚度不均匀、尺寸缺陷 基于石英晶体微天平原理，我们利用具有压电效 等的现象，国内外诸多专家学者对相关问题开展了研 应的AT切型石英压电传感器（广州晶洋电子生产，如 究.Francis等I)对声表面波传感器(surface acoustic 图1所示)作为基体，利用真空电子束色散镀膜技 wave,SAWT)受表面膜层的密度、厚度和黏度的影响进 术在其表面蒸镀具有吸-脱附作用的聚合物薄膜涂 行了分析，他们通过对温度引起的聚合物构象变化来 层，制备出一种新型聚合物石英压电传感器. ①一银电极：②一石英品片：③一银电极 图1石英压电传感器结构图 Fig.I Quartz piezoelectric sensor structure
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 压电传感器具有体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高 等优势,被广泛应用于工程力学、生物医学、测量勘探 和无损检测、环境监测等领域. 一般而言,依据表面所修饰的薄膜材料种类,新型 石英压电传感器主要分为三类:通过蒸镀法制备的金 属及金属氧化物材料(TO2 [4] )薄膜型新型石英压电传 感器、通过分子印迹法制备的生物活性材料(蛋白质、 酶、抗体等[5鄄鄄6] )薄膜型新型石英压电传感器和通过相 转化法制备的聚合物材料(三聚氰胺[7] 、聚苯胺/ 氧化 铟复合薄膜[8] )薄膜型新型石英压电传感器. 聚合物 材料薄膜型新型石英压电传感器因其价格低廉、稳定 性好成为其中应用最为广泛的一种. 聚合物材料薄膜 型新型石英压电传感器的制备中,需要通过复杂方法 预先准备成膜剂,并在液体环境下成膜剂生长成膜,薄 膜生长缓慢且对制膜技术要求高,严重制约其大规模 应用. 基于“真空电子束色散( electron beam vacuum dispersion,EBVD)镀膜冶技术[9] ,我们开发出一种聚合 物薄膜快速制备方法,实现了一种具有聚合物薄膜/ AT 切型石英压电传感器/ 聚合物薄膜三层复合结构的 新型聚合物石英压电传感器[10鄄鄄11] 的快速制备. 然而, 新型聚合物石英压电传感器制备过程中,由于 AT 切 型石英压电传感器表面粗糙度和界面化学性质对聚合 物薄膜生长的影响[12] ,聚合物薄膜不可避免的存在薄 膜厚度不均匀、尺寸缺陷等现象,这对新型聚合物石英 压电传感器工作频率稳定性产生影响,为传感器的准 确测量带来了困难. 淤—银电极;于—石英晶片;盂—银电极 图 1 石英压电传感器结构图 Fig. 1 Quartz piezoelectric sensor structure 实验数据表明[9] ,新型石英压电传感器表面所修 饰的薄膜结构是传感器频率稳定性的重要影响因素之 一,薄膜厚度、均匀度等直接决定着传感器频率的灵敏 度和精确度,薄膜涂层越稳定,传感器的噪音水平就越 低,敏感极限就越高. 针对薄膜厚度不均匀、尺寸缺陷 等的现象,国内外诸多专家学者对相关问题开展了研 究. Francis 等[13] 对声表面波传感器( surface acoustic wave,SAW)受表面膜层的密度、厚度和黏度的影响进 行了分析,他们通过对温度引起的聚合物构象变化来 模拟了 SAW 设备的行为. Wingqvist 等[14] 研究了具有 一定蛋白膜厚度的薄膜体声谐振器( film bulk acoustic resonator,FBAR) 的共振频率响应. 傅均等[15] 研究了 不同湿度环境下的具有聚氨苯/ TiO2 结构的石英晶体 微天平气体传感器的振动行为. Tan 等[16]研究了因质 量效应、材料性质引起的石英晶体微天平型传感器的 频率变化情况. Martin 等[17]讨论了晶体的表面粗糙度 对石英压电传感器黏度、密度响应的影响. 本文建立 了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜厚度影响、 中心缺陷的复杂条件下力学模型,基于 ANSYS 有限元 软件对其进行模态分析,从中提取 1 ~ 10 阶的振动模 态及频率进行分析,结果为制备稳定的新型聚合物石 英压电传感器提供了一个重要依据. 1 石英晶体微天平原理 新型聚合物石英压电传感器的设计基于石英晶体 微天平检测原理,依据 Sauerbrey 方程(1): 驻f = - f 2 0驻m N籽A . (1) 式中,驻f 为新型聚合物石英压电传感器频率变化值,f 0 为石英晶体微天平的固有频率,籽 是石英的密度,驻m 是新型聚合物石英压电传感器表面吸附质量的变化 值,A 是石英晶体具有压电活性的表面积,N 为与石英 晶体切型有关的石英晶体频率常数,新型聚合物石英 压电传感器中所使用的 AT 切型石英晶体:N = 1郾 67 伊 10 5 Hz·cm. 2 新型聚合物石英压电传感器及其力学 模型 2郾 1 新型聚合物石英压电传感器 基于石英晶体微天平原理,我们利用具有压电效 应的 AT 切型石英压电传感器(广州晶洋电子生产,如 图 1 所示)作为基体,利用真空电子束色散镀膜[5] 技 术在其表面蒸镀具有吸鄄鄄 脱附作用的聚合物薄膜涂 层,制备出一种新型聚合物石英压电传感器. ·302·
王南飞等：基于ANSYS的新型聚合物石英压电传感器振动性能分析 ·303· 如图2所示，新型聚合物石英压电传感器是由聚 了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜厚度尺寸、 合物薄膜/AT切型石英压电晶体圆盘/聚合物薄膜组 中心缺陷的复杂条件下的力学模型，如图3所示. 成的具有三层复合结构的石英晶体微天平型压电传感 在图3中，R为新型聚合物石英压电传感器模型 器.新型聚合物石英压电传感器AT切型石英基体圆 半径，”为新型聚合物石英压电传感器表面缺陷半径， 盘的两侧各有金属电极，电极之间与外接共振电路相 Hh分别为AT切型石英压电晶片与薄膜的厚度 连，当传感器工作中，共振电路的激励电压通过逆压电 效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与 外电路相连的电极来补充这种电荷机械等幅振荡所需 的能量：传感器表面的聚合物薄膜涂层是其敏感元件， 其对挥发性气体特征物质具有特异性吸-脱附作用. 图3新型聚合物石英压电传感器力学模型 Fig.3 Mechanical model of the new quartz piezoelectric crystal sen- 亲和型聚 sor 合物薄膜 3新型聚合物石英压电传感器振动分析 银电极 石英晶体 圆板 北京科技大学谷宇课题组报道过基于聚四氟乙烯 (polytetrafluoroethylene,PTFE)涂层的新型聚合物石英 银电极 亲和型聚 压电传感器的制备「]新型聚合物石英压电传感器力 合物薄膜 学模型中，基于“真空电子束色散镀膜”技术所制备的 聚合物薄膜不可避免的存在薄膜厚度不均匀、尺寸缺 图2新型聚合物石英压电传感器结构图 陷等现象.本文中，我们以聚四氟乙烯聚合物薄膜为 Fig.2 Polymer quartz piezoelectric crystal sensor structure 例，利用ANSYS有限元软件中构建聚四氟乙烯聚合物 由公式(1)可知，当新型聚合物石英压电传感器 薄膜/AT切型石英压电传感器/聚四氟乙烯聚合物薄 的聚合物薄膜表层吸-脱附特征物质发生质量改变 膜的考虑薄膜厚度尺寸、中心缺陷的力学模型，并利用 时，将引起新型聚合物石英压电传感器振动频率的改 模态分析模块对其进行模态分析，分别提取每种力学 变，并由石英压电传感器进行机电转换而输出与频率 模型的1~10阶模态振型及振动频率进行分析，图4 相关的外部电路可测电信号，实现新型聚合物石英压 展示各模态的节点位移 电传感器对待测物质特征信息采集的功能 考虑薄膜缺陷尺寸、含缺陷的薄膜厚度的新型聚 2.2新型聚合物石英压电传感器力学模型 合物石英压电传感器尺寸如表1和表2所示. 针对新型聚合物石英压电传感器表面的聚合物薄 AT切型石英压电传感器的密度p=7600kg·m3, 膜存在的薄膜厚度不均匀、尺寸缺陷等问题，本文建立 其刚度矩阵、压电应力常数矩阵、介电常数矩阵为： 8.674×100 -0.8252.715 -0.366 0 0 -0.825×10° 12.977 -0.742 0.57 0 2.715×100 -0.74210.283 0.992 0 0 C= -0.366×100 ×100 0.57 0.992 3.861 0 0 0 0 0 0 6.8810.253 0 0 0 0 0.2532.901 f0.171 0 0 -0.171 0 0 f4.0 0 0 0 0 0 e= 0 4.0 0 ×10- 0.0403 0 0 0 0 4.1 0 -0.04030 0 -0.1710 式中，C为刚度矩阵（刚度单位Nm2),e为压电应力 表1 考虑薄膜缺陷尺寸的新型聚合物石英压电传感器模型尺寸 常数矩阵（压电应力常数单位C·m2),ε是介电常数 Table 1 Model size of a new type polymer quartz piezoelectric sensor 矩阵（介电常数单位Fm) with thin film defect size 聚四氟乙烯材料弹性模量为3×10？Nm2,密度 R/mm H/μm r/mm h/um 为1408kgm3,泊松比为0.4. 8 120 [0.2,3.5] 15
王南飞等: 基于 ANSYS 的新型聚合物石英压电传感器振动性能分析 如图 2 所示,新型聚合物石英压电传感器是由聚 合物薄膜/ AT 切型石英压电晶体圆盘/ 聚合物薄膜组 成的具有三层复合结构的石英晶体微天平型压电传感 器. 新型聚合物石英压电传感器 AT 切型石英基体圆 盘的两侧各有金属电极,电极之间与外接共振电路相 连,当传感器工作中,共振电路的激励电压通过逆压电 效应使振子振动,同时电极上又出现交变电荷,通过与 外电路相连的电极来补充这种电荷机械等幅振荡所需 的能量;传感器表面的聚合物薄膜涂层是其敏感元件, 其对挥发性气体特征物质具有特异性吸鄄鄄脱附作用. 图 2 新型聚合物石英压电传感器结构图 Fig. 2 Polymer quartz piezoelectric crystal sensor structure 由公式(1) 可知,当新型聚合物石英压电传感器 的聚合物薄膜表层吸 - 脱附特征物质发生质量改变 时,将引起新型聚合物石英压电传感器振动频率的改 变,并由石英压电传感器进行机电转换而输出与频率 相关的外部电路可测电信号,实现新型聚合物石英压 电传感器对待测物质特征信息采集的功能. 2郾 2 新型聚合物石英压电传感器力学模型 针对新型聚合物石英压电传感器表面的聚合物薄 膜存在的薄膜厚度不均匀、尺寸缺陷等问题,本文建立 了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜厚度尺寸、 中心缺陷的复杂条件下的力学模型,如图 3 所示. 在图 3 中,R 为新型聚合物石英压电传感器模型 半径,r 为新型聚合物石英压电传感器表面缺陷半径, H、h 分别为 AT 切型石英压电晶片与薄膜的厚度. 图 3 新型聚合物石英压电传感器力学模型 Fig. 3 Mechanical model of the new quartz piezoelectric crystal sen鄄 sor 3 新型聚合物石英压电传感器振动分析 北京科技大学谷宇课题组报道过基于聚四氟乙烯 (polytetrafluoroethylene, PTFE)涂层的新型聚合物石英 压电传感器的制备[9] . 新型聚合物石英压电传感器力 学模型中,基于“真空电子束色散镀膜冶技术所制备的 聚合物薄膜不可避免的存在薄膜厚度不均匀、尺寸缺 陷等现象. 本文中,我们以聚四氟乙烯聚合物薄膜为 例,利用 ANSYS 有限元软件中构建聚四氟乙烯聚合物 薄膜/ AT 切型石英压电传感器/ 聚四氟乙烯聚合物薄 膜的考虑薄膜厚度尺寸、中心缺陷的力学模型,并利用 模态分析模块对其进行模态分析,分别提取每种力学 模型的 1 ~ 10 阶模态振型及振动频率进行分析,图 4 展示各模态的节点位移. 考虑薄膜缺陷尺寸、含缺陷的薄膜厚度的新型聚 合物石英压电传感器尺寸如表 1 和表 2 所示. AT 切型石英压电传感器的密度 籽 = 7600 kg·m - 3 , 其刚度矩阵、压电应力常数矩阵、介电常数矩阵为: C = 8郾 674 伊 10 10 - 0郾 825 2郾 715 - 0郾 366 0 0 - 0郾 825 伊 10 10 12郾 977 - 0郾 742 0郾 57 0 0 2郾 715 伊 10 10 - 0郾 742 10郾 283 0郾 992 0 0 - 0郾 366 伊 10 10 0郾 57 0郾 992 3郾 861 0 0 0 0 0 0 6郾 881 0郾 253 é ë ê ê ê ê ê ê ê ê ù û ú ú ú ú ú ú ú ú 0 0 0 0 0郾 253 2郾 901 伊 10 10 , e = 0郾 171 0 0 - 0郾 171 0 0 0 0 0 0郾 0403 0 0 0 - 0郾 0403 0 ì î í ï ï ïï ï ï ïï ü þ ý ï ï ïï ï ï ïï 0 - 0郾 171 0 , 着 = 4郾 0 0 0 0 4郾 0 0 é ë ê ê ê ù û ú ú ú 0 0 4郾 1 伊 10 - 11 . 式中,C 为刚度矩阵(刚度单位 N·m - 2 ),e 为压电应力 常数矩阵(压电应力常数单位 C·m - 2 ),着 是介电常数 矩阵(介电常数单位 F·m - 1 ). 聚四氟乙烯材料弹性模量为 3 伊 10 7 N·m - 2 , 密度 为 1408 kg·m - 3 , 泊松比为 0郾 4. 表 1 考虑薄膜缺陷尺寸的新型聚合物石英压电传感器模型尺寸 Table 1 Model size of a new type polymer quartz piezoelectric sensor with thin film defect size R/ mm H/ 滋m r/ mm h / 滋m 8 120 [0郾 2,3郾 5] 15 ·303·
·304· 工程科学学报，第39卷，第2期 a b 向位移AVG 节点位移 节点位移 节点位移m 739.421 AN N d e (0w 6= 节点位移m 节点位移um 节点位移um 228 上解 AN 节点解 (g) h)“ 节点位移um 节点位移hum 点解 41555 位铭 0377 节点位移m 节点位移m g65TgnT1w1级m 02刃7%446a"46品派 图4第1~10阶振型云图.(a)第一阶：(b)第二阶：(c)第三阶：(d)第四阶：(e)第五阶：(f)第六阶：(g)第七阶：(h)第八阶： (i)第九阶：(j)第十阶 Fig.4 Displacement nephograms of Order I to Order 10:(a)Order 1;(b)Order 2;(c)Order 3;(d)Order 4;(e)Order 5;(f)Order 6;(g) Order 7;(h)Order 8;(i)Order 9;(j)Order 10 表2考虑薄膜厚度的新型聚合物石英压电传感器模型尺寸 3.1薄膜缺陷尺寸对新型传感器振动频率的影响 Table 2 Model size of a new type polymer quartz piezoelectric sensor 分析 with thin film thickness 利用ANSYS模态分析提取得到的在不同缺陷尺 R/mm H/μm r/mm h/pm 寸([0.2,3.5]mm)条件下1~10阶振型所对应的频 8 120 0.5 [1,15] 率值如表4所示. 不同缺陷尺寸([0.2,3.5]mm)条件下1~10阶 针对图4展示的第1~10阶振型云图，对新型聚 振型所对应的振动频率值变化趋势图如图5所示 合物石英压电传感器的前10阶阵型分析结果如表3 根据新型聚合物石英压电传感器在不同中心缺陷 所示，展示了随着阶数增加，传感器石英晶体的不同 半径值的情况下的1~10阶固有频率值可知，随着缺 振型. 陷半径r的增大，其振动频率表现出不同规律
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 图 4 第 1 ~ 10 阶振型云图. (a) 第一阶; (b) 第二阶; (c) 第三阶; (d) 第四阶; (e) 第五阶; ( f) 第六阶; ( g) 第七阶; ( h) 第八阶; (i) 第九阶; (j) 第十阶 Fig. 4 Displacement nephograms of Order 1 to Order 10: (a) Order 1; (b) Order 2; (c) Order 3; (d) Order 4; (e) Order 5; (f) Order 6; (g) Order 7; (h) Order 8; (i) Order 9; (j) Order 10 表 2 考虑薄膜厚度的新型聚合物石英压电传感器模型尺寸 Table 2 Model size of a new type polymer quartz piezoelectric sensor with thin film thickness R/ mm H/ 滋m r/ mm h / 滋m 8 120 0郾 5 [1,15] 针对图 4 展示的第 1 ~ 10 阶振型云图,对新型聚 合物石英压电传感器的前 10 阶阵型分析结果如表 3 所示,展示了随着阶数增加,传感器石英晶体的不同 振型. 3郾 1 薄膜缺陷尺寸对新型传感器振动频率的影响 分析 利用 ANSYS 模态分析提取得到的在不同缺陷尺 寸([0郾 2,3郾 5] mm)条件下 1 ~ 10 阶振型所对应的频 率值如表 4 所示. 不同缺陷尺寸([0郾 2,3郾 5] mm)条件下 1 ~ 10 阶 振型所对应的振动频率值变化趋势图如图 5 所示. 根据新型聚合物石英压电传感器在不同中心缺陷 半径值的情况下的 1 ~ 10 阶固有频率值可知,随着缺 陷半径 r 的增大,其振动频率表现出不同规律. ·304·
王南飞等：基于ANSYS的新型聚合物石英压电传感器振动性能分析 ·305· 表3新型聚合物石英压电传感器前10阶阵型分析结果 (1)r∈[0.2,0.5]：频率值较稳定，即此范围内聚 Table 3 Vibration model of the sensor under different orders 合物薄膜缺陷半径的变化对传感器频率稳定性影响 阶数 振型 较小； 1 沿与双边支撑线垂直方向存在较大辐度来回振动 (2)r∈[0.5,3.0]：频率变化率稳定，即此范围内 2 中心等幅上下振动 随着聚合物薄膜缺陷半径的增大，频率稳定下降趋势， 3 沿与双边支撑线垂直方向振动 此时聚合物薄膜缺陷半径的变化对传感器工作性能影 4 沿与双边支撑线45双，135边方向对称振动 响较大； 5 沿与双边支撑线45双，135边方向同向振动 (3)r∈[3.0,3.5]：频率变化率不稳定，传感器的 6 沿与双边支撑线垂直方向小幅反向振动 工作频率随缺陷半径值的增大呈阶跃变化，传感器工 7 沿与双边支撑线45双、90双，135边方向同向振动 作性能不稳定 沿与双边支撑线方向二次回摆，周边同向振动 上述分析结果说明，新型聚合物石英压电传感 沿与双边支撑线垂直方向二次回摆，周边同向振动 器的制备中应严格控制中心缺陷半径在0.5mm范 10 沿与双边支撑线45双，135边方向反向振动 围内 表4不同缺陷尺寸下1~10阶振动颜率值 Table 4 Vibration frequeney values of the sensor with different defect sizes 缺陷半径 阶数 r/mm 2 3 J 6 7 9 10 0.2 203.46 230.59 614.15 648.21 652.14 1264.70 1347.0 1383.6 1454.3 2116.20 0.4 203.19 229.98 610.21 646.71 651.39 1263.10 1344.4 1381.8 1452.4 2111.50 0.5 203.11 229.56 607.38 645.76 650.97 1262.05 1343.0 1380.0 1450.7 2113.85 0.6 202.92 229.15 604.55 644.80 650.55 1261.00 1341.6 1378.2 1449.0 2106.20 0.8 202.61 228.11 597.73 642.50 649.45 1257.70 1338.5 1371.4 1442.8 2100.40 1.0 202.26 226.93 590.38 639.92 647.99 1252.50 1335.3 1360.6 1433.0 2094.40 1.2 201.81 225.62 582.85 637.06 645.99 1244.70 1331.9 1345.2 1419.3 2087.70 1.4 201.25 224.23 575.52 633.98 643.35 1233.90 1326.2 1328.1 1403.0 2079.40 1.6 200.53 222.73 568.45 630.61 639.92 1219.90 1304.5 1323.3 1385.4 2068.10 1.8 199.61 221.16 561.74 626.91 635.66 1203.00 1282.2 1317.2 1368.0 2052.70 2.0 198.49 219.57 555.50 622.79 630.66 1184.20 1261.4 1309.3 1351.6 2032.40 2.2 197.10 217.90 549.49 618.11 624.89 1164.40 1242.7 1299.2 1335.8 2007.00 2.4 195.42 216.10 543.54 612.68 618.35 1144.90 1226.7 1286.8 1320.2 1977.20 2.6 193.45 214.24 537.73 606.48 611.30 1126.50 1214.3 1272.4 1304.4 1945.60 2.8 191.05 212.05 531.46 599.07 603.26 1108.40 1202.9 1255.1 1286.6 1911.50 3.0 188.37 209.66 525.25 590.95 594.77 1092.10 1193.3 1236.0 1267.9 1878.70 3.2 188.40 210.93 523.04 582.16 618.31 1091.30 1190.7 1229.0 1318.1 1868.10 3.4 192.31 212.73 521.34 606.75 610.36 1090.80 1190.5 1278.3 1301.3 1873.70 3.5 193.73 212.40 516.36 611.12 611.81 1083.00 1182.2 1269.8 1295.3 1870.90 3.2含缺陷的薄膜厚度对新型传感器振动频率的影 振型频率值如图6所示 响分析 根据新型聚合物石英压电传感器在缺陷半径为 利用ANSYS模态分析提取得到的在缺陷半径为 0.5mm、薄膜厚度为[1,15]um情况下的1~10阶固 0.5mm、不同薄膜厚度尺寸([1,15]um)条件下1~ 有频率值可知，随着薄膜厚度的增加，其固有频率值成 10阶振型所对应的频率值如表5所示. 线性增加的趋势 不同薄膜厚度尺寸([1,15]m)条件下1~10阶 上述结果说明，新型聚合物石英压电传感器的表
王南飞等: 基于 ANSYS 的新型聚合物石英压电传感器振动性能分析 表 3 新型聚合物石英压电传感器前 10 阶阵型分析结果 Table 3 Vibration model of the sensor under different orders 阶数 振型 1 沿与双边支撑线垂直方向存在较大幅度来回振动 2 中心等幅上下振动 3 沿与双边支撑线垂直方向振动 4 沿与双边支撑线 45 双、135 边方向对称振动 5 沿与双边支撑线 45 双、135 边方向同向振动 6 沿与双边支撑线垂直方向小幅反向振动 7 沿与双边支撑线 45 双、90 双、135 边方向同向振动 8 沿与双边支撑线方向二次回摆,周边同向振动 9 沿与双边支撑线垂直方向二次回摆,周边同向振动 10 沿与双边支撑线 45 双、135 边方向反向振动 (1)r沂[0郾 2,0郾 5]:频率值较稳定,即此范围内聚 合物薄膜缺陷半径的变化对传感器频率稳定性影响 较小; (2)r沂[0郾 5,3郾 0]:频率变化率稳定,即此范围内 随着聚合物薄膜缺陷半径的增大,频率稳定下降趋势, 此时聚合物薄膜缺陷半径的变化对传感器工作性能影 响较大; (3)r沂[3郾 0,3郾 5]:频率变化率不稳定,传感器的 工作频率随缺陷半径值的增大呈阶跃变化,传感器工 作性能不稳定. 上述分析结果说明,新型聚合物石英压电传感 器的制备中应严格控制中心缺陷半径在 0郾 5 mm 范 围内. 表 4 不同缺陷尺寸下 1 ~ 10 阶振动频率值 Table 4 Vibration frequency values of the sensor with different defect sizes 缺陷半径, r/ mm 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0郾 2 203郾 46 230郾 59 614郾 15 648郾 21 652郾 14 1264郾 70 1347郾 0 1383郾 6 1454郾 3 2116郾 20 0郾 4 203郾 19 229郾 98 610郾 21 646郾 71 651郾 39 1263郾 10 1344郾 4 1381郾 8 1452郾 4 2111郾 50 0郾 5 203郾 11 229郾 56 607郾 38 645郾 76 650郾 97 1262郾 05 1343郾 0 1380郾 0 1450郾 7 2113郾 85 0郾 6 202郾 92 229郾 15 604郾 55 644郾 80 650郾 55 1261郾 00 1341郾 6 1378郾 2 1449郾 0 2106郾 20 0郾 8 202郾 61 228郾 11 597郾 73 642郾 50 649郾 45 1257郾 70 1338郾 5 1371郾 4 1442郾 8 2100郾 40 1郾 0 202郾 26 226郾 93 590郾 38 639郾 92 647郾 99 1252郾 50 1335郾 3 1360郾 6 1433郾 0 2094郾 40 1郾 2 201郾 81 225郾 62 582郾 85 637郾 06 645郾 99 1244郾 70 1331郾 9 1345郾 2 1419郾 3 2087郾 70 1郾 4 201郾 25 224郾 23 575郾 52 633郾 98 643郾 35 1233郾 90 1326郾 2 1328郾 1 1403郾 0 2079郾 40 1郾 6 200郾 53 222郾 73 568郾 45 630郾 61 639郾 92 1219郾 90 1304郾 5 1323郾 3 1385郾 4 2068郾 10 1郾 8 199郾 61 221郾 16 561郾 74 626郾 91 635郾 66 1203郾 00 1282郾 2 1317郾 2 1368郾 0 2052郾 70 2郾 0 198郾 49 219郾 57 555郾 50 622郾 79 630郾 66 1184郾 20 1261郾 4 1309郾 3 1351郾 6 2032郾 40 2郾 2 197郾 10 217郾 90 549郾 49 618郾 11 624郾 89 1164郾 40 1242郾 7 1299郾 2 1335郾 8 2007郾 00 2郾 4 195郾 42 216郾 10 543郾 54 612郾 68 618郾 35 1144郾 90 1226郾 7 1286郾 8 1320郾 2 1977郾 20 2郾 6 193郾 45 214郾 24 537郾 73 606郾 48 611郾 30 1126郾 50 1214郾 3 1272郾 4 1304郾 4 1945郾 60 2郾 8 191郾 05 212郾 05 531郾 46 599郾 07 603郾 26 1108郾 40 1202郾 9 1255郾 1 1286郾 6 1911郾 50 3郾 0 188郾 37 209郾 66 525郾 25 590郾 95 594郾 77 1092郾 10 1193郾 3 1236郾 0 1267郾 9 1878郾 70 3郾 2 188郾 40 210郾 93 523郾 04 582郾 16 618郾 31 1091郾 30 1190郾 7 1229郾 0 1318郾 1 1868郾 10 3郾 4 192郾 31 212郾 73 521郾 34 606郾 75 610郾 36 1090郾 80 1190郾 5 1278郾 3 1301郾 3 1873郾 70 3郾 5 193郾 73 212郾 40 516郾 36 611郾 12 611郾 81 1083郾 00 1182郾 2 1269郾 8 1295郾 3 1870郾 90 3郾 2 含缺陷的薄膜厚度对新型传感器振动频率的影 响分析 利用 ANSYS 模态分析提取得到的在缺陷半径为 0郾 5 mm、不同薄膜厚度尺寸([1,15] 滋m) 条件下 1 ~ 10 阶振型所对应的频率值如表 5 所示. 不同薄膜厚度尺寸([1,15] 滋m)条件下 1 ~ 10 阶 振型频率值如图 6 所示. 根据新型聚合物石英压电传感器在缺陷半径为 0郾 5 mm、薄膜厚度为[1,15] 滋m 情况下的 1 ~ 10 阶固 有频率值可知,随着薄膜厚度的增加,其固有频率值成 线性增加的趋势. 上述结果说明,新型聚合物石英压电传感器的表 ·305·