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《電子測量技術(shù)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(dǎo)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(jìn)行了比較，提出了基于電阻應(yīng)變式一維位移傳感器結(jié)構(gòu)。首先，對位移傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論上的分析，得到了微位移與應(yīng)變的關(guān)系式；然后，采用ANSYS有限元分析軟件對傳感器的結(jié)構(gòu)的進(jìn)行仿真分析，得到位移與應(yīng)變之間的仿真值；最后，把理論上的分析值與仿真得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，新型傳感器能夠檢測微米級位移，通過優(yōu)化彈性薄片的結(jié)構(gòu)和改變施力點(diǎn)的位置，可以有效的提高傳感器的靈敏度。

關(guān)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(shù)是光纖通信的基礎(chǔ)，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(fā)展的關(guān)鍵器件［1］。而光電子封裝是制約光電子器件發(fā)展應(yīng)用的一個瓶頸［2－3］，目前的封裝方法主要是采用機(jī)器視覺進(jìn)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?yàn)楣鈱W(xué)本身的原因，視覺系統(tǒng)本身的分辨率低，精度不夠；2）視覺系統(tǒng)檢測屬于間接性的測量，無法實(shí)時的完成分析檢測。因此，研究耦合界面接觸時產(chǎn)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(zhǔn)精度；另一方面也可以與運(yùn)動構(gòu)成閉環(huán)控制，對于提高光電子封裝的性能和后續(xù)封裝速度具有促進(jìn)作用。可見，在光電子器件中對微位移的檢測是至關(guān)的重要，為了更好地實(shí)現(xiàn)微位移測量的實(shí)際需要，近年來也發(fā)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(jié)構(gòu)簡單，分辨率高、動態(tài)反應(yīng)快等特點(diǎn)，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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其頻率響應(yīng)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(wěn)定，但是其設(shè)計(jì)的技術(shù)難度比較大，成本較高。而對于電阻應(yīng)變式位移傳感器［6］來說，其具有較高的靈敏度、結(jié)構(gòu)簡單、線性度好、工作穩(wěn)定，而且設(shè)計(jì)成本較低等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合光電子器件封裝特點(diǎn)以及存在的問題，最終采用了電阻應(yīng)變片位移傳感器來對陣列光纖與波導(dǎo)芯片之間的位移進(jìn)行檢測，其測量基本原理是利用應(yīng)變片響應(yīng)的應(yīng)變與位移一一對應(yīng)關(guān)系，來進(jìn)行標(biāo)定實(shí)現(xiàn)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(dǎo)功能芯片和輸出陣列光纖實(shí)現(xiàn)模場匹配的對準(zhǔn)耦合，并釆用膠固化技術(shù)或爆接技術(shù)將各個模塊精確固化，獲得器件完整功能的生產(chǎn)過程，封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。陣列光纖與波導(dǎo)芯片之間的耦合對準(zhǔn)是封裝過程中的關(guān)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(dǎo)致膠量過多進(jìn)而引起耦合損耗增加，反之，耦合距離過小會導(dǎo)致UV膠量過少固化的強(qiáng)度不足，影響光電子器件的穩(wěn)定性。由于耦合界面間的距離調(diào)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(shù)據(jù)無法量化，調(diào)整難度大。因此，為了更好地測算出兩者之間的間距，設(shè)計(jì)了一種一維微位移傳感器結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(dǎo)芯片與陣列光纖的力以及微位移。通過傳感器測量的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為：一方面可以對間距進(jìn)行量化，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)時時檢測，真正實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)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(tǒng)的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器［9］。在對傳感器施加外力作用時，產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著被測對象發(fā)生變化而變化，此刻應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)改變，當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值改變量為ΔR時，知道其靈敏系數(shù)便可知被測對象的應(yīng)變值［10］：dLL＝εΔRR＝Kε（1）式中：R為電阻值（Ω）；K為靈敏系數(shù)；ε為金屬絲材料的應(yīng)變值；L為金屬絲的長度（m）；dL為伸長量（m）。傳統(tǒng)傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)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(diǎn)上施加一個作用力F時，會在末端產(chǎn)生一個很大的位移，在測量微小位移情況下，這個結(jié)構(gòu)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(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。在懸臂梁傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分優(yōu)化，在懸臂梁中心處開一圓形孔，通過仿真測量計(jì)算，總體效果并不是有明顯的改善。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)對微小位移的檢測，提出了一種新型傳感器結(jié)構(gòu)。

3新型傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

通過增加應(yīng)變片的值，提高傳感器的靈敏度，設(shè)計(jì)了一種新型傳感器結(jié)構(gòu)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(diǎn)一端開上下對稱槽，作用近似為一固定軸；在另一端設(shè)計(jì)為一薄片，為應(yīng)變值最大處。在作用點(diǎn)施加作用力F時，使得薄片處應(yīng)變最大，此處上表面受壓應(yīng)力，下表面受拉應(yīng)力，所以在其上表面和下表面各貼一個應(yīng)變片A和B，當(dāng)應(yīng)變梁發(fā)生形變，使得應(yīng)變梁上A、B應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，橋式電路電橋平衡被打破，轉(zhuǎn)化為電壓信號。在圖2所示的結(jié)構(gòu)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(fā)生形變小，因此在分析受力過程中可以忽略彈性薄片對應(yīng)變的影響。假設(shè)固定軸距離右側(cè)薄板距離為L1，施力點(diǎn)最大位移處距離為L2，作用力為F1，最大應(yīng)變處力大小為F2，Δs為最大位移量，Δy為施力點(diǎn)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(yīng)變處力F2大小相等方向相反，l′為應(yīng)變片中心點(diǎn)到最大位移處距離，最大貼應(yīng)變片處應(yīng)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(shí)驗(yàn)可以布置的測點(diǎn)數(shù)量有限，而仿真可以得到整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，故通過仿真替代實(shí)驗(yàn)對理論公式關(guān)于實(shí)際結(jié)構(gòu)的適用性進(jìn)行分析［11］。采用ANSYS有限元軟件對彈性體整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜態(tài)分析，在應(yīng)變分析求取方面具有高度可信的仿真結(jié)果。傳感器設(shè)計(jì)為85mm×10mm×10．2mm長方體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)構(gòu)成：長方體長寬高2mm×10mm×3．6mm，半圓R1＝1mm，離左側(cè)固定端5mm，剩余輔助彈性體厚度為1mm；右邊部分結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)應(yīng)變量，同時對施力點(diǎn)位移變化情況進(jìn)行分析，并對應(yīng)變片進(jìn)行精確定位貼片，更能直觀地找出彈性體結(jié)構(gòu)中最敏感部位。

4．1網(wǎng)格劃分

本彈性體結(jié)構(gòu)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(shí)體模型轉(zhuǎn)換為有限元分析模型時需要劃分網(wǎng)格。在對彈性體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，單元類型選用SOLID95高精度實(shí)體單元，并采用智能網(wǎng)絡(luò)劃分控制，選擇劃分精度后由ANSYS自動劃分后，對貼應(yīng)變片處的敏感部位再進(jìn)行精確劃分。

4．2仿真計(jì)算

彈性體是梁式結(jié)構(gòu)，在對彈性體進(jìn)行施力仿真前，需對彈性體左側(cè)施加面X、Y、Z軸上施加約束力，右側(cè)施加面Y軸上施加約束力，在施力位置點(diǎn)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(yīng)變，通過應(yīng)力、應(yīng)變以及位移等值線或曲線圖［12］，就可以了解應(yīng)力、應(yīng)變以及整體位移的分布情況。由于應(yīng)變片敏感柵具有一定的區(qū)域，不同長度、寬度處的應(yīng)變值不同，因此不能使用一條在線的應(yīng)變值代表整片應(yīng)變片的變形量［10］，所以采用均值法求得應(yīng)變。設(shè)計(jì)選用半導(dǎo)體應(yīng)變片的敏感柵長為5mm，寬0．32mm。因此，采用路徑映射將應(yīng)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(jié)點(diǎn)，即將5mm均分50等份，標(biāo)示每一節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)變?yōu)棣舏，則求得一條直線上的平均應(yīng)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(yīng)變?yōu)楂€εn，通過對10條直線上的平均應(yīng)變值求解，便可得所求應(yīng)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(dǎo)芯片與陣列光纖之間接觸力比較小，為了實(shí)現(xiàn)其在同等力情況下，傳感器彈性薄片應(yīng)變量最大，因此在整個仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)定其厚度為0．2mm。在施力點(diǎn)A處施加力F時，傳感器X軸應(yīng)變仿真云圖如圖4所示，仿真應(yīng)變最大值集中在彈性薄片上，與分析結(jié)果相一致。為了更好地驗(yàn)證傳感器的性能，在傳感器的施力點(diǎn)施加1～10N的垂直力，通過上述數(shù)據(jù)處理方法，得到在X軸上應(yīng)變集中處的應(yīng)變量，以及在施力點(diǎn)上的Z軸位移變化量，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示。為與此結(jié)構(gòu)比較，懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)長寬高均取相同值，改進(jìn)型傳感器圓孔處于傳感器中心，半徑為5mm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理方法，可得X軸應(yīng)變量和Z軸位移量。從圖5中可以看出，在施力點(diǎn)產(chǎn)生同樣的位移時，設(shè)計(jì)的新型傳感器中應(yīng)變量明顯高于傳統(tǒng)型懸臂梁傳感器和改進(jìn)型傳感器，靈敏度更高。為檢驗(yàn)彈性薄片長度l、U型槽到施力點(diǎn)的距離L2與均值應(yīng)變與施力點(diǎn)最大位移的比值之間的關(guān)系，通過上述ANSYS有限元分析方法以及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行逐一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)絕對誤差的定義為測量的實(shí)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(shè)l＝6mm為起始點(diǎn)每次增加0．5mm，通過理論計(jì)算以及ANSYS有限元分析實(shí)測均值應(yīng)變與施力點(diǎn)最大位移的比值之間的關(guān)系，如表2所示。施力點(diǎn)位移L2是變量時，假設(shè)L2＝7mm處為起始點(diǎn)每次增加0．5mm，通過理論計(jì)算以及ANSYS有限元分析實(shí)測均值應(yīng)變與施力點(diǎn)最大位移的比值之間的關(guān)系，得到如表3所示。通過ANSYS仿真實(shí)驗(yàn)得到表1的結(jié)果，從中可以看出，當(dāng)其他條件不變時，彈性薄片長度l越長，彈性片上的均應(yīng)變與施力點(diǎn)的最大位移比值越小，與理論分析結(jié)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(dǎo)條件下，l越短彈性薄片在整個結(jié)構(gòu)的影響因素就越大。通過ANSYS仿真實(shí)驗(yàn)得到表2的結(jié)果，從中可以看出，當(dāng)其他條件不變時，施力點(diǎn)位移L2越長，彈性片上的均應(yīng)變與施力點(diǎn)的最大位移比值越小，與理論分析結(jié)果相一致。由于測量的實(shí)際結(jié)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(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型的傳感器結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化傳感器彈性元件參數(shù)可以有效地提高傳感器的靈敏度，與傳統(tǒng)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(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院