基于光纤光栅传感器的模内微装配耦合界面压力检测方法

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微装配技术已成为制约微机电系统制造的瓶颈,模内微装配成型是突破该瓶颈的一种极具发展前景的高效、低成本、产业化聚合物微机电系统制造技术。模内微装配成型过程中二次成型件对一次成型件耦合界面的压力是影响装配体品质的关键因素,如何精准、高效地测量耦合界面压力是模内微装配研究的关键共性问题。针对此问题,本文构建了聚合物模内微装配成型过程中热流固耦合界面形变的理论模型并进行了数值仿真,分析了模内微装配过程中一次成型件在耦合过程中的形变情况。在此基础上,结合光纤光栅本征无源、抗干扰强、轴向应变敏感等特性提出了一种基于光纤光栅传感技术的模内微装配耦合界面压力检测方法,据此设计了耦合界面压力传感器,并对传感器性能进行了数值仿真分析和实验验证。本文主要工作包括:基于热黏弹塑性本构模型和流变学基本理论构建了聚合物模内微装配成型过程中热流固耦合界面形变模型,并进行了数值仿真,分析了一次成型轴体在耦合界面上的受载情况,为模内微装配耦合界面压力检测方法研究与传感器研制提供了理论基础。提出了一种基于光纤光栅传感的模内微装配过程耦合界面压力检测方法。使用轴体耦合面中心点平均压力描述耦合界面压力,将压力测量映射为光纤光栅反射光波长测量,并通过光纤传输信号至光谱仪实现了对数据的实时获取,解决了由于模内腔体小、微装配过程温度高等复杂环境因素导致的普通压力测量方法无法对模内耦合界面压力进行测量的问题。研发了一种模内微装配过程耦合界面压力传感器。基于轴对称圆形膜片最小挠度传感机理,通过对封装材料参数的理论分析与仿真实验,设计了模内耦合界面压力传感器结构,建立了压力与反射光波长之间的映射模型。进行了模内微装配耦合界面压力检测实验。实验结果表明,压力传感器的线性度为0.9754,迟滞性和重复性误差分别为4.32%及0.136%,实现了对模内微装配耦合界面压力的准确测量,验证了本文所提检测方法的准确性、稳定性和有效性,为促进聚合物微机电系统制造技术的研究和发展提供了有力工具。
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