Page 149 - 《应用声学》2020年第2期

第 39 卷 第 2 期 张礼华等： 三维微机电系统声发射传感器设计及性能分析 307

拟了传感单元的谐振频率、变形量，验证了3-D声发
0 引言
射传感器的可行性。
声发射技术 (Acoustic emission, AE)作为一种
1 三维MEMS声发射传感器的简介及工
动态无损检测手段，被广泛应用于无损检测中。
作原理
声发射技术主要通过接收和分析材料的声发射信
号来判断材料的破坏起始时机、损伤演化过程和 本文研究的 3-D MEMS 声发射传感器采用
最终失效。到目前为止，AE 技术已成功应用于监 PolyMUMPs 制作，可以显著提升传感器的品质
测多种不同的结构，如公路桥梁、管道、复合材 因数 Q。图1 为3-D MEMS 声发射传感器结构示意
料等 [1−3] 。 图，主要包括 z 方向响应传感单元、y 方向响应传感
目前所开发的微型 AE 传感器多数是单轴传 单元和 x 方向传感单元。其中 z 方向响应传感单元
感器，仅对安装有传感器的结构表面法线方向位 包含可移动上极板和下极板；x 方向响应传感单元
移 (z 方向位移) 响应，在实际应用中受到很大的 包含可移动极板和两块固定侧极板；y 方向响应传
限制，且用于 AE 监测的传感器大多数是压电陶 感单元包含可移动极板和两块固定侧极板。在传感
瓷 (PZT) 的谐振式或宽频带传感器，压电传感器 器的频率响应范围内，当声波频率与传感器固有频
的阻抗与空气阻抗之间存在较大的失配，导致传 率相近或相等时，可移动电极板能在特定方向发生
感器的带宽较窄或效率较低，难以建立合适的阻 位移，得到变化的电信号，实现传感器对材料裂纹的
抗匹配层。电容式微机电系统 (Microelectro me- 3-D动态位移检测。
chanical system, MEMS) 传感器克服了阻抗失配 3个方向响应传感单元互相独立，z 方向响应传
问题，Khuri-Yakub 等 [4] 、Jin 等 [5] 将 MEMS 技术 感单元用于检测 z 方向声发射信号的大小，x 方向
应用在超声传感器中，提出了一种硅微加工方 响应传感单元用于检测 x 方向声发射信号的大小，

法制作的电容式微超声传感器 (Capacitive MEMS y 方向响应传感单元用于检测 y 方向声发射信号的
ultrasonic transducer, CMUT)；Saboonchi 等 [6] 和 大小。
Ozevin 等 [7] 采 用 多 晶 硅 微 机 械 加 工 工 艺 (Poly-
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MUMPS) 技术设计并制造了一种 MEMS 声发射 zவՔ־ऄ xவՔ־ऄ
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传感器，其中包括两组平面内和两组平面外传感
器，并利用激光激励和疲劳试验对 7075 铝合金试 yவՔ־ऄ
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件裂纹扩展进行了实际监测，表明了传感器的方向
特性，由于受高挤压膜阻尼影响，传感器不能准确 y z
x
检测到弹性波；Bekas 等 [8] 研制了一种直接贴附在
复合材料表面的平面叉指式电容传感器，成功地监 图 1 3-D MEMS 声发射传感器结构示意图
测了黏合剂环氧树脂的固化过程，但是传感器灵敏 Fig. 1 Schematic diagram of 3-D MEMS acoustic
emission sensor
度较差。在关于声发射传感器的研究中，大多数学
者研究的谐振式电容传感器品质因数 Q 和灵敏度 2 z 方向响应的谐振式电容传感单元设计计
较低。 算及仿真模拟
在本研究中，为了准确检测工程材料裂纹产生
的位置和延展方向，获得一种结构更简单紧凑、成 2.1 工作原理
本更低廉、体积尺寸更小型化、灵敏度更高的声发 z 方向响应谐振式电容传感单元的简化模型如
射传感器，提出了一种新型 3-D MEMS 谐振式电容 图2 所示，其中下极板固定，上极板由弹簧悬挂。在
声发射传感器。首先分析了 3-D 传感单元的作用机 传感器的频率响应范围内，当材料断裂时，裂纹产
理，建立传感器的模型，其次对其阻尼、谐振点处灵 生声波的频率与传感器的固有频率相同或相近时，
敏度进行数值计算，传感器的品质因数 Q 和谐振点 在 z 方向振动的两个电极之间的间隙发生变化，从
处灵敏度得到提高，最后采用 ANSYS 软件仿真模 而引起电容的变化，产生变化的电信号。复合材