热-结构耦合作用下压电式力传感器热应力分析

周远琴; 李映君; 李宏宇; 王桂从

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (1) : 194 -205.

周远琴, 李映君, 李宏宇, 王桂从

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摘要

针对极端环境下高温传感器的可靠性受限于热应力，导致传感器零漂和温漂甚至失效的问题，提出了一种基于热-结构耦合的高温压电式力传感器热应力计算方法及其有限元模型。基于平衡方程和热-弹性理论，建立了传感器热弹性力学物理方程，分析了封装材料和温度对压电式力传感器热应力的影响规律。通过分析高温环境下压电式力传感器的热应力分布，确定传感器应力集中位置。对传感器热应力进行溯源，得到封装材料和晶组材料的热膨胀系数不一致导致热失配应力产生。将随机振动功率谱密度转换为加速度时域信号，利用多物理场耦合方法，分析得到传感器的最大热应力为134.61 MPa,小于材料的屈服强度300 MPa,验证了传感器在高温、高压和随机振动综合环境下具有良好的可靠性。通过研究氧化铝和氧化锆绝缘层对传感器最大热应力的影响，研究结果表明，温度为420℃时氧化铝绝缘层传感器的最大热应力比无绝缘层传感器的最大热应力小9.18 MPa,比氧化锆绝缘层传感器最大热应力小79.31 MPa,该工作可为高温环境下减小传感器热应力措施提供一定的参考。