压电式力传感器广泛应用于高性能零件的精密加工、装配等环节,是重要的力学载荷测量装置。当前,对压电式力传感器的研究主要集中在晶体材料、晶片尺寸、壳体结构、电极个数等因素对其性能的影响,缺乏有关晶片表面微观形貌对其性能影响的研究。忽视晶片表面微观形貌因素,将导致传感器的刚度下降、灵敏度降低、吸湿性提高,严重影响传感器的正常使用。因此,本论文以晶片表面微观形貌为研究对象,从晶片制备、表面微观形貌的表征及其对传感器性能的影响机理、影响规律等方面展开研究。(1)制备了具有不同表面微观形貌的石英晶片。利用金刚石往复式线锯切割压电晶体,加工定向端面及切片,提出了一种通过控制切向力提升晶片表面平面度的方法。应用X射线定向仪对晶片进行定向,分析定向误差对传感器性能影响。阐述晶片侧表面成型方法及特点。最后研磨晶片,制备了不同表面微观形貌的晶片,为后续研究提供了实验基础。(2)研究了晶片上/下表面微观形貌对传感器法向刚度的影响规律。利用分形理论对晶片表面微观形貌进行表征,通过结构函数法计算晶片表面微观形貌的分形参数。建立了虑及晶片表面微观形貌、预紧力、电极材料、压电晶体材料等因素的传感器法向刚度影响模型。通过两种压电晶体(石英和硅酸镓镧),四种电极材料(钛合金、不锈钢、黄铜和铝)分别构成晶组进行实验。结果表明:传感器法向刚度,随着晶片表面微观形貌分形维数的增加,先增加后减小;随着分形尺度系数的增加而减小;选用弹性模量小的晶体或电极材料、增加预紧力,有助于提高晶片与电极的接触刚度、法向刚度、传感器固有频率,从而提高传感器动态性能。(3)研究了晶片上/下表面微观形貌对传感器灵敏度的影响规律。晶片表面微观形貌通过晶片等效电容效应影响晶组灵敏度,通过分载效应影响传感器灵敏度。建立了虑及晶片尺寸和表面微观形貌、晶体压电系数、传感器结构参数、电荷放大器系统参数在内的传感器灵敏度模型。针对晶片等效电容效应,利用统计学模型对晶片表面微观形貌进行表征,建立了基于电荷放大器的灵敏度影响模型并进行实验研究。随着晶片表面粗糙度增大,晶片与电极微观接触间距增大,晶组的灵敏度提高。针对分载效应,给出了晶片/电极接触刚度对传感器灵敏度影响模型并进行实验。低接触刚度时,随着结合面接触刚度的提高,传感器灵敏度提高;随着接触刚度的增加灵敏度提高幅度逐渐降低;高接触刚度情况下,接触刚度提高对灵敏度存在负面影响。阐明了两种效应的关系——串联关系,分载效应的影响更强。最后,以不同表面粗糙度晶片封装单向力、三向力传感器,进行灵敏度性能对比实验。结果表明:优选晶片表面粗糙度可提高压电式力传感器灵敏度。给出了不同量程下,压电式力传感器晶片表面粗糙度推荐值,为高性能压电式力传感器设计提供了参考。(4)研究了晶片侧表面微观形貌对传感器吸湿性的影响。提出了压电效应感生电荷卸荷通道机理:感生电荷通过晶片侧表面卸荷。实验研究了压电晶体表面粗糙度,相对湿度与晶体面电阻关系。在高湿度情况下,晶片侧表面越粗糙,传感器吸湿性越差,防水性越强;低湿度时,光滑侧表面具有较高的防水性。针对传统涂防水胶防水的弊端,提出了一种基于氟化技术的晶片防水新方法。分析了压电石英晶体表面氟化膜形成机理,实验研究了氟化膜防水的有效性:达到90%RH时,晶组依然正常工作。实验研究了温度、破损对氟化膜防水有效性的影响,在0～80℃范围,氟化膜具有温度适应性;上/下表面及侧表面周向破损不破坏氟化膜防水性,侧表面法向贯穿式破损使氟化膜失去防水性,实验结果为感生电荷卸荷通道机理提供了有力的证明。