[发明专利]具有微结构电介质层的电容压力传感器的微结构设计方法

摘要

一种具有微结构电介质层的电容压力传感器的微结构设计方法属于柔性压力传感器领域。本发明将可解决复杂非线性问题的Abaqus和大型多物理场完全耦合有限元分析仿真平台COMSOL Multiphysics相结合，模拟具有微结构的电容压力传感器在外压作用下的电容响应，模拟结果与实验结果基本吻合，与前人的模拟结果相比，精度大幅提高。通过改变电介质层微结构的弹性模量、底边长、角度、高度和大小等参数，设计微结构的形状、尺寸，得到各个参数对传感器线性度和灵敏度的影响规律，为传感器的微结构优化提供依据。本发明适用于棱柱状、圆柱状、棱锥状、圆锥状等微结构的电容式传感器的结构设计和性能优化，设计方法精确度高，方便快捷。

主权项

1.一种具有微结构电介质层的电容压力传感器的微结构设计方法，其特征在于以下步骤；第一步，建立电容传感器的模型，验证模拟的有效性在ABAQUS中建立具有微结构的电容传感器模型，进行有限元分析，模拟压力作用下的电容器变形响应；提取变形过程中的模型几何信息，建立新的带有空气域的模型，在COMSOL中进行电容模拟；将模拟的电容相对变化曲线与实验曲线进行对比，验证算法的有效性：若有效则进行第二步，若无效，则返回重新建立电容传感器模型；第二步，设计微结构的材料参数和几何参数建立具有微结构的电容传感器模型，设置微结构的材料性质、形状和大小；材料性质的设计通过改变微结构材料PDMS的弹性模量E来实现；形状设计通过改变微结构的底边长L，高度H等来实现；大小设计通过改变整体尺寸来实现，用高度h表征；第三步，对第二步设计的具有微结构的电容传感器模型进行有限元模拟分析3.1)计算电容传感器的初始电容对于无外压作用下的初始模型，通过电容计算公式计算传感器的初始电容C0；依据单一电介质电容器的串并联公式，推导两种电介质的电容计算公式；圆柱、方柱电介质电容计算公式：其中，η为圆柱体或方柱体占整个电介质层的体积比，ε1为空气的相对介电常数，ε2为圆柱材料的相对介电常数，A为极板的面积，d为两极板的间距；圆锥电介质电容计算公式：其中，R为圆锥半径，ε2为圆锥材料的相对介电常数；金字塔电介质电容计算公式：其中，k＝2d/a，为金字塔斜面的斜率，a为金字塔底边长，d为金字塔高；ε1为空气的相对介电常数；ε2为金字塔材料的相对介电常数；3.2)选用Abaqus进行外压作用下电容传感器的变形模拟；3.3)外压作用下的电容响应模拟提取变形过程中的模型几何信息，建立新的带有空气域的模型，在COMSOL中进行电容的模拟；第四步，对模拟结果进行线性度和灵敏度分析根据第三步所得的初始电容和外压作用下的电容响应值计算灵敏度和非线性误差，得出各种参数对线性度和灵敏度的影响，判断灵敏度和线性度是否满足依据传感器的检测对象和目的制定的设计目标：若灵敏度偏小或者非线性误差偏大，则重复第二步和第三步；若满足要求则设计完成具有微结构的电容压力传感器。