基于分子-电子感应式加速度计弹性薄膜元件的设计方法技术

一种基于分子‑电子感应式加速度计弹性薄膜元件的设计方法，属于传感器技术领域。本发明专利技术的目的是通过设计加速度计弹性薄膜元件，能够有效地针对不同的加速度计腔体类型进行弹性薄膜元件的匹配设计，使该弹性薄膜元件能够在具体的测量任务中，将最优的弹性性能与腔体进行配合基于分子‑电子感应式加速度计弹性薄膜元件的设计方法。本发明专利技术的分子‑电子感应式加速度计的流体动力学工作原理模型如下：反应腔内的电解液运动通过Navier‑Stokes方程对其完成描述，分子‑电子感应式加速度计的输出方程和电解液的离子迁移效应利用Nernst‑Plank方程对其进行描述，建立薄膜结构与电解液分界面方程通过上面方程的联合求解。本发明专利技术调整腔体内电解液离子浓度的运动变化，进而消除腔体内因外界振动产生的非运动方向干扰信号带来的不利影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器

技术介绍
分子-电子感应式加速度计是一种目前新兴的低频加速度计，这种新型的加速度计通过电解液的离子迁移效应能够实现对低频加速度的准确测量。在对该传感器的使用过程当中，分子-电子感应式加速度计的弹性薄膜结构能够对电解液的运动产生一个弹性力的作用。当加速度计受到外界加速度激励的时候，电解液会随着外界加速度的激励而运动，从而在电极上形成与加速度大小成正比的电化学电流信号。为了能够调整电解液的运动状态，在封存电解液的腔体两侧具有一组弹性薄膜元件。通过这一弹性薄膜元件，能够对电解液受外界激励下的运动姿态进行调整和矫正，从而实现对加速度计在振动过程中对于非有效运动形式进行的抑制。目前，常见的对分子-电子感应式加速度计电解液进行约束的弹性薄膜在应用过程中有着诸多的问题。对于不同类型、应用于不同测量任务以及具有不同测量范围的传感器而言，目前没有办法得到较为理想的弹性薄膜元件。为了弥补这一缺陷，需要额外地在后续调理方面构建诸多其他的电路结构，对弹性膜元件带来的误差及影响进行补偿与消除。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过设计加速度计弹性薄膜元件，能够有效地针对不同的加速度计腔体类型进行弹性薄膜元件的匹配设计，使该弹性薄膜元件能够在具体的测量任务中，将最优的弹性性能与腔体进行配合基于分子-电子感应式加速度计弹性薄膜元件的设计方法。本专利技术的分子-电子感应式加速度计的流体动力学工作原理模型如下：反应腔内的电解液运动通过Navier-Stokes方程对其完成描述：其中，为时间；为电解液密度；为电解液粘度；为外界振动激励的加速度；分子-电子感应式加速度计的输出方程和电解液的离子迁移效应利用Nernst-Plank方程对其进行描述：其中，是电流密度；,和是电解液中离子的传导系数；,和代表电解液中各类离子的浓度；代表阴阳极之间的电势差；是速度的矢量；F为法拉第常量；是气体常量；其中，是电极表面法向量参数；和是阴阳极的反应常量；n=1是带点离子所带电荷数；为0.5，是电极电子与电荷的转换系数；U为阴阳极之间所加的电压；是电化学反应的平衡电势；模型建立如下：薄膜结构与电解液分界面方程建立：其中，是分界面的等值线，决定了弹性膜结构在某时刻下的位置；则代表流体的速度矢量；为弹性膜的厚度分布；在整个交界面处，全局的密度与粘度的结构方程如下所示：其中，和分别为电解液的密度和粘度，而和则为弹性膜的密度和粘度；在动力学方面，采用Cahn-Hiliard方程来描述固-液两相流之间的动力学关系：其中，为电解液的迁移率；为固-液两相流交界面处的混合能量密度；而混合能量密度与膜的厚度，能够通过表面张力公式对其关系进行描述，有：在整个过程中，质量和动量的传输方程结合了流体动力学模型，有着如下形式的关系：其中，为电解液的密度；为时间；为电解液的速度矢量；为重力加速度；为液体表面张力的矢量。本专利技术在充分地研究了分子-电子感应式加速度计的工作原理模型后，再结合分子-电子感应式加速度计的弹性膜实际情况，本专利技术提出了一种新型的针对分子-电子感应式加速度计弹性薄膜元件的设计方法，并通过采用该算法能够有效地针对不同的加速度计腔体类型进行弹性薄膜元件的匹配设计，使该弹性薄膜元件能够在具体的测量任务中，将最优的弹性性能与腔体进行配合。借此来对指定的加速度测量任务进行较好的完成。当腔体受到外界加速度的激励时，会影响到电解液内的带电离子迁移，通过弹性薄膜元件能够对反应腔内电解液的动态运动形式进行有效的矫正。当加速度计受到外界加速度信号的激励时，弹性膜元件能够通过自身形变产生的弹性力，将其他方向的加速度分量进行有效的消除，从而调整腔体内电解液离子浓度的运动变化，进而消除腔体内因外界振动产生的非运动方向干扰信号带来的不利影响。附图说明图1是分子-电子感应式加速度计腔体结构及弹性模结构实物图；图2是分子-电子感应式加速度计腔体结构及弹性模结构的建模图；图3是分子-电子感应式加速度计弹性模结构的冲击响应状态图；图4是分子-电子感应式加速度计弹性模结构响应结束时的效果图；图5是本专利技术弹性模结构在冲击下的运动状态图；图6是现有常规膜结构在冲击下的运动状态图。具体实施方式本专利技术分子-电子感应式加速度计的流体动力学工作原理模型如下：反应腔内的电解液运动通过Navier-Stokes方程对其完成描述：其中，为时间；为电解液密度；为电解液粘度；为外界振动激励的加速度；分子-电子感应式加速度计的输出方程和电解液的离子迁移效应利用Nernst-Plank方程对其进行描述：其中，是电流密度；,和是电解液中离子的传导系数；,和代表电解液中各类离子的浓度；代表阴阳极之间的电势差；是速度的矢量；F为法拉第常量；是气体常量；其中，是电极表面法向量参数；和是阴阳极的反应常量；n=1是带点离子所带电荷数；为0.5，是电极电子与电荷的转换系数；U为阴阳极之间所加的电压；是电化学反应的平衡电势；模型建立如下：薄膜结构与电解液分界面方程建立：其中，是分界面的等值线，决定了弹性膜结构在某时刻下的位置；则代表流体的速度矢量；为弹性膜的厚度分布；在整个交界面处，全局的密度与粘度的结构方程如下所示：其中，和分别为电解液的密度和粘度，而和则为弹性膜的密度和粘度；在动力学方面，采用Cahn-Hiliard方程来描述固-液两相流之间的动力学关系：其中，为电解液的迁移率；为固-液两相流交界面处的混合能量密度；而混合能量密度与膜的厚度，能够通过表面张力公式对其关系进行描述，有：在整个过程中，质量和动量的传输方程结合了流体动力学模型，有着如下形式的关系：其中，为电解液的密度；为时间；为电解液的速度矢量；为重力加速度；为液体表面张力的矢量。通过上面方程的联合求解，可以对分子-电子感应式加速度计的弹性薄膜结构进行有效的建模。分子-电子感应式加速度计的腔体和薄膜结构如图2所示。其中，顶部为弹性膜结构，其下端是封装着电解液的腔体。本专利技术是一种用于分子-电子感应式加速度计的弹性薄膜元件的设计方法。本发明基于分子-电子感应式加速度计的工作原理模型建立，能够对构成分子-电子感应式加速度计的弹性薄膜元件的结构及材质进行深入分析。通过软件分析和仿真计算，可以对所需弹性薄膜元件进行定制，从而消除因传感器弹性薄膜元件的不匹配性对传感器动态噪声的影响，进而使其能够对任何结构下的分子-电子感应式加速度计进行弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分子‑电子感应式加速度计弹性薄膜元件的设计方法，其特征在于：分子‑电子感应式加速度计的流体动力学工作原理模型如下：反应腔内的电解液运动通过Navier‑Stokes方程对其完成描述：其中，为时间；为电解液密度；为电解液粘度；为外界振动激励的加速度；分子‑电子感应式加速度计的输出方程和电解液的离子迁移效应利用Nernst‑Plank方程对其进行描述：其中，是电流密度；,和是电解液中离子的传导系数；,和代表电解液中各类离子的浓度；代表阴阳极之间的电势差；是速度的矢量；F为法拉第常量；是气体常量；其中，是电极表面法向量参数；和是阴阳极的反应常量；n=1是带点离子所带电荷数；为0.5，是电极电子与电荷的转换系数；U为阴阳极之间所加的电压；是电化学反应的平衡电势；模型建立如下：薄膜结构与电解液分界面方程建立：其中，是分界面的等值线，决定了弹性膜结构在某时刻下的位置；则代表流体的速度矢量；为弹性膜的厚度分布；在整个交界面处，全局的密度与粘度的结构方程如下所示：其中，和分别为电解液的密度和粘度，而和则为弹性膜的密度和粘度；在动力学方面，采用Cahn‑Hiliard方程来描述固‑液两相流之间的动力学关系：其中，为电解液的迁移率；为固‑液两相流交界面处的混合能量密度；而混合能量密度与膜的厚度，能够通过表面张力公式对其关系进行描述，有：在整个过程中，质量和动量的传输方程结合了流体动力学模型，有着如下形式的关系：其中，为电解液的密度；为时间；为电解液的速度矢量；为重力加速度；为液体表面张力的矢量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于分子-电子感应式加速度计弹性薄膜元件的设计方法，其特征在于：分子-
电子感应式加速度计的流体动力学工作原理模型如下：
反应腔内的电解液运动通过Navier-Stokes方程对其完成描述：
其中，为时间；为电解液密度；为电解液粘度；为外界振动激励的加速度；
分子-电子感应式加速度计的输出方程和电解液的离子迁移效应利用Nernst-Plank方
程对其进行描述：
其中，是电流密度；,和是电解液中离子的传导系数；,和代表
电解液中各类离子的浓度；代表阴阳极之间的电势差；是速度的矢量；F为法拉第常量；
是气体常量；
其中，是电极表面法向量参数；和是阴阳极的反应常量；n=1是带点离子所带
电荷数；为0.5，是电极电子与电荷的转换系数；U为阴阳极之间所加的电压；是电化
学反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：周求湛，王春晖，陈永志，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22