一种微压传感器梁膜结构优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种微压传感器梁膜结构优化设计方法，旨在为高灵敏度、大量程的新型微压传感器的梁膜构型提供高效设计工具。本方法直接从通用压力传感器梁膜结构出发，构建基于拓扑优化的设计迭代过程，通过校核额定载荷下梁膜结构的最大挠度，更新拓扑优化模型中的体积约束条件，实现满足挠度设计要求前提下梁膜结构应力响应最大化。与常规方法比较，本方法无需提出梁膜结构的初始构型，整个优化过程基于现有有限元分析软件平台展开，大幅降低了对设计者工程经验、专业技能等方面的要求，具有优良的工程实用性。

An optimal design method of beam membrane structure of micro pressure sensor

【技术实现步骤摘要】
一种微压传感器梁膜结构优化设计方法
本专利技术涉及压阻式压力传感器
，具体涉及一种微压传感器梁膜结构优化设计方法。
技术介绍
本压阻式压力传感器的基本原理是利用半导体材料的压阻效应实现压力度量。在实际工程中，常通过在弹性元件表面设置包含4个压敏电阻的惠斯通桥电路。由此，当弹性元件受到压力载荷时，压敏电阻阻值变化，并通过惠斯通桥电路输出电压信号，实现对压力载荷的实时测量。此类传感器具有尺寸小、易于集成、性能稳定等特点，已广泛应用于航空航天、车辆、勘探、土木工程等诸多领域。敏感度和线性度是压力传感器最为重要的两个性能指标。敏感度决定了传感器的精度，而线性度则决定了传感器的量程及稳健性。然而，敏感度和线性度就如同天平的两端，具有彼此制衡的关系。当压力载荷存在时，设计者期望在设计有压敏电阻的区域内得到较大的响应应力，以驱使压敏电阻产生更明显的阻值变化；另一方面，弹性区域受载时的最大挠度需要被限制，以满足线性度要求。为使应力集中于敏感区并控制最大挠度，将弹性区域设计成梁膜结构是被工程界广泛采用的一类构型方法。典型的梁膜构型主要包括：十字梁、中心岛、短梁-单岛等。常规设计方法的基本步骤是，先根据工程经验提出一种构型，然后基于此构型通过经典的敏感度分析或是尺寸优化方法，从而进一步实现该构型的优化设计。然而，这种常规的设计方法存在一定弊端。首先，提出一种新的构型对于设计者就极具挑战，其依赖于工程经验，且易受限于已有构型。其次，尺寸优化可能涉及十几个甚至数十个结构尺寸设计变量，而应力、挠度响应通过基于耗时的有限元分析，对高维度且涉及有限元分析的优化模型进行求解，其本身在效率和收敛性方面都极具挑战。再次，尽管在学术界基于数值模拟的结构优化方法已经成熟，然而对于一般的设计工程师，优化求解涉及的编程可能过于繁琐而难以推广。综上，针对上述工程实际中存在的问题，提出一种不依赖于工程经验且易于操作的微压传感器梁膜结构设计方法，具有非常重要的工程意义。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种微压传感器梁膜结构优化设计方法，该方法可以降低对工程经验的依赖，避免构建基本的梁膜构型，而直接得到满足挠度要求且具有最大应力响应的传感器梁膜构型，为构造高灵敏度、大量程的新型微压传感器提供了高效的设计工具。为实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：一种微压传感器梁膜结构优化设计方法，包括以下步骤：(1)根据待优化的微压传感器，预先定义设计区域和约束，设计区域选取为微压传感器的硅梁层作为设计区域；约束为在额定压力载荷P0的作用下，微压传感器的弹性区最大挠度dmax≤d0，其中d0表示额定挠度；(2)建立有限元分析模型A，模拟微压传感器在位移载荷下的应力分布；(3)迭代初始化，设置迭代步k＝1和初始额定体积V0(1)；(4)基于所述有限元分析模型A，建立拓扑优化模型并求解；(5)对拓扑构型，分析额定压力载荷下的最大挠度；(6)判断是否满足约束：d(k)≤d0；若不满足，则设k＝k+1，V0(k)＝V0(k-1)+λ，λ表示迭代过程中的额定体积增量，返回步骤(4)；如满足，则将所述几何构型作为最优构型输出，优化结束。进一步地，在步骤(1)中，待优化的微压传感器是基于n型(100)晶向SOI晶片设计制作，包含硅膜层、硅梁层、二氧化硅层；在硅膜层上设置4个直角第一凹槽，第一凹槽之间的间隙是用于设置压敏电阻的第一敏感区；4个压敏电阻通过引线相连，形成惠斯通桥电路，微压传感器在第一弹性区上的压力载荷P的作用下，压敏电阻的阻值随之发生变化，通过惠斯通桥电路输出相应的电压信号。进一步地，在步骤(2)中，建立有限元分析模型A的过程为：(2.1)根据工程实际，对微压传感器设置边界条件；(2.2)在弹性区的中心区域施加法向位移载荷dZ＝d0；(2.3)在现有有限元分析软件平台上进行通用静态分析，得到微压传感器的等效应力分布。进一步地，在步骤(2)中，选取微压传感器的第一凹槽及第一弹性区部分建立第一1/4有限元分析模型，第一1/4有限元分析模型为模型A，划分出第二敏感区。进一步地，在步骤(2.1)中，对第一X方向对称面设置对称边界条件，对第一Y方向对称面设置对称边界条件。进一步地，在步骤(2.2)中，在第一凹槽的第一切面上建立固支边界条件。进一步地，V0(1)＝5％。进一步地，在步骤(4)中，基于所述有限元分析模型A建立拓扑优化模型并求解的过程为：(4.1)在有限元分析模型A中选取所述硅梁层作为待设计区域；(4.2)在有限元分析模型A中划分敏感区；(4.3)冻结有限元分析模型A中的边界条件区域和施加载荷区域；(4.4)基于有限元分析模型A，建立敏感区总应变能E的设计响应函数；(4.5)基于待设计区域，建立体积V的设计响应函数；(4.6)以最大化E为设计目标，以V≤V0(k)为约束，建立如下拓扑优化模型：(4.6)在现有有限元分析软件平台上求解所述拓扑优化模型并输出设计区域的拓扑构型。进一步地，在步骤(5)中，对拓扑构型分析额定载荷下的最大挠度过程为：(5.1)对拓扑构型进行规则化处理得到几何构型；(5.2)基于几何构型建立有限元分析模型B，在硅膜层区域上施加额定压力载荷P0；(5.3)在现有有限元分析软件平台进行通用静态分析，得到硅膜层的法向位移分布，提取硅膜层的最大挠度d(k)。进一步地，在步骤(5.2)中，对第二X方向对称面设置对称边界条件，对第二Y方向对称面设置对称边界条件，在第二凹槽的第二切面上建立固支边界条件。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：首先，本专利技术可以综合考虑微压传感器的应力响应和挠度响应，从而得到兼顾敏感度和线性度的梁膜构型，最终使得传感器良好的综合性能。其次，所提方法无需提出梁膜结构的初始构型，从而降低了对设计者工程经验的要求。再次，整个优化求解过程基于现有有限元分析软件平台展开，避免了繁琐、复杂的有限元及求解算法编程调试过程，降低了对设计者的技能要求。附图说明图1是本专利技术方法的流程示意图。图2是本专利技术具体应用实例中微压传感器的结构示意图。图3是本专利技术具体应用实例中位移载荷下的有限元分析模型。图4是本专利技术具体应用实例中模拟的位移载荷下等效应力分布。图5是本专利技术具体应用实例中首次迭代步输出的拓扑构型图。图6是本专利技术具体应用实例中校核所得拓扑构型的有限元分析模型。图7是本专利技术具体应用实例中所得最优构型及用于对比的两种常规构型图。图8是本专利技术具体应用实例中额定压力下的应力场和位移场。附图标记：20、微压传感器；21、硅膜层；211、第一敏感区；212、第一凹槽；213、引线；214、第一弹性区；22、硅梁层；23、二氧化硅层；30、第一1/4有限元分析模型；31、第一X方向对称面；311、第二敏感区；312、第二凹槽；314本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微压传感器梁膜结构优化设计方法，其特征在于，该方法包括如下处理步骤：/n(1)根据待优化的微压传感器，预先定义设计区域和约束，所述设计区域选取为微压传感器的硅梁层作为设计区域；所述约束为在额定压力载荷P

【技术特征摘要】
1.一种微压传感器梁膜结构优化设计方法，其特征在于，该方法包括如下处理步骤：
(1)根据待优化的微压传感器，预先定义设计区域和约束，所述设计区域选取为微压传感器的硅梁层作为设计区域；所述约束为在额定压力载荷P0的作用下，所述微压传感器的弹性区最大挠度dmax≤d0，其中d0表示额定挠度；
(2)建立有限元分析模型A，模拟所述微压传感器在位移载荷下的应力分布；
(3)迭代初始化，设置迭代步k＝1和初始额定体积V0(1)；
(4)基于所述有限元分析模型A，建立拓扑优化模型并求解；
(5)对所述拓扑构型，分析额定压力载荷下的最大挠度；
(6)判断是否满足约束：d(k)≤d0；若不满足，则设k＝k+1，V0(k)＝V0(k-1)+λ，λ表示迭代过程中的额定体积增量，返回步骤(4)；如满足，则将所述几何构型作为最优构型输出，优化结束。


2.根据权利要求1所述的一种微压传感器梁膜结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(1)中，待优化的微压传感器是基于n型(100)晶向SOI晶片设计制作，包含硅膜层(21)、硅梁层(22)、二氧化硅层(23)；在硅膜层(21)上设置4个直角第一凹槽(212)，第一凹槽(212)之间的间隙是用于设置压敏电阻的第一敏感区(211)；4个压敏电阻通过引线(213)相连，形成惠斯通桥电路，微压传感器在第一弹性区(214)上的压力载荷P的作用下，压敏电阻的阻值随之发生变化，通过惠斯通桥电路输出相应的电压信号。


3.根据权利要求1所述一种微压传感器梁膜结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，建立所述有限元分析模型A的过程为：
(2.1)根据工程实际，对所述微压传感器设置边界条件；
(2.2)在所述弹性区的中心区域施加法向位移载荷dZ＝d0；
(2.3)在现有有限元分析软件平台上进行通用静态分析，得到所述微压传感器的等效应力分布。


4.根据权利要求3所述的一种微压传感器梁膜结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，选取微压传感器(20)的第一凹槽(212)及第一弹性区(214)部分建立第一1/4有限元分析模型(30)，所述第一1/4有限元分析模型(30)为模型A，划分出第...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志亮，贺月霞，阳同光，王中华，孙文德，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43