基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法技术

基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法，首先根据传感器的结构和约束条件，利用有限元仿真软件进行传感器的建模和力学仿真，将力学仿真结果中的形变结果导出；然后处理形变结果获得每个绝缘层界面中各节点的绝对坐标与每个绝缘层边缘闭环路径中各节点的绝对坐标；再根据加密法、映射法分别计算传感器可变电容部分和固定电容部分的电容值后相加，获得最终的传感器电容值，加密法和映射法结合使用增加了设计的灵活性。本发明专利技术解决了一些有限元仿真软件无法直接求解传感器电容值的问题，通过构造绝对坐标的方式，利用微元法思想，能够用于计算发生不规则形变的电容器，突破了均匀压力条件下小挠度和大挠度理论计算的限制，计算误差小。

【技术实现步骤摘要】
基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法
本专利技术属于传感器设计及其可靠性技术分析领域，涉及一种电容值的计算方法，具体为一种基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法。
技术介绍
碳化硅电容式压力传感器主要应用于航空航天、石油勘探和核工程等环境复杂且恶劣的领域，由于碳化硅的具有耐高温、耐腐蚀等优良性能，因此得到了越来越多研究人员的关注。电容式压力传感器通过一层敏感膜来监控外界压力的变化。电容式传感器的上下两层为半导体或金属材料，作为电容器的上下极板，起到导电的作用；中间可以是一层或多层的绝缘材料，作为电容器的介质层，例如电容式传感器的上下极板采用上下两层碳化硅导电极板组成，中间的介质层由真空腔体和二氧化硅绝缘层形成。敏感膜作为电容式传感器的上极板，当压力作用在敏感膜上，敏感膜发生形变，电容值相应变化，通过记录电容值的变化来反映外界压力的大小。目前对电容式压力传感器的电容值求解的一般方法是，在均匀作用于敏感膜的大气压力条件下，利用小挠度或大挠度理论进行计算，存在理论近似误差。另一种方法是在针对圆形敏感膜的有限元仿真中，提取敏感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法，所述传感器为电容式传感器，包括上极板、下极板、以及位于所述上极板和下极板之间的介质层，其中传感器可变电容部分的介质层包括上下两层第一绝缘层和位于两层第一绝缘层之间的空腔，传感器固定电容部分的介质层为键合的两层第二绝缘层；/n其特征在于，所述传感器电容值计算方法包括如下步骤：/n步骤一、根据所述传感器的结构和约束条件，利用有限元仿真软件进行传感器的建模和力学仿真，力学条件作用在所述传感器上引起所述传感器形变，将力学仿真结果中的形变结果导出；所述力学条件包括但不限于压力、振动和温度；/n所述形变结果包括第一绝缘层边缘闭环路径和第二绝缘层边缘闭环路径中...

【技术特征摘要】
1.基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法，所述传感器为电容式传感器，包括上极板、下极板、以及位于所述上极板和下极板之间的介质层，其中传感器可变电容部分的介质层包括上下两层第一绝缘层和位于两层第一绝缘层之间的空腔，传感器固定电容部分的介质层为键合的两层第二绝缘层；
其特征在于，所述传感器电容值计算方法包括如下步骤：
步骤一、根据所述传感器的结构和约束条件，利用有限元仿真软件进行传感器的建模和力学仿真，力学条件作用在所述传感器上引起所述传感器形变，将力学仿真结果中的形变结果导出；所述力学条件包括但不限于压力、振动和温度；
所述形变结果包括第一绝缘层边缘闭环路径和第二绝缘层边缘闭环路径中每个节点在未进行力学仿真时的原节点坐标和进行力学仿真后在X方向和Y方向的形变量、第一绝缘层和第二绝缘层的每个绝缘层界面中每个节点在未进行力学仿真时的原节点坐标和进行力学仿真后在X方向、Y方向和Z方向的形变量，其中X方向和Y方向分别表示平行于所述传感器上极板所在平面且彼此相互垂直的两个方向，Z方向表示垂直于所述传感器上极板所在平面的方向；
步骤二、将所述第一绝缘层和第二绝缘层的每个绝缘层界面中每个节点的原节点坐标与各节点对应的X方向、Y方向和Z方向的形变量相加，获得第一绝缘层和第二绝缘层的每个绝缘层界面中各节点的绝对坐标；令靠近所述下极板的第一绝缘层中与所述下极板接触的绝缘层界面为界面A，与所述空腔接触的绝缘层界面为界面B；令靠近所述上极板的第一绝缘层中与所述上极板接触的绝缘层界面为界面E1，与所述空腔接触的绝缘层界面为界面D；令与所述下极板接触的第二绝缘层的绝缘层界面为界面C，与所述上极板接触的第二绝缘层的绝缘层界面为界面E2；
将所述第一绝缘层边缘闭环路径和第二绝缘层边缘闭环路径中每个节点的原节点坐标与各节点对应的X方向和Y方向的形变量相加，当第一绝缘层或第二绝缘层的边缘闭环路径为多段直线组成、或多段曲线组成、或多段直线和曲线共同组成时，将各段首尾相连，获得第一绝缘层边缘闭环路径和第二绝缘层边缘闭环路径中每个完整边缘闭合路径中各节点的绝对坐标；
步骤三、判断所述第一绝缘层边缘闭环路径所围内部区域能否用单一函数或分段函数描述，若能则选择加密法计算传感器可变电容部分的电容值，否则选择映射法计算传感器可变电容部分的电容值；
计算传感器可变电容部分电容值的具体方法为：
A1、当采用加密法时，对界面A、界面B、界面D和界面E1的绝缘层界面中各节点的绝对坐标进行加密获得更密集的节点坐标数据；
当采用映射法时，从界面A、界面B、界面D和界面E1中选择一个绝缘层界面将其中的各节点作为第一基准节点，将所述第一基准节点坐标分别映射到其他三个绝缘层界面上；
B1、界面A、界面B、界面D和界面E1四个绝缘层界面中在Z方向上具有相同的X方向坐标且具有相同的Y方向坐标的节点构成一个第一微元电容器，计算所述第一绝缘层边缘闭环路径的面积并平均分配到每个第一微元电容器，根据平板电容计算公式计算得到每个第一微元电容器的电容值，将所有第一微元电容器的电容值相加后得到所述传感器可变电容部分的电容值；
步骤四、判断所述第二绝缘层边缘闭环路径所围内部区域能否用单一函数或分段函数描述，若能则选择加密法计算传感器固定电容部分的电容值，否则选择映射法计算传感器固定电容部分的电容值；
计算传感器固定电容部分的电容值的具体方法为：
A2、当采用加密法时，对界面C和界面E2的绝缘层界面中各节点的绝对坐标进行加密获得更密集的节点坐标数据；
当采用映射法时，从界面C和界面E2中选择一个绝缘层界面将其中的各节点作为第二基准节点，将所述第二基准节点坐标分别映射到另一个绝缘层界面上；
B2、界面C和界面E2两个绝缘层界面中在Z方向上具有相同的X方向坐标且具有相同的Y方向坐标的节点构成一个第二微元电容器，计算所述第二绝缘层边缘闭环路径的面积并平均分配到每个第二微元电容器，根据平板电容计算公式计算得到每个第二微元电容器的电容值，将所有第二微元电容器的电容值相加后得到所述传感器固定电容部分的电容值；
步骤五、将所述步骤三计算得到的所述传感器可变电容部分的电容值与所述步骤四计算得到的所述传感器固定电容部分的电容值相加，获得最终的所述传感器电容值。


2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法，其特征在于，所述步骤一中有限元仿真软件采用ANSYSworkbench，首先利用ANSYSworkbench按照传感器结构尺寸建立模型，调用ANSYSworkbench的力学仿真模块，将模型进行网格划分并设置接触对，随后根据实际测试的固定方式进行约束条件设置并进行载荷施加设置，最后进行包括压力、振动和温度条件的力学仿真，求解获得力学仿真结果。


3.根据权利要求2所述的基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法，其特征在于，从所述力学仿真结果中导出所述形变结果的方式为：
A3、建立所述第一绝缘层的边缘闭环路径和第二绝缘层的边缘闭环路径；
B3、利用ANSYSworkbench中的形变选项处理所述力学仿真结果：
B3.1、选择所述第一绝缘层边缘闭环路径和第二绝缘层边缘闭环路径，分别添加X方向和Y方向的两个形变方向；
B3.2、选择所述第一绝缘层和第二绝缘层的每个绝缘层界面，分别添加X方向、Y方向和Z方向的三个形变方向；
B3.3、求解获得所述形变结果并以Excel表格或TXT文本形式导出形变结果文件，其中所述形变结果文件中包括节点编号、节点坐标和...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜江锋，刘成艺，杨荣森，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51