一种新型点压式力学传感器的结构仿真与设计开题报告

 2022-04-03 10:04

1. 研究目的与意义

mems压力传感器是一种薄膜元件,受到压力时变形。可以利用应变仪(压阻型感测)来测量这种形变,也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加以测量。

mems压力传感器是发展最早,且市场占有率极大的微型传感器。顾名思义,mems传感器是结合mems相关工艺技术与传统ic技术研制出的一类压力传感器。因而mems压力传感器不仅可以用类似集成电路设计技术和制造工艺,进行高精度、低成本的大批量生产,从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用mems传感器打开方便之门,使压力控制变得简单易用和智能化:而且还具有mems的特有材料特性与微型化等优势。目前,mems压力传感器综合了相对成熟的微电子工艺,如cvd技术,掺杂技术和新型的阳极键合技术等,以及绝缘体上硅(soi)、碳化硅(sic)、氧化铝陶瓷等新材料及相关技术。mems压力传感器的新技术的研发与进展使其向工业、医疗、汽车和更广阔的应用范围扩展,同时也为整个mems领域做出重要的贡献。

mems压力传感器广泛应用于汽车电子:如tpms(轮胎压力监测系统)、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(tmap)、柴油机共轨压力传感器;消费电子,如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤,洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子,如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。

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2. 研究内容和预期目标

本课题主要研究的是接触式mems点压力传感器的结构设计和基于此的fpga的电路应用。在此提出了一种新型电阻条对压力传感器结构,其特征在于:该传感器包括顶部设有条形阵列的硅衬底和底部设有凹槽的硅片,硅片固定连接在硅衬底的顶面,硅片的凹槽形成密封腔体,凹槽的表面溅射一金属层,凹槽上方为作为压力感知区的顶部膜层;所述的条形阵列是在硅衬底上通过掺杂方式形成的相互间隔、并行排列的条形;每个条形的中部断开,形成条形对;每个条形的两端均位于硅片外侧,且每个条形的两端均连接压焊块,压焊块固定连接在硅衬底上。

上述的微机械系统中接触式电阻压力传感器的由刚性衬底和硅膜以及中间一层薄片金属构成,衬底上分布有条形电阻对,两条电阻中间并未接触,故测量电阻对两端电阻时,阻值很大;当外部施加压力使得硅膜向下凹陷使得中间金属薄片与电阻对接触,此时测量两端电阻则阻值为较小。随着施加的力越大,接通的电阻条对越,只需测出接通电阻条对数则可以判断出压力大小。

对于传感器的各种力学和热学特性,需要使用ansys仿真软件进行有限元法的相关分析。有限元法将连续的求解域离散为一组单元的组合体,用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数,近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。最后得到适合的材料选择、形状及尺寸。在得到仿真结果后,根据压力和接触电极数之间的关系,通过fpga实现转化和显示输出,从而实现输入电极对——输出压力的实际应用功能。

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3. 研究的方法与步骤

1、调研文献并总结各种类型的压力传感器。

2、学习并掌握使用ansys软件,学会有限元分析法对传感器进行建模。

3、针对本设计中确定的点阵式压力传感器进行建模,设置合理参数。

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4. 参考文献

[1] al-sagban m, dhaouadi r. neural based autonomous navigation of wheeled mobile robots[j]. autom. mob. robot. intell. syst., 2016, 10:64–72.

[2] anabi k h, nordin r, abdullah n f. database-assisted television white space technology: challenges, trends and future research directions[j]. ieee access, 2016, 4:8162–8183.

[3] chwa d. fuzzy adaptive tracking control of wheeled mobile robots with state-dependent kinematic and dynamic disturbances[j]. ieee trans. fuzzy syst.,2012, 20:587–593.

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5. 计划与进度安排

(1)2022.2.25-2022.3.15 文献调研,图书馆查阅资料,完成开题报告,完成外文资料的翻译;

(2)2022.3.16-2022.4.15实验系统研究一种新型点压式力学传感器的结构仿真与设计;

(3)2022.4.16-2022.4.30 总结并整理实验数据,进行优化实验;

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