[发明专利]一种微压传感器梁膜结构优化设计方法

权利要求书

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d_max≤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，则将几何构型作为最优构型输出，优化结束；

在步骤(4)中，基于所述有限元分析模型A建立所述拓扑优化模型并求解的过程为：

(4.1)在所述有限元分析模型A中选取所述硅梁层作为待设计区域；

(4.2)在所述有限元分析模型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)基于所述有限元分析模型A，建立敏感区总应变能E的设计响应函数；

(4.5)基于所述待设计区域，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。

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d_Z＝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，划分出第二敏感区(311)。

5.根据权利要求4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(2.1)中，对第一X方向对称面(31)设置对称边界条件，对第一Y方向对称面(32)设置对称边界条件。

6.根据权利要求5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(2.2)中，在第一凹槽(312)的第一切面(33)上建立固支边界条件。

7.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(3)中，V₀⁽¹⁾＝5％。