[发明专利]一种微压传感器梁膜结构优化设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及压阻式压力传感器技术领域，具体涉及一种微压传感器梁膜结构优化设计方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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；