MEMS硅微諧振式壓力傳感器壓力檢測元件的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、硅微諧振式壓力傳感器是微傳感器中重要的研究對象之一。其壓力檢測元件主要由一次敏感元件壓力膜和二次敏感元件諧振梁組成。本文研究了一種梁膜間接連接式壓力檢測元件中壓力膜的受力變形機(jī)理，該結(jié)構(gòu)通過硅島錨點(diǎn)將壓力膜變形撓度轉(zhuǎn)變?yōu)橹C振梁的軸向拉伸位移，通過檢測諧振梁在軸向力作用下固有頻率的變化來間接測量外界壓力。在外界載荷與諧振梁抗彎、抗拉剛度所引起的反作用力共同影響下壓力膜中軸線撓度曲線不再呈拋物線狀分布。目前，大部分文獻(xiàn)主要研究壓力檢測元件中

2、薄膜承受均布載荷作用時的變形情況，理論分析時往往忽略二次敏感元件對壓力膜變形的影響，對疊加載荷下壓力膜變形機(jī)理的研究大多采用有限元仿真，缺少理論依據(jù)。本文提出了一種計(jì)算壓力膜在疊加載荷下變形撓度的解析模型，并借助此模型優(yōu)化了壓力檢測元件各結(jié)構(gòu)尺寸。給壓力傳感器設(shè)計(jì)人員提供了一種物理意義清晰、易于編程實(shí)現(xiàn)的高效分析手段，為傳感器壓力檢測元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　本文對傳感器壓力檢測元件的研究主要分為三部分：建立壓力膜在均布

3、載荷下的變形撓度解析模型。將壓力膜變形視為四邊固支矩形薄板的小撓度變形問題，推導(dǎo)出薄板變形的撓曲面表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，將固支薄板等效為施加了邊界分布力矩的簡支薄板。通過將簡支薄板在均布載荷、邊界力矩作用下的變形撓度相疊加，得到固支矩形薄板在均布載荷下的變形撓度，理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果得到了很好的相互驗(yàn)證。使用該解析模型分析了壓力膜結(jié)構(gòu)尺寸對其變形撓度的影響，以及均布載荷下薄膜的應(yīng)力、內(nèi)力分布情況，以此提出壓力檢測元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；

4、建立壓力膜在疊加載荷下的變形撓度解析模型。在壓力膜底部施加均布載荷的同時，于上方關(guān)于中心對稱的矩形區(qū)域施加局部均勻載荷來模擬梁通過錨點(diǎn)施加于膜上的反作用力。同樣，去掉固支約束后將簡支薄板在上方局部均勻載荷、底部均布載荷以及邊界分布力矩作用下的變形撓度相疊加，得到固支薄板在疊加載荷作用下的變形撓度，理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果吻合程度較高。使用該模型分析了局部載荷對壓力膜變形的影響，以此提出了硅島錨點(diǎn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；結(jié)合以上兩種理論模型與有限元