微压阻式传感器有限元模拟及线性度优化设计

李文明，陈春俊，周丽名

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

1 引言

高速列车行驶过程中，列车表面的湍流场会造成气压脉动，从而使机车产生气动噪声及结构振动等各种问题[1]。在列车表面压力测量方面，微压阻式传感器起着不可替代的作用[2]。随着对测量要求的不断提高，高速列车表面压力测量需要传感器有较高的灵敏度和线性性能，但薄膜结构的微压阻式传感器，灵敏度的提升会导致线性度急剧变大，因而需要设计一种合适的结构在保证灵敏度的情况下减小非线性误差。

文献[3]通过Ansys仿真受力最大值来求取电压输出，利用薄膜受力分析来优化传感器结构，并进行了薄膜电路设计。文献[4]通过Ansys受力分析以及路径积分方式对传感器输出、灵敏度以及线性度进行了仿真研究。然而，在微压阻式传感器线性度补偿结构设计及性能改进方面研究的较少。

通过研究硅微机械系统压阻式传感器以及敏感薄膜弹性受力原理，提出了一套传感器核心敏感元件限元仿真方法，并利用薄膜受力数学模型对该有限元模拟方法的精确性进行了验证。针对硅微压阻式传感器灵敏度提升带来的线性度急剧增加的问题，为保证传感器在高灵敏度下有较好的线性输出，通过在敏感薄膜下方引入双岛进行应力集中来改善传感器的线性性能，并利用模型挠度、应力等输出数据来优化双岛结构岛长度和宽度等结构尺寸，得到了一种输出线性度优良的双岛结构传感器模型。……