[發明專利]具有微結構電介質層的電容壓力傳感器的微結構設計方法

有效

• 申請號: 201810216573.6
• 申請日: 2018-03-16
• 公開（公告）號: CN108388749B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 張偉;鐘旭燕;吳承偉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/36
• 分類號: G06F30/36
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種具有微結構電介質層的電容壓力傳感器的微結構設計方法屬于柔性壓力傳感器領域。本發明將可解決復雜非線性問題的Abaqus和大型多物理場完全耦合有限元分析仿真平臺COMSOL Multiphysics相結合，模擬具有微結構的電容壓力傳感器在外壓作用下的電容響應，模擬結果與實驗結果基本吻合，與前人的模擬結果相比，精度大幅提高。通過改變電介質層微結構的彈性模量、底邊長、角度、高度和大小等參數，設計微結構的形狀、尺寸，得到各個參數對傳感器線性度和靈敏度的影響規律，為傳感器的微結構優化提供依據。本發明適用于棱柱狀、圓柱狀、棱錐狀、圓錐狀等微結構的電容式傳感器的結構設計和性能優化，設計方法精確度高，方便快捷。

技術領域

本發明屬于柔性壓力傳感器領域，涉及一種通過對電容壓力傳感器電介質層微結構的設計實現傳感器性能的優化，其適用于具有周期排列的微結構電介質層的電容壓力傳感器。

背景技術

隨著可穿戴電子設備以及智能化機器人的發展，基于柔性壓力傳感器的各種新型器件正在快速的增長。其傳感原理主要有壓阻、電容、壓電和光學等。其中電容式壓力傳感器具有靈敏度高、動態范圍大、響應快和結構簡單等優點而被廣泛應用。

平板電容壓力傳感器一般由兩個極板組成，分別是驅動極板和感應極板。將其中一個極板加工在襯底材料上，另一個極板表面加載壓力，其輸出電容大小與電極的面積成正比，與電極間的距離成反比。當改變電極之間的面積或者距離時，會引起輸出電容發生改變。基于平板電容的傳感器正是利用改變平板電極間的面積或距離，引起輸出電容的改變來測定被測對象發生的變化的。平板電容壓力傳感器對溫度變化的敏感度和靈敏度比較低，即傳感器的溫度系數特別小，所以輸出穩定性較好。

平板電容壓力傳感器具有棱柱狀、圓柱狀、棱錐狀及圓錐狀等微結構電介質層時，可以降低材料的黏彈性，從而縮短形變恢復時間，提高響應速度；微結構之間空氣間隙的存在，降低了電容器電介質層的整體彈性模量，使其對外壓有更大的變形，提高傳感器的靈敏度。鮑哲南團隊設計的金字塔微結構電容傳感器，具有很高的靈敏度(0.55kPa^-1)，可用作脈搏信號監測。然而其只保證了高的靈敏度和響應速度等，并沒有討論傳感器的線性度，而線性度是傳感器的一個重要性能指標。

通過設計電介質層的微結構優化傳感器性能已被證實是一種有效的方法。用數值模擬的方法來設計微結構方便、高效且成本低，但是由于微結構受壓過程中存在非線性接觸和大變形問題，目前尚未有人有效模擬出在外壓作用下的傳感器的整個電容響應過程。有學者用有限元模擬該過程，但模擬結果與實驗數據偏差大。Ashish Saxena等人用COMSOLMultiphysics模擬出的變形響應完全是線性的。Benjamin C.K.Tee等人模擬的應變響應幾乎是直線，與其所做實驗結果展現出的明顯非線性不相符。Weili Deng用COMSOLMultiphysics模擬的用作電子皮膚的電容傳感器在外壓作用下的電容響應，呈現出略微的內凹，而實驗曲線是外凸的。這是因為，電容傳感器在外壓的作用下，電介質層的金字塔微結構的高度隨著外壓的增大而減小，金字塔的塔尖與上極板的接觸面積逐漸增大，這是非線性接觸和大變形問題，電容響應實驗曲線因此呈現出非線性。雖然COMSOL可以模擬電容器的電容，但由于復雜的非線性接觸問題存在變形響應難以達到精度要求，而他們單用COMSOL模擬整個傳感器在外壓作用下的變形過程和電容改變過程，所以得出的電容響應曲線沒有呈現與實際相符的非線性，就不能基于模擬結果得出準確的靈敏度和線性度。另一方面，Abaqus有強大的力學仿真能力，可解決復雜非線性問題，然而卻沒有計算電容的功能。本發明結合兩個軟件的利弊，現在Abaqus中進行力學分析，得出傳感器在外壓作用下的變形云圖，然后導入COMSOL Multiphysics中進行電容的模擬。模擬結果與實驗結果基本吻合，與前人的模擬結果相比，精度有很大的提高。