[发明专利]具有微结构电介质层的电容压力传感器的微结构设计方法

权利要求书

1.一种具有微结构电介质层的电容压力传感器的微结构设计方法，其特征在于以下步骤；

第一步，建立电容传感器的模型，验证模拟的有效性

在ABAQUS中建立具有微结构的电容传感器模型，进行有限元分析，模拟压力作用下的电容传感器变形响应；提取变形过程中的模型几何信息，建立新的带有空气域的模型，在COMSOL中进行电容模拟；将模拟的电容相对变化曲线与实验曲线进行对比，验证模拟的有效性：若有效则进行第二步，若无效，则返回重新建立电容传感器模型；

第二步，设计微结构的材料参数和几何参数

建立具有微结构的电容传感器模型，设置微结构的材料性质、形状和大小；材料性质的设计通过改变微结构材料PDMS的弹性模量E来实现；形状设计通过改变微结构的底边长L，高度H来实现；大小设计通过改变整体尺寸来实现，用高度h表征；

第三步，对第二步设计的具有微结构的电容传感器模型进行有限元模拟分析

3.1)计算电容传感器的初始电容；

对于无外压作用下的初始模型，通过电容计算公式计算传感器的初始电容C₀；依据单一电介质电容器的串并联公式，推导两种电介质的电容计算公式；

圆柱、方柱电介质电容计算公式：

其中，η为圆柱体或方柱体占整个电介质层的体积比，ε₁为空气的相对介电常数，ε₂为圆柱材料的相对介电常数，A为极板的面积，d为两极板的间距；

圆锥电介质电容计算公式：

其中，R为圆锥半径，ε₁为空气的相对介电常数，ε₃为圆锥材料的相对介电常数，A为极板的面积，d为两极板的间距；

金字塔电介质电容计算公式：

其中，k＝2d₁/a，为金字塔斜面的斜率，a为金字塔底边长，d₁为金字塔高；ε₁为空气的相对介电常数；ε₄为金字塔材料的相对介电常数；A为极板的面积；

3.2)选用ABAQUS进行外压作用下电容传感器的变形模拟；

3.3)外压作用下的电容响应模拟；

提取变形过程中的模型几何信息，建立新的带有空气域的模型，在COMSOL中进行电容的模拟；

第四步，对模拟结果进行线性度和灵敏度分析

根据第三步所得的初始电容和外压作用下的电容响应值计算灵敏度和非线性误差，得出各种参数对线性度和灵敏度的影响，判断灵敏度和线性度是否满足依据传感器的检测对象和目的制定的设计目标：若灵敏度偏小或者非线性误差偏大，则重复第二步和第三步；若满足要求则设计完成具有微结构的电容压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种具有微结构电介质层的电容压力传感器的微结构设计方法，其特征在于，所述的微结构包括圆柱微结构、方柱微结构、圆锥微结构或棱锥微结构。