[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

说明书

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属于柔性压力传感器领域。本发明将可解决复杂非线性问题的Abaqus和大型多物理场完全耦合有限元分析仿真平台COMSOL Multiphysics相结合，模拟具有微结构的电容压力传感器在外压作用下的电容响应，模拟结果与实验结果基本吻合，与前人的模拟结果相比，精度大幅提高。通过改变电介质层微结构的弹性模量、底边长、角度、高度和大小等参数，设计微结构的形状、尺寸，得到各个参数对传感器线性度和灵敏度的影响规律，为传感器的微结构优化提供依据。本发明适用于棱柱状、圆柱状、棱锥状、圆锥状等微结构的电容式传感器的结构设计和性能优化，设计方法精确度高，方便快捷。

技术领域

本发明属于柔性压力传感器领域，涉及一种通过对电容压力传感器电介质层微结构的设计实现传感器性能的优化，其适用于具有周期排列的微结构电介质层的电容压力传感器。

背景技术

随着可穿戴电子设备以及智能化机器人的发展，基于柔性压力传感器的各种新型器件正在快速的增长。其传感原理主要有压阻、电容、压电和光学等。其中电容式压力传感器具有灵敏度高、动态范围大、响应快和结构简单等优点而被广泛应用。

平板电容压力传感器一般由两个极板组成，分别是驱动极板和感应极板。将其中一个极板加工在衬底材料上，另一个极板表面加载压力，其输出电容大小与电极的面积成正比，与电极间的距离成反比。当改变电极之间的面积或者距离时，会引起输出电容发生改变。基于平板电容的传感器正是利用改变平板电极间的面积或距离，引起输出电容的改变来测定被测对象发生的变化的。平板电容压力传感器对温度变化的敏感度和灵敏度比较低，即传感器的温度系数特别小，所以输出稳定性较好。

平板电容压力传感器具有棱柱状、圆柱状、棱锥状及圆锥状等微结构电介质层时，可以降低材料的黏弹性，从而缩短形变恢复时间，提高响应速度；微结构之间空气间隙的存在，降低了电容器电介质层的整体弹性模量，使其对外压有更大的变形，提高传感器的灵敏度。鲍哲南团队设计的金字塔微结构电容传感器，具有很高的灵敏度(0.55kPa^-1)，可用作脉搏信号监测。然而其只保证了高的灵敏度和响应速度等，并没有讨论传感器的线性度，而线性度是传感器的一个重要性能指标。

通过设计电介质层的微结构优化传感器性能已被证实是一种有效的方法。用数值模拟的方法来设计微结构方便、高效且成本低，但是由于微结构受压过程中存在非线性接触和大变形问题，目前尚未有人有效模拟出在外压作用下的传感器的整个电容响应过程。有学者用有限元模拟该过程，但模拟结果与实验数据偏差大。Ashish Saxena等人用COMSOLMultiphysics模拟出的变形响应完全是线性的。Benjamin C.K.Tee等人模拟的应变响应几乎是直线，与其所做实验结果展现出的明显非线性不相符。Weili Deng用COMSOLMultiphysics模拟的用作电子皮肤的电容传感器在外压作用下的电容响应，呈现出略微的内凹，而实验曲线是外凸的。这是因为，电容传感器在外压的作用下，电介质层的金字塔微结构的高度随着外压的增大而减小，金字塔的塔尖与上极板的接触面积逐渐增大，这是非线性接触和大变形问题，电容响应实验曲线因此呈现出非线性。虽然COMSOL可以模拟电容器的电容，但由于复杂的非线性接触问题存在变形响应难以达到精度要求，而他们单用COMSOL模拟整个传感器在外压作用下的变形过程和电容改变过程，所以得出的电容响应曲线没有呈现与实际相符的非线性，就不能基于模拟结果得出准确的灵敏度和线性度。另一方面，Abaqus有强大的力学仿真能力，可解决复杂非线性问题，然而却没有计算电容的功能。本发明结合两个软件的利弊，现在Abaqus中进行力学分析，得出传感器在外压作用下的变形云图，然后导入COMSOL Multiphysics中进行电容的模拟。模拟结果与实验结果基本吻合，与前人的模拟结果相比，精度有很大的提高。