[发明专利]基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法

说明书

基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法，首先根据传感器的结构和约束条件，利用有限元仿真软件进行传感器的建模和力学仿真，将力学仿真结果中的形变结果导出；然后处理形变结果获得每个绝缘层界面中各节点的绝对坐标与每个绝缘层边缘闭环路径中各节点的绝对坐标；再根据加密法、映射法分别计算传感器可变电容部分和固定电容部分的电容值后相加，获得最终的传感器电容值，加密法和映射法结合使用增加了设计的灵活性。本发明解决了一些有限元仿真软件无法直接求解传感器电容值的问题，通过构造绝对坐标的方式，利用微元法思想，能够用于计算发生不规则形变的电容器，突破了均匀压力条件下小挠度和大挠度理论计算的限制，计算误差小。

技术领域

本发明属于传感器设计及其可靠性技术分析领域，涉及一种电容值的计算方法，具体为一种基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法。

背景技术

碳化硅电容式压力传感器主要应用于航空航天、石油勘探和核工程等环境复杂且恶劣的领域，由于碳化硅的具有耐高温、耐腐蚀等优良性能，因此得到了越来越多研究人员的关注。

电容式压力传感器通过一层敏感膜来监控外界压力的变化。电容式传感器的上下两层为半导体或金属材料，作为电容器的上下极板，起到导电的作用；中间可以是一层或多层的绝缘材料，作为电容器的介质层，例如电容式传感器的上下极板采用上下两层碳化硅导电极板组成，中间的介质层由真空腔体和二氧化硅绝缘层形成。敏感膜作为电容式传感器的上极板，当压力作用在敏感膜上，敏感膜发生形变，电容值相应变化，通过记录电容值的变化来反映外界压力的大小。

目前对电容式压力传感器的电容值求解的一般方法是，在均匀作用于敏感膜的大气压力条件下，利用小挠度或大挠度理论进行计算，存在理论近似误差。另一种方法是在针对圆形敏感膜的有限元仿真中，提取敏感膜中心到边缘的路径，进行积分。上述两种方法必须是在均匀压力作用和规则电容器结构的条件下，才能得出相对正确的电容值，具有一定的局限性。

ANSYS workbench作为目前应用最广泛的有限元仿真软件之一，覆盖了电学、力学和电磁学等领域，具有良好的仿真精度。但是对某些特殊的耦合仿真，如传感器的力学和电学耦合，还存在不足。电容式压力传感器的工作环境如压力、温度和振动等属力学范畴，电容值表征属电学范畴，但在ANSYS workbench中没有相应的耦合接口，无法对经过力学仿真后的传感器进行电容求解。复杂的力学仿真会造成传感器敏感膜的不规则变形，同时因为工艺和结构的要求，电容器一般不是规则的圆柱体或棱柱体等，这给电容的计算造成了很大的困难。

发明内容

针对上述电容式传感器求解电容值时只能进行理论计算、以及需要满足均匀压力作用和规则电容器结构等条件的不足之处，本发明提出一种基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法，能够适用于ANSYS workbench有限元仿真软件，解决了目前基于ANSYSworkbench的传感器力学仿真无法得到电容值和目前尚无针对不规则形变电容器电容值的求解方法的问题，能够计算发生不规则形变的电容器的电容值。

为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于有限元仿真后处理的传感器电容值计算方法，所述传感器为电容式传感器，包括上极板、下极板、以及位于所述上极板和下极板之间的介质层，其中传感器可变电容部分的介质层包括上下两层第一绝缘层和位于两层第一绝缘层之间的空腔，传感器固定电容部分的介质层为键合的两层第二绝缘层；

所述传感器电容值计算方法包括如下步骤：

步骤一、根据所述传感器的结构和约束条件，利用有限元仿真软件进行传感器的建模和力学仿真，力学条件作用在所述传感器上引起所述传感器形变，将力学仿真结果中的形变结果导出；所述力学条件包括但不限于压力、振动和温度；