压敏型柔性电容传感器介电层的微结构设计

摘要

柔性电容压力传感器因具有灵敏度高、动态范围大和响应速度快等优点在人工智能和医疗监控等领域有广阔的应用前景。通过对电介质层微结构的设计可以有效提高电容压力传感器的性能。COMSOL Multiphysics被研究者用于研究传感器的电容变化，但该软件难以有效模拟传感器应用中的非线性接触和大变形过程，因而模拟结果与实验数据偏差大。本文提出先使用ABAQUS模拟变形过程，再使用COMSOL Multiphysics模拟电容变化，结合ABAQUS和COMSOL Multiphysics两个软件优点，大幅提高数值模拟的准确性。同时针对金字塔形、圆柱形和圆锥形三种常用的微结构，研究其几何形状参数和材料属性参数对传感器性能的影响规律。研究结果为传感器电介质层微结构的设计提供理论依据。 对于电介质层为金字塔形微结构电容传感器，改变金字塔形微结构的材料弹性模量、底边长、高度、斜面倾角和整体尺寸等参数，来探索各个参数对传感器不同压力量程（2 kPa，5 kPa，20 kPa）下的线性度和灵敏度的影响规律。结果表明，传感器的灵敏度对金字塔形微结构的弹性模量、角度和整体尺寸敏感，线性度对角度和弹性模量敏感。减小金字塔形微结构的弹性模量、角度、高度和整体尺寸，传感器的灵敏度升高，线性度下降。减小底边长度可以同时提高传感器的线性度和灵敏度。 对于电介质层为圆柱形微结构的电容传感器，研究圆柱形微结构的材料弹性模量、半径、高度和母线形状对传感器性能影响规律。由于该微结构细长的特点，除了研究该传感器的线性度和灵敏度之外，还需通过临界荷载来校核其稳定性，确定其量程。研究发现该传感器有良好的线性度；传感器的灵敏度对圆柱形微结构的弹性模量和半径敏感，弹性模量越低，半径越小，传感器的灵敏度越高，但量程越小。 对于电介质层为圆锥形微结构的电容传感器的研究，由于其形状和电容响应与金字塔形微结构相似，不再基于标准的圆锥形状的进行参数研究，而是在圆锥形的基础上进行外部轮廓设计和内部空心圆锥结构设计，来探索对不同量程下的传感器灵敏度和线性度的影响。研究发现对于基于圆锥形微结构的电容传感器，增大内部空心圆锥的尺寸，可同时提高传感器的线性度和灵敏度；改变内部空心圆锥的形状，对传感器的线性度和灵敏度影响不明显；设计外部轮廓，可以同时提高2 kPa和5 kPa量程的传感器的灵敏度和线性度。

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