MEMS压力传感器的结构分析和温漂补偿系统设计研究

摘要

压力传感器在整个传感器市场份额中约占三分之一，并且其比例还在继续增加。由于压力传感器通常用来测量流体产生的压力，所以芯片需要直接暴露在流体中，这就要求所测量的介质不能具有腐蚀性。但是在工业领域中，压力测量的环境往往又是比较恶劣的，如具有腐蚀性、有毒性等。因此压力传感器必须采用隔离封装结构将压力芯片和待测介质分隔开来以保护芯片不被外界介质腐蚀，即硅油压力传感器。
　　波纹膜片作为硅油压力传感器的核心器件起着压力传递的作用。其灵敏度和线性度会直接影响压力传感器的测量精度。本文采用Ansys有限元软件对压力传感器的波纹膜片进行静态结构分析和动态振动分析。静态分析:首先分别对均布载荷和集中力载荷作用下，波纹膜片中心挠度的有限元数值解与解析解进行了比较，验证有限元模型和结果的精度;接着根据有限元分析结果，对不同型面结构的波纹膜片，比较波纹形状对膜片力学性能的影响;在此基础上，针对正弦型波纹膜片，分别讨论了膜片厚度、波纹高度、波纹数目对其性能的影响，为波纹膜片结构的优化设计提供参考依据。动态分析:首先以平膜片为例，计算其振动频率的有限元数值解与解析解的误差，用以验证有限元方法的可靠性，接着以正弦型波纹膜片为例讨论了膜片厚度、波纹高度、波纹数目分别对有预加应力和无预加应力两种情况下振动频率的影响。最后，研究了一种特殊的波纹膜片，即变幅值波纹膜片的动静态力学性能。
　　压力传感器存在温度漂移现象会影响压力测量的精度。为了消除温度漂移，本文采用Matlab软件对三种补偿算法:分段线性插值法、二维回归分析法、多项式拟合与牛顿插值法进行仿真分析，比较各自的补偿精度。
　　波纹膜片动静态力学性能的仿真分析和温度补偿算法的仿真分析是压力传感器整个开发流程中的两个重要环节，本论文对这两部分内容的探究可以为压力传感器的开发提供参考依据。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 波纹板静态结构分析的发展现状

1．2．2 波纹板动态振动分析的发展现状

1．2．3 压力传感器温度补偿的发展现状

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究目的与意义

1．4 课题研究的主要内容

第二章 波纹膜片的静态力学性能

2．1 引言

2．2 有限元分析理论基础

2．3 波纹膜片静态力学性能的理论解析解

2．3．1 波纹膜片在均布载荷作用下中心处的“挠度—载荷”解析解

2．3．2 波纹膜片在中心集中力作用下中心处的“挠度—载荷”解析解

2．4 波纹膜片静态力学性能的有限元数值解

2．4．1 定义单元类型和材料属性

2．4．2 建立几何模型

2．4．3 划分网格

2．4．4 施加载荷和约束条件

2．4．5 求解

2．4．6 后处理查看结果

2．5 有限元数位解和理论解析解的误差比较

2．6 波纹形状对膜片性能的影响

2．7 膜片参数对膜片性能的影响

2．7．1 膜片厚度对膜片性能的影响

2．7．2 波纹高度对膜片性能的影响

2．7．3 波纹数日对膜片性能的影响

2．8 变幅值波纹膜片的静态力学性能

2．9 本章小结

第三章 波纹膜片的动态力学性能

3．1 引言

3．2 平膜片模态分析的理论解析解

3．3 平膜片模态分析的有限元数值解

3．3．1 平膜片无预应力时的模态分析

3．3．2 平膜片有预应力时的模态分析

3．4 平膜片模态分析的有限元数值解与理论解析解对比

3．5 波纹膜片无预应力时的模态分析

3．5．1 膜片厚度对膜片固有频率的影响

3．5．2 波纹高度对膜片固有频率的影响

3．5．3 波纹数日对膜片固有频率的影响

3．6 波纹膜片有预应力时的模态分析

3．6．1 膜片厚度和压力对膜片固有频率的影响

3．6．2 波纹高度和压力对膜片固有频率的影响

3．6．3 波纹数日和压力对膜片固有频率的影响

3．7 变幅值波纹膜片的模态分析

3．8 本章小结

第四章 硅油压力传感器的工作原理与温度补偿

4．1 引言

4．2 压阻效应

4．3 硅油压力传感器的工作原理

4．4 压力传感器的温度漂移

4．5 实验

4．5．1 实验步骤

4．5．2 实验结果

4．6 软件补偿算法

4．6．1 分段线性插值法

4．6．2 二维回归分析法

4．6．3 多项式拟合与牛顿插值法

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况