基于 MEMS 技术的应变计仿真设计分析

2018年 1月 19日

在土木工程和生物医学领域,应变计用于测量不同物体所承受的形变。通常使用箔式应变计,但灵敏度较低。基于 MEMS 技术的应变计,如双端音叉(double-ended tuning fork,DETF)应变计,可以提供更好的性能。研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件对一种新型 DETF 应变计的设计进行优化,并将结果与理论模型进行了比较。

基于 MEMS 技术的应变计优势

应变计测量的是人造结构和生物结构对外施应变的反应。这些装置在机械及土木工程领域很常见,常用于监测桥梁的结构状态是否良好、检测石油钻井平台附近的土壤压力变化,以及测试飞机部件。应变计甚至可以用来分析人类和动物的骨骼结构。

用于监测灯塔结构的应变计示意图
一种用于测量纽约哈德逊-雅典灯塔裂缝增长的机械应变计。图片经 CC BY-SA 2.5 授权,由罗伊·史密斯通过 Wikimedia Commons 提供。

在性能方面,基于 MEMS 技术的应变计相比标准箔式应变计有以下基础优势。首先,MEMS 传感器比箔片传感器具有更高的应变灵敏度,从而使测量结果更加精确。另外,基于 MEMS 技术的应变计还具有更高的断裂强度,能够承受较高的工作温度和粘接温度,因此比箔式应变计更耐用,应用范围更广。

DETF 应变计有其独特的优势:

  • 尺寸小;
  • 高灵敏度;
  • 高分辨率;
  • 耐冲击性强

普渡大学工程技术学院的研究人员使用 MEMS 仿真技术对新型 DETF 传感器设计进行了优化。

利用 COMSOL Multiphysics® 建立 DETF 应变计模型

研究团队使用 MEMS 模块(COMSOL Multiphysics 的附加模块)创建了一个应变计的三维几何模型。该模型由一个 DETF(包括梁、底座和锚)和一个静电梳状驱动器组成。研究人员想要验证模拟结果,所以他们在建立模型时使用了三维理论模型的尺寸。

带有标记部件的DETF应变仪图像
DETF 应变计。图片由 A Bardakas,H Zhang和 D Leon-Salas 提供。

研究团队在进行应变计建模时,使用了 MEMS 模块的一些内置功能。利用薄膜阻尼 特性计算固体表面与周围空气之间的作用力,这是产生 DETF 阻尼的主要原因。

研究团队还利用 MEMS 模块建立了预应力频域分析。这对许多 MEMS 设备都非常重要,因为它有助于确定设备的初始频率以及施加负载后频率如何变化。

通过参数扫描,研究人员无需每次手动改变数值和重新计算模型,即可确定作用力范围如何影响应变计。这使研究人员能够更有效地优化设计。基于参数扫描结果,研究团队修改了应变计的几何结构,以确保其能够承受一定范围的作用力。

评估仿真结果

DETF 应变计的谐振频率由两种方法计算得出。通过频域分析,研究人员发现该模型的谐振频率为 84.060 kHz,略高于使用基本模态分析得到的频率(83.263kHz 和 83.271 kHz)。这种差异可能是因为模态分析采用了更密集的网格进行分析。

四张图片为不同振型应变计的谐振频率
不同模态振型条件下 DETF 应变计的谐振频率。图片由 ABardakas,H Zhang和 D Leon-Salas 提供。

研究团队通过该模型平衡 DETF 应变计的灵敏度和结构完整性来优化设计。接下来,他们计划使用双掩模绝缘体硅工艺来制造该设计(DETF 应变计),并通过进一步的分析和实验来研究该装置的应变损耗。

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