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传感技术学报 2023年第6期36卷 839-848页

作者：高颖姜岩峰江南大学物联网工程学院电子工程系江苏无锡214122

针对高端领域对高性能微小量程压力传感器的迫切需求,设计并实现了一种应用于电子血压计的高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器,并提出了相应的检测电路。根据小挠度弯曲理论设计了传感器方形敏感薄膜结构,确定了纳米硅薄膜压敏电... 详细信息

针对高端领域对高性能微小量程压力传感器的迫切需求,设计并实现了一种应用于电子血压计的高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器,并提出了相应的检测电路。根据小挠度弯曲理论设计了传感器方形敏感薄膜结构,确定了纳米硅薄膜压敏电阻的阻值大小和尺寸。采用ANSYS有限元分析(FEA)对所设计的传感器结构进行仿真,根据仿真结果确定了压敏电阻在膜片上的最佳放置位置。基于标准MEMS制造技术,在SOI基纳米硅薄膜上设计并实现了该压力传感器。实测结果表明,室温下,在0~40 kPa微压测量范围内所设计的传感器检测灵敏度可达0.45 mV/(kPa·V),非线性度达到0.108%F.S。在-40℃~125℃的工作温度范围内,温度稳定性好,零点温度漂移系数与灵敏度温度漂移系数分别为0.0047%F.S与0.089%F.S。所设计的压力传感器及其检测电路,在现代医疗、工业控制等领域具有较大的应用潜力。

关键词： SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器检测电路有限元分析(FEA)

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高速列车表面脉动压力测试传感器设计与模拟研究

高速列车表面脉动压力测试传感器设计与模拟研究

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作者：李文明西南交通大学

学位级别：硕士

当高速列车运行速度超过300km/h时,气动噪声将成为列车噪声的主导成分。而脉动压力是列车气动噪声形成的根本原因。高速列车表面脉动压力具有幅值低,频带宽,易受干扰等诸多特点,因而对传感器测试性能有较高的要求。微压阻式传感器具有... 详细信息

当高速列车运行速度超过300km/h时,气动噪声将成为列车噪声的主导成分。而脉动压力是列车气动噪声形成的根本原因。高速列车表面脉动压力具有幅值低,频带宽,易受干扰等诸多特点,因而对传感器测试性能有较高的要求。微压阻式传感器具有频响及灵敏度高、结构性能好等诸多优点,目前较常使用于高速列车表面空气动力学测试。但对于测取脉动压力,其性能仍存在一定的不足。针对以上问题,本文对微压阻式传感器测试原理进行数值模拟,研究其结构性能改进方法,并对传感器进行振动、温度干扰分析,为传感器性能结构改进及测试信号误差干扰分离提供理论依据。本文以微压阻式压力传感器为分析对象,采用Solidworks建立其核心敏感元件模型,通过Ansys进行数值模拟求解,提取结果并计算电压输出,并提出了一种划分电阻的结构-电联合数值模拟方法;在分析优化传感器平膜结构的基础上,提出了传感器双岛结构以及双岛-横梁结构,并对每种结构关键特征部位尺寸进行优化设计。通过数值模拟对比分析平膜、双岛、双岛-横梁三种结构振动作用下的干扰输出;通过箱体试验测取箱体振动对气压干扰总输出,通过CFD数值模拟得到箱体振动对流场影响,通过结构数值模拟及传感器性能指标得到振动对传感器的干扰,对比分析振动干扰规律。选取温度及压力测点,对传感器温度效应进行数值模拟,分析双岛-横梁结构的热零点漂移及灵敏度漂移:通过温度试验对国产及进口传感器温度性能指标进行测试分析。对温度-振动-压力进行了耦合干扰分析;分析多因素干扰多输入单输出模型的建立方法;设计传感器阵列结构并提出了阵列测板代替风洞模型车板壁测试脉动压力的方法。结果表明:经优化传感器结构性能,最终得到一个量程为20kPa,灵敏度为32.25mv/kPa,线性度为0.293%的双岛-横梁传感器结构,能满足脉动压力的测试需求,结构薄膜尺寸为3×3×0.02mm,岛与宽梁区底面均为1.4×1.4mm。振动干扰分析,平膜结构加速度灵敏度为0.6Pa/g,双岛结构及双岛-横梁结构加速度灵敏度为4.4-4.9Pa/g,振动影响气压变化与振动趋势一致。通过箱体试验所提取振动对气压总影响大致等于箱体流场CFD模拟与传感器振动干扰之和。双岛-横梁结构温度效应数值模拟,得到其灵敏度随温度变化规律为S =-1.194× 10-6t3 + 2.206 × 10-4t2-0.01453t + 32.5,零点漂移随温度变化规律为a= 0.1474×t-1.908;MSP1015-100传感器零漂趋势与数值模拟趋势相近,8515C-15传感器零漂趋势与数值模拟相反。基于理论、数值模拟、试验相结合能有效建立多因素干扰多输入单输出模型,设计的阵列结构性能及一致性良好,能有效测取脉动压力。

关键词：高速列车脉动压力微压阻式压力传感器有限元多输入单输出模型

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