Zeitschrift für angewandten Maschinenbau

Abstrakt

Multikonzeptionelle mechanische Designoptimierung von kapazitiven Drucksensoren mittels Finite-Elemente-Analyse unter Ausnutzung des anisotropen Verhaltens von Silizium-<111>-Kristallen: Zusammenfassung der Designoptimierungsansätze

Amir Javidinejad

In der Welt des mikromechanischen Designs von Mikrosensoren wurde bisher dem tatsächlichen mechanischen oder strukturellen Aspekt der Designs keine wesentliche Beachtung geschenkt. Daher stehen die meisten der derzeit verfügbaren Designs vor der Herausforderung, die Ausgabe des „nichtlinearen“ Sensors durch Verwendung elektronischer Schaltkreise zu linearisieren. In dieser Forschungsarbeit wird mithilfe von FEM-Optimierungstechniken eine Mikrodruckmembran mit linearem Druck-Auslenkungsverhalten entworfen. Die Membran wird als Siliziumebene (111) modelliert, die ebene isotrope Eigenschaften besitzt. Der Membran wird ein kreisförmiger zentraler Vorsprungsabschnitt hinzugefügt und eine Optimierung durchgeführt, um eine optimale Membrangeometrie zu erreichen, die eine flache oder starre Auslenkung dieses Vorsprungsabschnitts unter der angewandten Oberflächendruckbelastung ermöglicht. Die ungefähren Auslenkungslösungen in geschlossener Form werden mithilfe der anisotropen Dünnplattentheorie entwickelt und das Membranauslenkungsverhalten des FEM-optimierten Designs wird mit diesem Modell der Dünnplattentheorie verglichen. Dieses Membrandesign soll als obere Elektrodenplatte eines kapazitiven Drucksensors verwendet werden, bei dem ein lineares Druck-Kapazitätsänderungsverhalten auftreten würde. Diese Druckmembran hat einen Druckbereich von 0 bis 206843 Pa (30 psi) mit einer Druckauflösung von 689,5 Pa (0,1 psi).