实验MEMS薄膜压力传感器静力学分析.docx

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实验MEMS薄膜压力传感器静力学分析

实验四MEMS薄膜压力传感器静力学分析

一、实验目的

1、掌握静力学分析

2、验证理论分析结果

3、对不同形状膜的分析结果进行对比

二、实验器材

能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机

三、实验说明

（一）基本思路

1、建模与网格化

2、静力学分析

3、对结果进行分析和比较

（二）问题描述：

由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力面比较好。

我们比较的膜形状有三种，分别是圆形.正方形.长方形。

在比较的过程中，三种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。

设置参数具体为：

F=0.1MPa,EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。

为了选择合适的网格化类型，首先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。

四、实验内容和步骤

圆形薄膜1

1.

先建立一个圆形薄膜：

MainMenu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solidcylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图1，单击OK.

图1

2.设置单元类型：

MainMenu>Preprocessor>elementtype>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示libraryofelementtype对话框如图：

在libraryofelementtype下拉列表框中选择structuralsolide项，在其右侧下拉表框中选择brick8node45选项，单击OK.在点击close.如图2.

图2

3.设置材料属性：

MainMenu>Preprocessor>materialprops>materialmodels,弹出一个对话框，在materialmodelsavaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic，又弹出linearisotropicpropertiesformaterialNumber1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。

然后单击material>exit,完成材料属性的设置。

如图3.

图3

4.设置单元尺寸：

MainMenu>Preprocessor>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Globalelementsizes对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。

如图4.

图4

5..采用自由式网格化生成单元：

MainMenu>Preprocessor>meshing>meshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Tet,Free,.然后单击Mesh..在拾取图形，在单击OK。

如图5.

图5

6.施加约束：

MainMenu>solution>defineloads>apply>structural>displacement>onareas.拾取圆的周围面，如图：

然后单击OK.又出来一个对话框，选择ALLDOF.单击OK。

如图6.

图6

7.施加载荷：

MainMenu>solution>defineloads>apply>structural>pressure>onAreas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面如图：

然后单击OK。

出现一个对话框，在valueloadpresValus后面输入100000，单击OK。

如图7.

图7

8.求解：

MainMenu>solution>solve>curentlsLS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击file>close,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solutionisdone的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。

9.保存分析结果:

utilitymenu>file>saveas.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。

10.显示节点位移云图：

MainMenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu,出现如图对话框：

在contournodalsolutiondata对话框中选择itemtobecontoured>nodalsolution>dofsolution>displacementvectorsum.然后单击OK。

生成位移云图如图8.

图8

11.显示节点应力云图：

MainMenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu，出现如图对话框：

在contournodalsolutiondata对话框中选择itemtobecontoured>nodalsolution>stress>vonmisesstress,然后单击OK。

生成应力云图如图9.

图9

圆形薄膜2

1.先建立一个圆形薄膜：

MainMenu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solidcylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图10，单击OK.

图10

2.设置单元类型：

MainMenu>Preprocessor>elementtype>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示libraryofelementtype对话框如图：

在libraryofelementtype下拉列表框中选择structuralsolide项，在其右侧下拉表框中选择brick8node45选项，单击OK.在点击close.如图11.

图11

3.设置材料属性：

MainMenu>Preprocessor>materialprops>materialmodels,弹出一个对话框，在materialmodelsavaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic，又弹出linearisotropicpropertiesformaterialNumber1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。

然后单击material>exit,完成材料属性的设置。

如图12.

图12

4.设置单元尺寸：

MainMenu>Preprocessor>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Globalelementsizes对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。

如图13.

图13

5..采用映射式网格化生成单元：

MainMenu>Preprocessor>meshing>meshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。

如图14.

图14

6.施加约束：

MainMenu>solution>defineloads>apply>structural>displacement>onareas.拾取圆的周围面，如图：

然后单击OK.又出来一个对话框，选择ALLDOF.单击OK。

如图15.

图15

7.施加载荷：

MainMenu>solution>defineloads>apply>structural>pressure>onAreas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面，然后单击OK。

出现一个对话框，在valueloadpresValus后面输入100000，单击OK。

如图16.

图16

8.求解：

MainMenu>solution>solve>curentlsLS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击file>close,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solutionisdone的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。

9.保存分析结果:

utilitymenu>file>saveas.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。

10.显示节点位移云图：

MainMenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu,出现如图对话框：

在contournodalsolutiondata对话框中选择itemtobecontoured>nodalsolution>dofsolution>displacementvectorsum.然后单击OK。

生成位移云图如图17.

图17

11.显示节点应力云图：

MainMenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu,出现如图对话框：

在contournodalsolutiondata对话框中选择itemtobecontoured>nodalsolution>stress>vonmisesstress,然后单击OK。

生成应力云图如图18.

图18

通过上面两种网格化的比较，还有通过理论计算，映射式网格化比自由式网格化更接近理论，所以后面的网格化都采取映射式网格化。

正方形膜

1.生成正方形膜：

MainMenu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>block>bydimensions,出现对话框并填入数据如图：

然后单击OK。

如图19.

图19

2..设置单元类型：

MainMenu>Preprocessor>elementtype>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示libraryofelementtype对话框如图：

在libraryofelementtype下拉列表框中选择structuralsolide项，在其右侧下拉表框中选择brick8node45选项，单击OK.在点击close.如图20.

图20

3.设置材料属性：

MainMenu>Preprocessor>materialprops>materialmodels,弹出一个对话框，在materialmodelsavaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic又弹出linearisotropicpropertiesformaterialNumber1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3，单击OK，然后单击material>exit,完成材料属性的设置。

如图21.

图21

4.设置单元尺寸：

MainMenu>Preprocessor>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Globalelementsizes对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。

如图22.

图22

5..采用映射式网格化生成单元：

MainMenu>Preprocessor>meshing>meshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。

如图23.

图23

6.施加约束：

MainMenu>solution>defineloads>apply>structural>displacement>onareas.拾取正方形的周围面，如图：

然后单击OK.又出来一个对话框，选择ALLDOF.单击OK。

如图24.

图24

7.施加载荷：

MainMenu>solution>defineloads>apply>structural>pressure>onAreas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面，然后单击OK。

出现一个对话框，在valueloadpresValus后面输入100000，单击OK.如图25.

图25

8.求解：

MainMenu>solution>solve>curentlsLS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击file>close,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solutionisdone的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算。

9.保存分析结果:

utilitymenu>file>saveas.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。

10.显示节点位移云图：

MainMenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu,出现如图对话框：

在contournodalsolutiondata对话框中选择itemtobecontoured>nodalsolution>dofsolution>displacementvectorsum.然后单击OK。

生成位移云图如图26.

图26

11.显示节点应力云图：

MainMenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu,出现如图对话框：

在contournodalsolutiondata对话框中选择itemtobecontoured>nodalsolution>stress>vonmisesstress,然后单击OK。

生成应力云图如图27.

图27

长方形膜

1.生成长方形膜：

MainMenu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>block>bydimensions,出现对话框并填入数据如图28，然后单击OK.

图28

2..设置单元类型：

MainMenu>Preprocessor>elementtype>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示libraryofelementtype对话框如图：

在libraryofelementtype下拉列表框中选择structuralsolide项，在其右侧下拉表框中选择brick8node45选项，单击OK.在点击close.如图29.

图29

3.设置材料属性：

MainMenu>Preprocessor>materialprops>materialmodels,弹出一个对话框，在materialmodelsavaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic又弹出linearisotropicpropertiesformaterialNumber1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3，单击OK，然后单击material>exit,完成材料属性的设置。

如图30.

图30

4.设置单元尺寸：

MainMenu>Preprocessor>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global中的SET按钮，弹出Globalelementsizes对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。

如图31.

图31

5..采用映射式网格化生成单元：

MainMenu>Preprocessor>meshing>meshtool弹出一个对话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。

如图31.

图31

6.施加约束：

MainMenu>solution>defineloads>apply>structural>displacement>onareas.拾取长方形的周围面，如图：

然后单击OK.又出来一个对话框，选择ALLDOF.单击OK。

如图32.

图32

7.施加载荷：

MainMenu>solution>defineloads>apply>structural>pressure>onAreas.出现拾取框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面然后单击OK。

出现一个对话框，在valueloadpresValus后面输入100000，单击OK.如图33。

图33

8.求解：

MainMenu>solution>solve>curentlsLS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击file>close,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solutionisdone的信息提示框时，单击close按钮，完成求解运算

9.保存分析结果:

utilitymenu>file>saveas.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。

10.显示节点位移云图：

MainMenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu,出现如图对话框：

在contournodalsolutiondata对话框中选择itemtobecontoured>nodalsolution>dofsolution>displacementvectorsum.然后单击OK。

生成位移云图如图34.

图34

11.显示节点应力云图：

MainMenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu,出现如图对话框：

在contournodalsolutiondata对话框中选择itemtobecontoured>nodalsolution>stress>vonmisesstress,然后单击OK。

生成应力云图如图35.

图35

基于相同的振动膜面积，厚度和施加压力，我们可以列表如下：

振动膜几何形状

最大应力/兆帕

最大挠度/微米

圆形

31.3

0.272

长方形

31.6

0.110

正方形

39.2

0.219

从上面的对比可以发现圆形振动膜的情况最好。

在这种情况下，虽然挠度过大，但是可以通过在芯片上安装机械制动器来限制它的挠度。

从应力和挠度两个方面来看，正方形振动膜是最不好的几何形状。

但是由于它几何形状对称，很容易进行晶体切割，所以它是当今压力传感器工业中最长用的几何形状。