基于M形硅设计的MEMS双触模态电容压力传感器中边界条件与几何公差动态的影响

《Scientific Reports》：Impact of boundary conditions and geometric tolerances dynamics on MEMS double touch mode capacitance pressure sensor applying M-shaped silicon design

　　

摘要

微电机械系统（MEMS）因其紧凑的设计、低功耗以及较高的灵敏度而被广泛应用于各种领域。与压阻式传感器相比，基于MEMS的触觉模式电容压力传感器（TMCPS）在设计及仿真过程中被优化，以提高其灵敏度、稳定性和线性度。本研究提出了一种双触觉模式MEMS基电容压力传感器（DTMCPS），该传感器具有集成在M形硅基板上的柔性圆形隔膜。通过增大隔膜与基板的接触面积，这种M形结构设计提升了传感器的线性度和灵敏度。为减少非线性效应，利用小变形理论对隔膜的变形特性进行了建模。同时，对传感器的电容行为进行了全面分析，通过MATLAB仿真得出了电容、电容灵敏度及机械灵敏度的解析公式。此外，还使用COMSOL Multiphysics进行结构分析，进一步评估了隔膜的变形情况。研究的目的是通过将硅圆形隔膜与M形硅基板结合，提升传统DTMCPS的性能。触点位置对整体灵敏度有着重要影响，因此凹槽大小会显著影响传感器的性能。为降低非线性效应，采用了小变形理论来模拟隔膜的行为。这些研究成果展示了所设计的TMCPS在医疗、汽车、航空航天及工业传感等前沿领域的应用潜力，因其更高的灵敏度、精度和耐用性而具备优势。