応用機械工学ジャーナル

概要

シリコン <111> 結晶の異方性挙動を利用した有限要素解析による静電容量式圧力センサの多概念機械設計最適化: 設計最適化アプローチの概要

アミール・ジャビディネジャド

マイクロセンサーのマイクロメカニカル設計の世界では、現在まで、設計の実際の機械的または構造的側面について十分な考慮がなされてきませんでした。そのため、現在利用可能な設計のほとんどは、電子回路を利用して「非線形」センサーの出力を線形化することに取り組んでいます。この研究では、線形圧力たわみ挙動を示すマイクロ圧力ダイヤフラムを FEM 最適化技術によって設計します。ダイヤフラムは、平面等方性特性を持つシリコン (111) 平面としてモデル化されます。円形の中央ボスセクションをダイヤフラムに追加し、最適化を実行して、適用された表面圧力負荷下でこのボスセクションの平坦または剛性たわみを可能にする最適なダイヤフラム形状を実現します。近似閉形式のたわみソリューションは、異方性薄板理論を使用して開発され、FEM 最適化設計のダイヤフラムたわみ挙動がこの薄板理論モデルと比較されます。このダイヤフラム設計は、線形圧力容量変化挙動が存在する容量性圧力センサーの上部電極プレートとして使用することが提案されています。この圧力ダイヤフラムの圧力範囲は 0 ～ 206843 Pa (30 psi)、圧力分解能は 689.5 Pa (0.1 psi) です。