附加气室对电容式压力传感灵敏度的影响外文翻译资料

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毕业论文(设计)

英文文献翻译

英文题目 The automobile fuel tank saturation pressure measurement and alarm system

中文题目 汽车油箱饱和压力测量与报警系统

附加气室对电容式压力传感灵敏度的影响

Jaehyuk Choi1 · Bumkyoo Choi1

收稿: 2016 年 9月21 日 / 发稿: 2016年 9月29日

copy; 柏林海得堡出版社 2017

摘要：这项研究证明了一个额外的气室对空气密封电容式压力传感器的灵敏度的影响。通过理论分析，有限元素的分析和实验研究验证了这种影响。首先，通过将分析方法作为理论方法，以及有限元素的模拟研究，从而得到了电容式压力传感器与各种气体室的灵敏度变化。研究的结果表明，通过采用附加的气室，可以提高具有柔性隔膜的气密电容式压力传感器的灵敏度。在这个过程中，也将环境温度的变化考虑到了。通过制造传感器从而来思考以前的结果来进行实验的验证。使用天然橡胶胶乳（NRL）隔膜的空气密封电容式压力传感器的实验验证结果表明，与没有空气室的NRL传感器相比，采用额外的空气室，灵敏度提高了15倍以上。 所以，具有附加空气室的NRL传感器在1-10kPa的施加压力的范围内测量压力敏感度为8986ppm / kPa，压力响应度为1.391MHz / kPa。最后，还测量了环境温度变化对空气密封电容式压力传感器灵敏度的影响，并将其与理论和FEM模拟结果进行了比较。

符号列表：

a 腔的半径

A 隔膜的面积

C 传感器电容

C₀ 室温初始电容ε₀ε₀A / h

D 弯曲刚度，Eh ³/12（1 - nu;²）

E 杨氏模量

g 腔的间隙

h 隔膜的厚度

P₀ 腔的初始压力

P_a 施加隔膜的压力

P_e 腔的外部压力，P_a P₀

P_f 腔的内部压力

P_net 净压力，P_e - P_f

T₀ 室温（27°C）

T_a 环境温度

V₀ 初始体积的腔

V_e 通过施加压力造成体积

V_f 空腔的压缩体积

w(0) 中心偏转板

w(r) 偏转功能

ε₀ 真空的介电常数

ε_r 空气的相对介电常数

nu; 泊松比

gamma; 比热比

1. 引言

电容式压力传感器由于其高灵敏度和低功耗而在MEMS领域得到广泛应用和广泛开发（Chang和艾伦2004; Puers 1993）。一般的电容式压力传感器具有由圆柱形真空密封或空气密封腔支撑的薄而柔性的隔膜。它在隔膜的顶部和腔的底部具有固定的电极，形成平行的电容器。 在存在外部和内部空腔之间的压力差的情况下，隔膜将弯曲，引起电容变化以类似于压力。因此，与气体密封的电容式压力传感器相比而言，真空密封的电容式压力传感器具有更高的压力灵敏度和更低的温度漂移。然而，真空密封压力传感器需要复杂的程序和装置，并且它们也会引起电极之间的电连接的问题（Akar等人2001; Hao等人，2014）。人们引入了许多可能的解决方案来克服这些问题；然而，没有一个问题得到了明确的解决（Chavan和Wise 2001; He et al。2007; Park and Gianchandani 2000）。

气密电容式压力传感器可以轻松解决上述问题。然而，作为该电容式压力传感器的重要部分的内部气体却影响使用柔性隔膜的传感器的精度。换句话说，气体密封的电容式压力传感器具有由腔内的气体的反作用力引起的低压敏感性，并且由于腔内气体的热膨胀，传感器对环境温度很敏感（Puers 1993 ; Smith等人，1986）。为了解决气密电容式压力传感器的局限性，Hao 等人 （Hao等人，2014）使用额外的温度补偿结构来降低热膨胀效应。 Chen 等人。（2008年，2010年）提出了一种气密电容式压力传感器，其在原始空气腔中具有增加的腔室，其有效地增加了所得到的压力感测腔。然而，这些方法尚未得到充分分析。最值得注意的是，使用有限元法的研究是不存在的。在这项研究中，通过理论分析，有限元分析（FEA）和实验验证，研究了附加气室对气密电容式压力传感器灵敏度的影响。 对于有限元分析，使用有限元软件ANSYS。在所有数据采集程序中，使用的隔膜由天然橡胶制成乳胶（NRL）。 对于实验验证，构建了一个NRL隔膜传感器，并采用无源无线LC谐振遥测方案，通过将电感线圈与NRL传感器集成来测量施加的压力。 最后，每个分析结果表明，空气密封电容式压力传感器的灵敏度受到附加气室的显着影响，不同分析的总体趋势相互吻合。

1. 气密电容式压力传感器型号

图1a显示了在存在环境压力变化的情况下典型的电容式压力传感器的特性。 作为半径w（r）的函数的膜片的偏转由（Timoshenko和Woinowsky-Krieger 1959）给出：

图1 a应用于典型空气密封电容式压力传感器的压力示意图，b横截面图，c采用附加气室的空气密封电容式压力传感器的概念3D图

其中w（0）是膜片中心处的偏转。

在该模型中，隔膜非常薄，并且需要通过下列公式考虑大的挠曲（Daigle 等人，2007）：

净压力可以通过以下等式的关系来表示：

空腔的压缩体积使用公式 （1）如下：

取代方程式 （3）和（4），（2）得到板中心偏转的四阶方程，

如果假定空腔内的空气通过等温过程膨胀和压缩， （5）按以下表达式进行修改：

传感器的电容可以表示为偏转的函数

最后， （6）到（7）得出下面传感器的相对电容变化的表达式（Lee和Choi 2015）：

对于3D建模，使用了3D CAD软件SOLIDWORKS。 在表1中总结的没有附加空气室的NRL传感器的标准材料性质和尺寸用于所有分析。 通常，变量alpha;的值由公式（9）计算。（Timoshenko和Woinowsky-Krieger 1959; Daigle 等人.2007）。

表1 材料性能和尺寸，无附加气室

a从网站估计，http://www.matbase.com/

b从公式 （9）得到。

图2 ANSYS的网格示例

在这些分析中，考虑到通过小孔连接到典型电容式压力传感器的空气室的各种体积。 通过改变空腔间隙g₂来调节附加空气室V₂的体积，而原始空气腔容积V₁和间隙g₁保持恒定，如图1b所示。

1. 理论数据与FEA数据的比较

每个NRL传感器的中心偏转w（0）和相对电容变化Delta;C/ C ₀如图3所示。 图中显示出了在室温下压缩的附加空气室的气密NRL电容式压力传感器的理论和有限元分析结果。在这项研究中，假设空腔中的空气通过等温过程（gamma;= 1）膨胀和压缩，并且隔膜使用具有表1所示的性质和尺寸的NRL。理论数据使用等式 （5）—（8），并使用ANSYS分析FEA数据。

在执行FEA之前，确定元素的大小。由于传感器模型的尺寸非常小，所以根据元素大小，结果是不同的（Daigle 等人。2007）。 结果，元件尺寸确定为0.2mm。图2是用于FEA的模型的网格划分示例。

图3的分析表明，隔膜中心处的偏转和相对电容变化的大小随着附加空气室的体积增加而增加。 在这种情况下，理论结果与FEA结果之间的差异百分比低于5％，表明结果很好。

图3 a膜片偏转，b相对电容，NRL隔膜电容式压力传感器与不同体积的气室

图4 NRL隔膜电容式压力传感器与不同体积气室的灵敏度比

图4显示出了NRL传感器相对于体积比的灵敏度比。这里S ₁是没有附加气室的传感器的灵敏度，S ₂是具有附加气室的传感器的灵敏度。

灵敏度S在方程（10）（史密斯等1986）。

随着体积比的增加，灵敏度比也增加。然而，对于额外的空气室采用大于10V ₁的体积，灵敏度比的增加率逐渐降低。

然后，检查环境温度变化对空气密封电容式压力传感器的灵敏度的影响。 图6示出了具有环境温度变化的NRL传感器的归一化电容。 每个NRL压力传感器采用V ₂ = 0，V ₂ = V ₁，V ₂ = 5V ₁，V ₂ = 10V ₁的气室体积。 如果环境温度升高，内部传感器的空气会膨胀，并且隔膜也会向上偏移。这种热效应使压力灵敏度降低，偏移向下移动，如图5所示。 此外，具有较大体积的附加室的NRL传感器更受环境温度变化的影响。 这些结果是由弯曲刚度效应引起的（Daigle 等人，2007）。 如果使用具有较高抗弯刚度的隔膜，则可以进一步降低热效应。

图5 具有气室体积（a）的NRL隔膜电容式传感器的归一化电容V ₂ = 0（b）V ₂ = V ₁（c）V ₂ = 5V ₁（d）V ₂ = 10V ₁在不同的环境温度下

图6 a无源无线LC压力传感器设计的示意图，b 为其等效电路与外部单环天线耦合，c为设计的无线压力传感器的评估实验设置

1. 实验验证

在以前的研究中，在理论和FEA分析中没有考虑顶部电极的厚度。 然而，即使电极是薄金属，它影响隔膜的偏转。为了最小化弯曲刚性效应，当制造传感器时，顶部电极的直径减小到腔直径的一半。此外，通过将电感线圈与NRL传感器集成，使用无源无线谐振遥测方案来测量施加的压力。图6a示出了构造的传感器的示意图，图6b示出了与外部感测单环天线耦合的传感器的等效电路，图6c示出了用于评估设计的无线压力传感器的实验装置。RL传感器的环境温度任何变化之前的尺寸和初始共振频率总结在表2中。NRL传感器＃1是没有附加气室的典型电容式压力传感器，其余的传感器采用采用的气室来提高压力灵敏度。为了监测共振频率的变化，网络分析仪（E8357A型号，Agilent Technologies Inc.）与天线结合使用。这里天线被用作无线阅读器。传感器和天线之间的感测距离设置为10mm，以方便测量。使用电动气压调节器（ITV001model，SMC Corporation）来控制压力。对于环境温度变化，使用可以控制温度的热板。为了监测室内的温度，使用Fluke 87 V万用表的热电偶（80BK-A）。

谐振频率和相对电容的变化表现为等式 （11）。

图7显示了归一化的共振频率数据，以及具有不同附加气室体积的NRL传感器的相对电容变化。

如前所述，NRL电容式压力传感器的灵敏度可以通过附加的气室来增强。 在这种情况下，压力灵敏度由公式（12）得到，而不是等式（10）。

当施加的压力从1kPa变化到10kPa时，NRL传感器＃4的压力敏感度为8986ppm / kPa，压力响应度为1.391MHz / kPa。

该结果表明，通过采用额外的空气室可以显着提高电容式压力传感器的灵敏度，因此用于将当前数据与参考数据进行比较（Akar e等人。2001; Chen 等人。2010; D

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