Page 153 - 《应用声学》2020年第2期

第 39 卷 第 2 期 张礼华等： 三维微机电系统声发射传感器设计及性能分析 311

由ANSYS 分析结果可知，无阻尼状态下，圆形极板 3 x、y 方向响应的谐振式电容传感单元设
变形量从中心向边缘递减；有阻尼状态下，边缘变形 计及仿真模拟
量较大且变形量比较均匀。
3.1 x、y 方向响应传感单元的工作原理和 CAD
2.4.2 对 z 方向响应传感单元做含阻尼的谐响 布局
应分析
本研究所设计的 x、y 方向响应传感单元，结构
在本研究中，激励源以简谐波作为输入模拟
上包括固定电极板与可移动电极板。当声波的频率
量，最小输入频率设置为 150 kHz，最大频率设
与x、y 方向响应传感单元的谐振频率相近或者相等
置为 350 kHz，阻尼比为 3.68×10 −3 ，阻尼力 F 为
时，可移动电极板能在特定方向发生位移，从而改变
4.75×10 −5 N。
指型极板间的距离或面积，电容值改变，从而得到变
图 7 列出了传感单元在 150 kHz ∼ 350 kHz
化的电信号。在弹簧选择上，x、y 方向响应传感单元
下的频率 -振幅曲线，由图 7 可知最大振幅值在
的弹簧采用 U 型弹簧取代传统的悬臂弹簧，因为 U
0.408 µm 处，传感单元谐振频率为 250 kHz。进
型弹簧质量更小且更具弹性。
一步分析可得 z 方向响应传感单元含阻尼的谐
图 9 为 x 方向响应传感单元的结构图，传感单
响应位移分布云图如图 8 所示， 传感单元在固
元由锚 5、锚 6 固定，U 型弹簧 7、弹簧 8 连接可移动
有频率 (f = 251.11 kHz) 状态下最大变形值为
极板9，极板10、极板11固定，其中指型凸块 1 ⃝和指
0.299 µm， 即上极板在 z 方向上的最大位移为
型凸块 2 ⃝ 在 y 方向上的间距 G 1 等于 G 2 ，在本研究
0.299 µm，在 z 方向响应传感单元的上下极板可
中，G 1 和G 2 大小为3 µm。为了获得变化的电信号，
移动间距(1.25 µm)范围内，能够满足设计要求。
可移动极板 9 接正电压，固定极板 10、极板 11 分别

4.0776T10 -4 接不同大小的负电压。当可移动极板9 在x 方向发
2.2793T10 -4
生移动时，指型凸块之间面积改变，电容值改变，得
ࣨϙ/mm 1.2741T10 -4 到输出电压变化。
7.1223T10 -5
3.9813T10 -5
2.2255T10 -5 7 ŀ
5 Ł
1.2440T10 -5
9
6.9540T10 -5
3.8872T10 -5 10 11 G 
1.55 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50
G 
5
ᮠဋ/T10 Hz
6
图 7 z 方向响应传感单元响应频率 -振幅变化曲线
y 8
(a = 5 µm)
Fig. 7 Response frequency-amplitude curve of the x
z-direction response sensing unit (a = 5 µm) V ֓ V ⇁ V ֓
B: Harmonic response 图 9 x 方向响应传感单元
Total deformation
Type: Total deformation
Frequency: 2.5111×10 5 Hz
Sweeping phase: 0˚ Fig. 9 x-direction response sensing unit
Unit: mm
2019/8/19 16:22
0.00029938 Max
0.00026612 图 10为 y 方向响应传感单元的结构图，传感单
0.00023285
0.00019959
0.00016632
0.00013306 元由锚 12、锚 13 固定，U 型弹簧 14、弹簧 15 连接
9.9794×10 –5
6.6529×10 –5
3.3265×10 –5
0 Min 可移动极板 16，极板 17 和极板 18 固定，其中指型
凸块 3 ⃝和指型凸块 4 ⃝在y 方向上的间距G 3 不等于
y
G 4 ，在本研究中，G 3 、G 4 大小为2 µm、4 µm。可移动
0 0.100 mm x
z
0.050 极板16 接正电压，固定极板17、极板18接相同大小
的负电压。当可移动极板 16 在 y 方向发生移动时，
图 8 含阻尼谐响应位移分布云图 (a = 5 µm)
Fig. 8 Cloud map with damped harmonic response 指型凸块之间距离改变，电容值改变，得到输出电压
displacement distribution (a = 5 µm) 变化。