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微型压力传感器的系统级建模与仿真

作者：张承亮 Publish: 2007-5-23 Hits:-

【中文题名】

微型压力传感器的系统级建模与仿真

【英文题名】

【学科专业】

微机电系统与纳米技术

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-5-23

【中关键词】

MEMS,压力传感器,多端口组件网络,硬件描述语言,系统级建模,

【英关键词】

MEMS,Pressure sensor,Muti-port-element network,Hardware description language,System level modeling,

【分类导航】

工业技术>自动化技术、计算机技术>自动化技术及设备>自动化元件、部件>发送器（变换器）、传感器>

【论文摘要】

微机电系统(MEMS)设计方法与工具对其产品化至关重要。MEMS具有功能结构高度集成、混合信号、多能量域耦合等特点，所以其系统级建模技术一直是MEMS CAD的研究重点之一。 MEMS微型压力传感器有广泛应用前途，但是其参数化可重用系统建模问题尚未解决。尤其是压力传感器的弹性膜片具有空间连续变形的特点，不能直接用一般的集总参数模型描述。因此，以具有空间连续行为的弹性膜片的可重用组件建模为重点，研究了微型压力传感器(压阻式和电容式)的系统级设计方法和建模工具问题。主要工作如下： 1、根据多端口组件网络方法，确定了MEMS组件模型的建立规范。组件行为模型可采用硬件描述语言进行编码，重点分析了硬件描述语言不直接支持的偏微分方程转化为常微分方程的建模仿真方法。 2、研究了压敏电阻和空间连续变形弹性膜片的行为建模方法。依据单晶硅和多晶硅的压阻效应，并考虑压阻系数随温度、掺杂浓度的影响，可建立压敏电阻的参数化组件模型；准静态情况下，以板壳理论为基础，对弹性膜片的小挠度和大挠度变形进行力学分析，采用能量法建立其解析行为模型，并采用有限元分析验证了模型的精确性；对于弹...

【论文题纲】

摘要	3-4
ABSTRACT	4-5
目录	5-8
第一章绪论	8-14
1.1 MEMS压力传感器概述	8-9
1.2 MEMS系统级设计研究现状	9-12
1.2.1 MEMS CAD的设计层次	9-10
1.2.2 MEMS系统级建模方法	10-11
1.2.3 压力传感器系统级建模现状	11-12
1.3 研究目的与意义	12-13
1.4 课题来源及论文研究内容	13-14
第二章基于多端口组件网络的系统级建模方法	14-23
2.1 多端口组件模型的表示形式	14-16
2.1.1 组件的多能量域端口	14-15
2.1.2 组件的行为模型	15-16
2.1.3 组件的参数	16
2.2 多端口组件网络	16-17
2.2.1 端口联结规范	16
2.2.2 组件间的能量与信号转换	16-17
2.3 基于硬件描述语言的编码技术	17-18
2.3.1 MAST语言建模	17-18
2.3.2 组件模型可视化	18
2.4 组件的行为模型建立	18-22
2.4.1 常微分方程的建模与仿真	19
2.4.2 偏微分方程的建模与仿真	19-20
2.4.3 建模实例	20-22
2.5 本章小结	22-23
第三章压阻效应及压敏电阻行为模型	23-37
3.1 单晶硅压阻效应	23-28
3.1.1 压阻系数	24-25
3.1.2 纵向压阻和横向压阻	25-27
3.1.3 温度与掺杂浓度的影响	27-28
3.2 应变灵敏系数	28-31
3.2.1 单轴应力状态	29-30
3.2.2 平面应力状态	30-31
3.3 多晶硅压阻效应	31-33
3.3.1 晶粒和晶界的电阻率相对变化	32
3.3.2 各晶粒压阻效应迭加	32-33
3.4 压敏电阻的参数化组件模型	33-36
3.4.1 压敏电阻的连接方式	34-35
3.4.2 压敏电阻的参数选择	35-36
3.5 本章小结	36-37
第四章弹性膜片的行为模型	37-55
4.1 小挠度理论	37-43
4.1.1 弹性膜片的控制方程	37-41
4.1.2 弹性膜片的解析行为模型	41-43
4.1.2.1 圆形膜片	41-42
4.1.2.2 方形膜片	42-43
4.2 大挠度理论	43-50
4.2.1 弹性膜片的控制方程	43-45
4.2.2 弹性膜片的解析行为模型	45-49
4.2.2.1 圆形膜片	47
4.2.2.2 方形膜片	47-49
4.2.3 接触模式下弹性膜片的变形	49-50
4.3 小挠度和大挠度模型的比较及验证	50-53
4.4 弹性膜片的动态行为模型	53-54
4.5 本章小结	54-55
第五章压力传感器的系统级仿真	55-72
5.1 基于SABER平台的建模与仿真流程	55-56
5.2 压阻式压力传感器的系统级仿真	56-65
5.2.1 材料属性	56
5.2.2 弹性膜片的变形	56-59
5.2.3 传感器的系统级仿真	59-63
5.2.3.1 输出电压	60-61
5.2.3.2 灵敏度与线性度分析	61-62
5.2.3.3 温度效应	62
5.2.3.4 统计分析	62-63
5.2.4 实验验证	63-65
5.3 电容式压力传感器的系统级仿真	65-71
5.3.1 系统级模型	66-67
5.3.2 电容测量电路	67-68
5.3.3 系统级仿真	68-71
5.3.3.1 弹性膜片的变形	69
5.3.3.2 输出电容	69-70
5.3.3.3 时域仿真	70-71
5.4 本章小结	71-72
第六章总结与展望	72-74
6.1 总结	72-73
6.2 展望	73-74
附录A 单晶硅任意晶向压阻系数的计算	74-78
A.1 晶体的方向余弦	74-76
A.2 压阻系数计算	76-78
附录B 压敏电阻和弹性膜片的MAST编码	78-82
B.1 压敏电阻部分代码	78-80
B.2 弹性膜片部分代码	80-82
附录C 有限差分公式	82-83
参考文献	83-88
发表论文及参加科研情况	88-89
研究生期间发表的论文与申请专利	88
参加科研项目情况	88-89
致谢	89-90

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.382944



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