基于Ansys的压电式四臂加速度计模拟分析

　　随着微机电系统( MEMS) 的快速发展, 新型加速度计的设计得到了人们越来越多的关注。以前有报道三维压电薄膜加速度传感器[ 1] 、和压电薄膜材料有关的无线加速度传感器[ 2] 等。四臂压电式传感器以其热稳定性好、信噪比高、制备工艺简单等优点成为现在压电式加速度计的研究主流[ 3-4] 。但是长期以来对压电式加速度计的研究多集中在实验科学的基础上。要获得试验结果, 往往成本较高, 周期较长。随着计算机软件的快速发展, 有些CAE 软件的出现, 为加速度计提供了优化设计平台。ANSYS软件由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 公司开发, 它能与多数CAD 软件接口,实现数据的共享和交换, 是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析( FEA)软件。除此之外ANSYS 还是世界上唯一真正实现多物理场耦合分析的软件, 而对压电式加速度计的分析, 主要难点也就是要进行机电耦合。因此, 可以利用ANSYS 的耦合场分析功能对压电式加速度计进行模拟仿真, 从而可以大大降低设计成本, 大幅度缩短产品的设计时间。

　　1 四臂压电式加速度计的工作原理

　　四臂压电式加速度计包含一个质量块, 四条悬臂和八个压电单元, 其结构如图1 所示, 周边为Si基底, 四条悬臂支撑着中间的质量块, 悬臂上面颜色较深的部分是沉积在悬臂上面的压电薄膜。当质量块受到惯性力上下移动时, 压电薄膜产生形变, 从而受到应力作用。根据压电方程:

　　2 Ansys 耦合场分析

　　2. 1 耦合场概述

　　耦合场是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。例如压电分析, 考虑结构和电场之间的相互作用, 求解由于所施加位移造成的电压分布或相反。其它耦合场分析的例子有热-应力分析, 热-电分析, 流体-结构耦合分析[ 5] 。

　　耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场, 所有的耦合场分析方法可分为两大类: 顺序耦合和直接耦合。顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析, 每一种属于某一物理场分析。通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第一个分析中的方式进行耦合。典型的例子是热-应力顺序耦合分析; 直接耦合方法, 只包含一个分析, 它使用包含多场自由度的耦合单元。通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。典型的例子是在ANSYS 软件环境下, 使用SOLID5、PLANE13或SOLID98 单元的压电分析。

　　2. 2 压电矩阵和弹性系数矩阵的调整

　　大多数已公布的压电材料的[ d] 矩阵数据都是按照x, y, z, yz, xz, x y 的顺序( 基于IRE 标准) , 而ANSYS的输入数据是按照x, y, z, xy, yz, x z 的顺序。也就是说, 输入该参数时必须通过改变剪切项的行数据以转换到ANSYS 数据格式。修改的方法为: