实验四 MEMS薄膜压力传感器静力学分析

实验四 MEMS薄膜压力传感器静力学分析

一、实验目的

1、掌握静力学分析

2、验证理论分析结果

3、对不同形状膜的分析结果进行对比

二、实验器材

能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机

三、实验说明

（一）基本思路

1、建模与网格化

2、静力学分析

3、对结果进行分析和比较

（二）问题描述：

由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所

需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力

面比较好。我们比较的膜形状有三种，分别是圆形. 正方形. 长方形。在比较的过程中，三

种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。设置参数具体为：F=0.1MPa,

EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。 为了选择合适的网格化类型，首

先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我

们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。

四、实验内容和步骤

圆形薄膜1

1. 先建立一个圆形薄膜： Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid

cylinder.弹出以个对话框如图，输入数据如图1，单击OK.

图1

2.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点

击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择

structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击clo.

如图2.

图2

3.设置材料属性：Main Menu>Preprocessor>material props> material models,弹出一个对话框，

在material models avaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic，又弹

出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY

后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击

material>exit,完成材料属性的设置。如图3.

图3

4.设置单元尺寸：Main Menu>Preprocessor

>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global

中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。

如

图4.

图4

5..采用自由式网格化生成单元：>meshing>meshtool弹出一个对

Main Menu>Preprocessor

话框，选择Shape后面的Tet,Free,.然后单击Mesh..在拾取图形，在单击OK。

如图5.

图5

6.施加约束：

Main Menu>solution>define loads>apply>structural>displacement>on areas.拾取圆

的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图 6.

1

VOLUMES

TYPE NUM

APR 21 2011

14:08:27

Z

Y

X

11060241-11-SUYUAN

图 6

7.施加载荷：

Main Menu>solution>define loads>apply>structural>pressure>on Areas.出现拾取

框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面如图：然后单击OK。出

现一个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK。如图 7.

1

ELEMENTS

APR 21 2011

14:10:52

Z

Y

X

11060241-11-SUYUAN

图 7

8.求解：

Main Menu>solution>solve>curentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击

file>clo,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示

框时，单击clo按钮，完成求解运算。

9.保存分析结果:utility menu>file>save as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。

10.显示节点位移云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现

如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured>nodal

solution>dof solution>displacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图 8.

1

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

USUM (AVG)

RSYS=0

DMX =.214E-06

SMX =.214E-06

APR 21 2011

14:32:43

MN

Z

Y

X

MX

0.476E-07.951E-07.143E-06.190E-06

.238E-07.713E-07.119E-06.166E-06.214E-06

11060241-11-suyuan

图 8

11.

显示节点应力云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu，出现

如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured> nodal

solution>stress>von mis stress,然后单击OK。生成应力云图如图 9.

1

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

SEQV (AVG)

DMX =.214E-06

SMN =.354E+07

SMX =.244E+08

APR 21 2011

14:33:40

MX

MN

Y

Z

X

.354E+07.816E+07.128E+08.174E+08.220E+08

.585E+07.105E+08.151E+08.197E+08.244E+08

11060241-11-suyuan

图 9

圆形薄膜2

1.先建立一个圆形薄膜： Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid cylinder.

弹出以个对话框如图，输入数据如图 10，单击OK.

图 10

2.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点

击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择

structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击clo.

如图 11.

图 11

3.设置材料属性：Main Menu>Preprocessor>material props> material models,弹出一个对话框，

在material models avaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic，又弹

出linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY

后面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3,单击OK。然后单击

material>exit,完成材料属性的设置。如图 12.

图 12

4.设置单元尺寸：Main Menu>Preprocessor

>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global

中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。

如

图 13.

图 13

5..采用映射式网格化生成单元：>meshing>meshtool弹出一个对

Main Menu>Preprocessor

话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。

如

图 14.

图 14

6.施加约束：

Main Menu>solution>define loads>apply>structural>displacement>on areas.拾取圆

的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图 15.

图 15

7.施加载荷：

Main Menu>solution>define loads>apply>structural>pressure>on Areas.出现拾取

框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面，然后单击OK。出现一

个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK。如图 16.

1

ELEMENTS

APR 21 2011

14:42:39

Z

Y

X

11060241-11-suyuan

图 16

8.求解：

Main Menu>solution>solve>curentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击

file>clo,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示

框时，单击clo按钮，完成求解运算。

9.保存分析结果:utility menu>file>save as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。

10.显示节点位移云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现

如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured>nodal

solution>dof solution>displacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图 17.

1

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

USUM (AVG)

RSYS=0

DMX =.273E-06

SMX =.273E-06

APR 21 2011

14:47:41

MN

Z

MX

Y

X

0.606E-07.121E-06.182E-06.242E-06

.303E-07.909E-07.152E-06.212E-06.273E-06

11060241-11-suyuan

图 17

11.

显示节点应力云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现

如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured> nodal

solution>stress>von mis stress,然后单击OK。生成应力云图如图 18.

1

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

SEQV (AVG)

DMX =.273E-06

SMN =.556E+07

SMX =.313E+08

MX

APR 21 2011

14:47:57

Z

MN

Y

X

.556E+07.113E+08.170E+08.227E+08.285E+08

.842E+07.141E+08.199E+08.256E+08.313E+08

11060241-11-suyuan

图 18

通过上面两种网格化的比较，还有通过理论计算，映射式网格化比自由式网格化更接近理

论，所以后面的网格化都采取映射式网格化。

正方形膜

1. 生成正方形膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>block>by dimensions,

出现对话框并填入数据如图：然后单击OK。如图 19.

图 19

2..设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点

击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择

structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击clo.

如图 20.

图 20

3.设置材料属性：Main Menu>Preprocessor>material props> material models,弹出一个对话框，

在material models avaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic又弹出

linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后

面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3，单击OK，然后单击

material>exit,完成材料属性的设置。如图 21.

图 21

4.设置单元尺寸：Main Menu>Preprocessor

>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global

中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。

如

图 22.

图 22

5..采用映射式网格化生成单元：>meshing>meshtool弹出一个对

Main Menu>Preprocessor

话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。

如

图 23.

图 23

6.施加约束：

Main Menu>solution>define loads>apply>structural>displacement>on areas.拾取正

方形的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图 24.

1

ELEMENTS

APR 21 2011

14:53:50

Z

Y

X

11060241-11-suyuan

图 24

7.施加载荷：

Main Menu>solution>define loads>apply>structural>pressure>on Areas.出现拾取

框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面，然后单击OK。出现一

个对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK. 如图 25.

1

ELEMENTS

APR 21 2011

14:54:29

Z

Y

X

11060241-11-suyuan

图 25

8.求解：

Main Menu>solution>solve>curentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击

file>clo,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示

框时，单击clo按钮，完成求解运算。

9.保存分析结果:utility menu>file>save as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。

10.显示节点位移云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现

如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured>nodal

solution>dof solution>displacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图 26.

1

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

USUM (AVG)

RSYS=0

DMX =.219E-06

SMX =.219E-06

APR 21 2011

14:59:58

MN

MX

Y

Z

X

0.487E-07.974E-07.146E-06.195E-06

.243E-07.730E-07.122E-06.170E-06.219E-06

11060241-11-suyuan

图 26

11.

显示节点应力云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现

如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured> nodal

solution>stress>von mis stress,然后单击OK。生成应力云图如图 27.

1

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

SEQV (AVG)

DMX =.219E-06

SMN =36888

SMX =.392E+08

APR 21 2011

15:00:31

MN

MX

Z

Y

X

36888.873E+07.174E+08.261E+08.348E+08

.439E+07.131E+08.218E+08.305E+08.392E+08

11060241-11-suyuan

图 27

长方形膜

1. 生成长方形膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>block>by dimensions,

出现对话框并填入数据如图 28，然后单击OK.

图 28

2..设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点

击add,显示 library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择

structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择 brick 8node 45选项，单击OK. 在点击clo.

如图 29.

图 29

3.设置材料属性：Main Menu>Preprocessor>material props> material models,弹出一个对话框，

在material models avaiable下面的对话框中双击打开structural>linear>elastic>isotropic又弹出

linear isotropic properties for material Number 1对话框，在EX后面输入1.9E11，在PRXY后

面输入栏中输入0.3，在双击density,在DENS后面输入2.33e3，单击OK，然后单击

material>exit,完成材料属性的设置。如图 30.

图 30

4.设置单元尺寸：Main Menu>Preprocessor

>meshing>meshtool,弹出一个对话框，单击Global

中的SET按钮，弹出Global element sizes 对话框，输入size=5e-006,然后单击OK。

如

图 31.

图 31

5..采用映射式网格化生成单元：>meshing>meshtool弹出一个对

Main Menu>Preprocessor

话框，选择Shape后面的Hex/Wedge,Sweep.然后单击Sweep.在拾取图形，单击OK。

如

图 31.

图 31

6.施加约束：

Main Menu>solution>define loads>apply>structural>displacement>on areas.拾取长

方形的周围面，如图：然后单击OK. 又出来一个对话框，选择ALL DOF.单击OK。如图 32.

1

ELEMENTS

APR 21 2011

15:05:32

Z

Y

X

11060241-11-suyuan

图 32

7.施加载荷：

Main Menu>solution>define loads>apply>structural>pressure>on Areas.出现拾取

框，拾取图形上垂直与Z轴并且是穿过坐标（0，0，13.887）的面然后单击OK。出现一个

对话框，在value load pres Valus后面输入100000，单击OK. 如图 33。

图 33

8.求解：

Main Menu>solution>solve>curentls LS一个信息提示框和对话框，浏览完毕后单击

file>clo,单击对话框上的OK按钮，开始求解运算，当出现一个solution is done的信息提示

框时，单击clo按钮，完成求解运算

9.保存分析结果:utility menu>file>save as.弹出一个对话框，输入plate-resu,.单击OK按钮。

10.显示节点位移云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现

如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured>nodal

solution>dof solution>displacement vector sum.然后单击OK。生成位移云图如图 34.

1

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

USUM (AVG)

RSYS=0

DMX =.110E-06

SMX =.110E-06

APR 21 2011

15:06:51

MN

MX

Y

Z

X

0.244E-07.488E-07.732E-07.976E-07

.122E-07.366E-07.610E-07.854E-07.110E-06

11060241-11-suyuan

图 34

11.

显示节点应力云图：Main Menu>generalpostproc>plot results>contour plot>nodal solu,出现

如图对话框：在contour nodal solution data对话框中选择item to be contoured> nodal

solution>stress>von mis stress,然后单击OK。生成应力云图如图 35.

图 35

基于相同的振动膜面积，厚度和施加压力，我们可以列表如下：

振动膜几何形状 最大应力/兆帕 最大挠度/微米

31.3 0.272

圆形

长方形

正方形

31.6 0.110

39.2 0.219

从上面的对比可以发现圆形振动膜的情况最好。在这种情况下，虽然挠度过大，但

是可以通过在芯片上安装机械制动器来限制它的挠度。从应力和挠度两个方面来看，正

方形振动膜是最不好的几何形状。但是由于它几何形状对称，很容易进行晶体切割，所

以它是当今压力传感器工业中最长用的几何形状。