专利汇可以提供一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种金属 氧 化物 半导体 气体 传感器 结构优化设计方法,旨在为开发高可靠度的新型金属氧化物半导体 气体传感器 提供潜在的设计工具。本方法选取传感器的金属氧化物半导体感应膜作为设计对象,以最小化温变 载荷 下感应膜功能区最大应 力 为设计目标。首先,通过对温变载荷的近似等效,在现有 有限元分析 平台上构建拓扑优化模型;其次,基于拓扑优化模型,以体积 阈值 作为设计变量,对最小 应力 展开一维搜索,从而得到具有最小 热应力 的感应膜构型。与常规方法比较,本方法无需设计者提供初始构型,从而大大降低了对工程经验和理论知识的依赖;设计过程所有步骤均无需繁琐、复杂的编程求解过程,易于理解、实施,具有良好的工程实用性。,下面是一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法专利的具体信息内容。
1.一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于:该方法包括如下处理步骤:
(1)基于待优化气体传感器,选取设计对象和设计目标,所述设计对象选取为所述气体传感器的感应膜,所述设计目标选取为最小化温变载荷下所述感应膜的功能区(220)最大热应力S;
(2)采用压力载荷替代温变载荷,建立有限元分析模型A,所述压力载荷是指施加在感应膜功能区上的法向压力载荷P;
(3)基于所述有限元分析模型A,建立拓扑优化模型并求解得到初始拓扑构型;
(4)基于所述初始拓扑构型,建立温变载荷下的有限元分析模型B并求解;所述温变载荷根据设计要求设定,所述求解可输出所述功能区上最大应力S(v);
(5)构建温变载荷下功能区应力最小化的一维搜索模型;
* *
(6)对所述一维搜索模型求解,输出最优体积阈值v、应力值S(v),及最优拓扑构型。
2.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述气体传感器(20)包括硅基片(21)和感应膜(22),所述硅基片(21)为感应膜(22)的支撑结构体,所述感应膜(22)包含三个区域:功能区(220)、支撑区(221)和固定区(222),所述功能区(220)包含三层:气敏层(2201)、加热层(2202)和绝缘层(2203),所述气敏层(2201)上的感应电极在与目标气体接触后电阻值会改变,从而实现气体监测。
3.根据权利要求2所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,所述加热层(2202)上设置有加热电路,将功能区(220)的温度提升,以加强气敏层(2201)对目标气体的敏感度。
4.根据权利要求2所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,所述温度提升至300℃。
5.根据权利要求2所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,所述气敏层(2201)通过布置在支撑区(221)的引线与固定区(222)上的第一感应电极(2221)、第二感应电极(2222)连接,构成感应电路。
6.根据权利要求2所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,所述加热层(2202)通过布置在支撑区(221)的引线与固定区(222)上的第一加热电极(2223)、第二加热电极(2224)连接,构成加热电路。
7.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,在步骤(2)中,建立有限元分析模型A是对感应膜(22)的功能区(220)和支撑区(221)建立基于X和Y方向对称的第一1/4有限元分析模型(30),第一1/4有限元分析模型(30)的单元基于壳特征构建,设置材料的弹性模量,泊松比,对第一区域(31)设置固支边界条件,对第二区域(32)设置基于X方向的对称边界条件,对第三区域(33)设置基于Y方向的对称边界条件,求解器设置为“静态,通用”。
8.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,在步骤(3)中,建立拓扑优化模型并求解得到初始拓扑构型的过程为:
(3.1)在所述有限元分析模型A中,选取所述感应膜的支撑区为待设计区域;
(3.2)冻结施加固支边界条件的区域和施加载荷的区域;
(3.3)基于所述待设计区域,建立体积V的响应函数;
(3.4)基于所述功能区中心点的位移,建立变形D的响应函数;
(3.5)以最小化D为设计目标,以V≤v=v0为约束,建立如下拓扑优化模型M(v):
(3.6)在现有有限元分析软件平台上求解输出所述待设计区域的初始拓扑构型。
9.根据权利要求8所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,v=22%。
10.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,在步骤(4)中,有限元分析模型B为基于X和Y方向对称的第二1/4有限元分析模型(50),第二1/4有限元分析模型(50)的单元基于壳特征构建,对第五区域(51)设置固支边界条件,对第六区域(52)设置基于X方向的对称边界条件,对第七区域(53)设置基于Y方向的对称边界条件,对第八区域(54)施加温变载荷,求解器设置为“温度-位移耦合”。
11.根据权利要求1-10任意一项所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法,其特征在于,在步骤(5)中,所述一维搜索模型的特征为:以体积阈值v为设计变量、S(v)为目标函数、v∈[vL,vR]为约束,所构建的一维搜索模型可写成:
s.t.v∈[vL,vR]
R L
所述v和v表示设计变量v取值的上、下界。
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