CN104392024B - 微流道加速度计感应腔设计参数的优化方法 - Google Patents

Abstract

一种微流道加速度计感应腔设计参数的优化方法，属于传感器领域。本发明的目的是利用有限元分析软件‑COMSOL Multiphysics为基础，对微流道加速度计动、静态特性进行分析，寻找传感器最优性能感测场合的微流道加速度计感应腔设计参数的优化方法。本发明的步骤是：建立包含能斯特‑普朗克方程和层流场的三维动态模型，根据微流道感应腔设计尺寸，将上述所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构，输入所设计微流道加速度计电解液导电率、相对介电常数、电解液密度、粘滞度这四个参数值等，根据计算结果优化设计参数。本发明方法可以在没有微流道加速度计样品情况下，通过计算机仿真得到某些设计参数，进而了解微流道加速度计反应腔内部情况，通过仿真分析设计参数的情况，加快研发速度，降低研发成本。

Description

微流道加速度计感应腔设计参数的优化方法

技术领域

本发明属于传感器领域。

背景技术

微流道加速度计是近年来国外出现的一种基于“微流道惯性传感技术”的新型加速度传感元器件，其开创性的利用外界运动引起的密闭腔体(微流道反应腔)内电解液的对流效应所导致的离子浓度变化实现了对加速度的测量，从而避免了使用惯性质量块结构，因此抗冲击性极好(达到30000G以上)。

微流道加速度计模型的建立是针对微流道感应腔展开的，微流道感应腔由放置在浸满电解液的密闭腔体内的两对多孔电极组成，且两对阴阳电极间有一定的电势。当外界运动时，反应腔内部电解液流过微流道感应腔，微流道感应腔内阴阳极发生可逆的氧化还原反应，进而引起了阴、阳极间的电流变化，通过测量两个阴极间电流的变化就可以测出对应的外界加速度大小。传统传感器不同参数的设计需要提供不同的样品进行分析，费时又费力，且增加研发成本。

发明内容

本发明的目的是利用有限元分析软件-COMSOL Multiphysics为基础，对微流道加速度计动、静态特性进行分析，寻找传感器最优性能感测场合的微流道加速度计感应腔设计参数的优化方法。

本发明的步骤是：

(1)建立包含能斯特-普朗克方程和层流场的三维动态模型，该过程包括以下步骤：

(1-1)在COMSOL Multiphysics 4.3a建立一个包含能斯特-普朗克方程和层流场的三维动态模型；

(1-2)在模型中，定义3种变量，分别用α、β、γ表示；

(1-3)在模型中，将预置求解定义为瞬态模式；

(2)根据微流道感应腔设计尺寸，在步骤(1)所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构，该过程包括以下步骤：

(2-1)在模型中，将长度单元设置为μm，角度单元设置为Degrees；

(2-2)在模型中，以坐标原点(0，0)为起点，沿x轴正方向画直径为τμm，高度依次为εμm，εμm，εμm，ξμm，εμm，εμm，εμm，的圆柱体，分别命名为：a，b，c，d，e，f，g，h，i；

(3)输入所设计微流道加速度计电解液导电率、相对介电常数、电解液密度、粘滞度这四个参数值；

(4)在能斯特-普朗克方程中定义电极、电势及边界条件和约束方程：

电气绝缘：将圆柱体a，c，e，g，i定义为绝缘体，约束方程为：-n·N^V＝0，无通量的约束方程为：-n·N_i＝0，其中，

电场迁移的约束方程为：设定圆柱体b，h为阳极，电势值为U1，圆柱体d，f为阴极，电势值为U2；

(5)层流场中定义入口、出口、流速及边界条件和约束方程：

入口方程为：u＝-U₀n，边界条件定义为速度，且定义为方向流入速度，为U₀设一初始值；

出口方程为：p＝p₀，其中，T是温度，p是压力，μ是动力粘度，u是速度场，l是圆柱体长度，边界条件定义为压力，无粘滞应力，为p₀设一初始值；

边界条件定义为无滑移；

(6)对求解域进行网格剖分，该过程包括以下步骤：

(6-1)对所建的模型进行粗化网格剖分，并对x向、y向、z向的缩放比例进行设置，对穿过删除的控制实体平滑下的迭代数、最大单元深度进行设置；

整个模型建立完毕；

(7)计算：借助有限元仿真软件仿真求解；

(8)计算完毕后在结果中查看并分析计算结果；

(9)根据计算结果优化设计参数。

本发明所提出的方法，具有以下优点：

本发明方法可以在没有微流道加速度计样品情况下，通过计算机仿真得到某些设计参数，进而了解微流道加速度计反应腔内部情况，通过仿真分析设计参数的情况，加快研发速度，降低研发成本。

本发明方法基于有限元分析软件的建立，对多物理场进行耦合，可根据实际设计制定需仿真的结构，再根据设计要求制定需要达到的技术参数，最后给出优化的设计参数。

可在已知微流道加速度计各项设计参数情况下，通过计算机仿真得到某设计参数下的传感器运动情况，并对其动、静态特性进行分析，寻找传感器最优性能的感测场合，使得设计的微流道加速度计内部各种参数达到最优水平，大大提高了研发效率，节约研发成本。

附图说明

图1是微流道加速度计微流道反应腔内部结构示意图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是本发明方法的原理模型；

图4是模型网格剖分图；

图5是是计算结果——模型内某填充变量的浓度；

图6是计算结果——z分量电流密度。

具体实施方式

本发明的步骤是：

(1)建立包含能斯特-普朗克方程和层流场的三维动态模型，该过程包括以下步骤：

(1-1)在COMSOL Multiphysics 4.3a建立一个包含能斯特-普朗克方程和层流场的三维动态模型；

(1-2)在模型中，定义3种变量，分别用α、β、γ表示；

(1-3)在模型中，将预置求解定义为瞬态模式；

(2)根据微流道感应腔设计尺寸，在步骤(1)所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构，该过程包括以下步骤：

(2-1)在模型中，将长度单元设置为μm，角度单元设置为Degrees；

(2-2)在模型中，以坐标原点(0，0)为起点，沿x轴正方向画直径为τμm，高度依次为εμm，εμm，εμm，ξμm，εμm，εμm，εμm，的圆柱体，分别命名为：a，b，c，d，e，f，g，h，i；

(3)输入所设计微流道加速度计电解液导电率、相对介电常数、电解液密度、粘滞度这四个参数值；

(4)在能斯特-普朗克方程中定义电极、电势及边界条件和约束方程：

电气绝缘：将圆柱体a，c，e，g，i定义为绝缘体，约束方程为：-n·N^V＝0，无通量的约束方程为：-n·N_i＝0，其中，

电场迁移的约束方程为：设定圆柱体b，h为阳极，电势值为U1，圆柱体d，f为阴极，电势值为U2；

(5)层流场中定义入口、出口、流速及边界条件和约束方程：

入口方程为：u＝-U₀n，边界条件定义为速度，且定义为方向流入速度，为U₀设一初始值；

出口方程为：p＝p₀，其中，T是温度，p是压力，μ是动力粘度，u是速度场，l是圆柱体长度，边界条件定义为压力，无粘滞应力，为p₀设一初始值；

边界条件定义为无滑移；

(6)对求解域进行网格剖分，该过程包括以下步骤：

(6-1)对所建的模型进行粗化网格剖分，并对x向、y向、z向的缩放比例进行设置，对穿过删除的控制实体平滑下的迭代数、最大单元深度进行设置；

整个模型建立完毕；

(7)计算：借助有限元仿真软件仿真求解；

(8)计算完毕后在结果中查看并分析计算结果；

(9)根据计算结果优化设计参数。

微流道感应腔是微流道加速度计的核心部件，其内部结构如图1所示，由电解液密封腔、电解液、电极(阳极和阴极)、绝缘隔层以及导线组成：电解液密封腔内填充一定浓度的电解液(通常是水基盐溶液)，阳极和阴极安装在电解密封液腔内并被绝缘隔层间隔开，电极两端施加一定电势，并与电解液密封腔外的信号采集处理电路相连。其中电极与绝缘隔层通常被封装在一起，被称为“敏感元件”。敏感元件是微流道感应腔的核心部件，也微流道加速度计的核心敏感部件。

微流道加速度计的工作原理基于外界运动引起的微流道感应腔内电解液的离子浓度差的变化：在密闭腔体内封装电解液(以水基盐溶液为例)，并将一对电极放置于电解液中。当电极两侧无电势差时，电解液内的某种有效离子的浓度保存恒定；当电极两侧有电势差时，会在阴极和阳极产生电极反应，从而导致在电极两侧形成上述的某种有效离子的浓度差。该浓度差会随密闭腔体的运动或姿态而发生改变，进而在电极直接产生电流变化。通过测量该电流变化即可获得密闭腔体此时的运动或姿态变化情况。

以下结合附图对本发明做进一步详细的描述：

本发明提出的一种利用有限元分析软件-COMSOL Multiphysics为微流道加速度计建立原理模型的方法，其流程图如图2所示，包括以下各步骤：

(1)建立包含能斯特-普朗克方程和层流场的三维动态模型，该过程包括以下步骤：

(1-1)在COMSOL Multiphysics 4.3a建立一个包含能斯特-普朗克方程和层流场的三维动态模型。

其中，能斯特-普朗克方程为：

其中，c_i是浓度，t是时间，D_i是扩散系数，Z_i是电荷数，u_m，j是迁移率，V是电势，F是Faraday常量，是速度，R_i是变量生产条件。

其中，F是Faraday常量，Z_i是电荷数，R_i是变量生产条件。其中，Z_i是电荷数，C_i是浓度。

其中，是通量，D_i是扩散系数，C_i是浓度，Z_i是电荷数，u_m，j是迁移率，V是电势，F是Faraday常量，是速度向量。

其中，F是Faraday常量，z_i是电荷数，D_i是扩散系数，c_i是浓度，u_m，j是迁移率，V是电势。

层流场方程为：

其中，ρ是密度，是速度向量，t是时间，是圆柱体长度，T是温度，F是Faraday常量。

其中，ρ是密度，是速度向量。

(1-2)在模型中，定义3种变量，分别用α、β、γ表示。

(1-3)在模型中，将预置求解定义为瞬态模式。

(2)根据微流道感应腔设计尺寸，在步骤(1)所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构，该过程包括以下步骤：

(2-1)在模型中，将长度单元设置为μm，角度单元设置为Degrees。

(2-2)在模型中，以坐标原点(0，0)为起点，沿x轴正方向画直径为τμm，高度依次为 εμm，εμm，εμm，ξ_μm，ε_μm，ε_μm，εμm，的圆柱体，分别命名为：a，b，c，d，e，f，g，h，i。

(3)输入所设计微流道加速度计电解液导电率、相对介电常数、电解液密度、粘滞度这四个参数值。

(4)在能斯特-普朗克方程中定义电极、电势及边界条件和约束方程。

电气绝缘：将圆柱体a，c，e，g，i定义为绝缘体，约束方程为：-n·N^V＝0

无通量的约束方程为：-n·N_i＝0，其中，

电场迁移的约束方程为：

设定圆柱体b，h为阳极，电势值为U1，圆柱体d，f为阴极，电势值为U2。

(5)层流场中定义入口、出口、流速及边界条件和约束方程。

入口方程为：u＝-U₀n，边界条件定义为速度，且定义为方向流入速度，为U₀设一初始值。

出口方程为：p＝p₀，其中，T是温度，p是压力，μ是动力粘度，u是速度场，l是圆柱体长度，边界条件定义为压力，无粘滞应力，为p₀设一初始值。

边界条件定义为无滑移。

(6)对求解域进行网格剖分，该过程包括以下步骤：

(6-1)对所建的模型进行粗化网格剖分，并对x向、y向、z向的缩放比例进行设置，对穿过删除的控制实体平滑下的迭代数、最大单元深度进行设置。整个模型建立完毕。

(7)计算。

由于以上方程都是多元偏微分方程，很难直接求解，因此借助有限元仿真软件仿真求解。

(8)计算完毕后在结果中查看并分析计算结果。

(9)根据计算结果优化设计参数。

实施例：

按上述过程建模，在建模过程中输入相应的参数，所建模型如图3所示。模型的网格剖分图如图4所示，模型内某填充变量的浓度的计算结果如图5所示，z分量的电流密度计算结果如图5所示，x和y分量的电流密度计算结果在此不作展示。然后分析计算结果，最后根据计算结果优化设计参数。

Claims (1)

1.一种微流道加速度计感应腔设计参数的优化方法，其特征在于：

(1)建立包含能斯特-普朗克方程和层流场的三维动态模型，其步骤是：

(1-1)在COMSOL Multiphysics 4.3a建立一个包含能斯特-普朗克方程和层流场的三维动态模型；

能斯特-普朗克方程为：

其中，c_i是浓度，t是时间，D_i是扩散系数，z_i是电荷数，u_m,j是迁移率，V是电势，F是Faraday常量，是速度向量，R_i是变量生产条件；

其中，N^V为在电势V下的通量,F是Faraday常量，z_i是电荷数，R_i是变量生产条件；

其中，z_i是电荷数，c_i是浓度；

其中，是通量，D_i是扩散系数，c_i是浓度，z_i是电荷数，u_m,j是迁移率，V是电势，F是Faraday常量，是速度向量；其中，F是Faraday常量，z_i是电荷数，D_i是扩散系数，c_i是浓度，u_m,j是迁移率，V是电势；

层流场方程为：

其中，ρ是密度，是速度向量，t是时间，是圆柱体长度，T是温度，F是Faraday常量；其中，ρ是密度，是速度向量；

(1-2)在模型中，定义3种变量，分别用α、β、γ表示；

(1-3)在模型中，将预置求解定义为瞬态模式；

(2)根据微流道感应腔设计尺寸，在步骤(1)所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构，该过程包括以下步骤：

(2-1)在模型中，将长度单元设置为μm，角度单元设置为Degrees；

(2-2)在模型中，以坐标原点(0，0)为起点，沿x轴正方向画直径为τμm，高度依次为 εμm，εμm，εμm，ξμm，εμm，εμm，εμm，的圆柱体，分别命名为：a，b，c，d，e，f，g，h，i；

(3)输入所设计微流道加速度计电解液导电率、相对介电常数、电解液密度、粘滞度这四个参数值；

(4)在能斯特-普朗克方程中定义电极、电势及边界条件和约束方程：

电气绝缘：将圆柱体a，c，e，g，i定义为绝缘体，约束方程为：-n·N^V＝0，无通量的约束方程为：-n·N_i＝0，其中，n为每摩尔电子所带的电量,N_i为物料种类绝缘体i的通量；

电场迁移的约束方程为：设定圆柱体b，h为阳极，电势值为U1，圆柱体d，f为阴极，电势值为U2；

(5)层流场中定义入口、出口、流速及边界条件和约束方程：

入口方程为：u＝-U₀n，边界条件定义为速度，且定义为方向流入速度，为U₀设一初始值；U₀为初始电势值；

出口方程为：p＝p₀，其中，T是温度，p是压力，μ是动力粘度，u是速度场，l是圆柱体长度，边界条件定义为压力，无粘滞应力，为p₀设一初始值；p₀为压力的初始值；

边界条件定义为无滑移；

(6)对求解域进行网格剖分，该过程包括以下步骤：

(6-1)对所建的模型进行粗化网格剖分，并对x向、y向、z向的缩放比例进行设置，对穿过删除的控制实体平滑下的迭代数、最大单元深度进行设置；

整个模型建立完毕；

(7)计算：借助有限元仿真软件仿真求解；

(8)计算完毕后在结果中查看并分析计算结果；

(9)根据计算结果优化设计参数。