微流道加速度計感應腔設計參數的優化方法
【專利摘要】一種微流道加速度計感應腔設計參數的優化方法，屬于傳感器領域。本發明的目的是利用有限元分析軟件-COMSOLMultiphysics為基礎，對微流道加速度計動、靜態特性進行分析，尋找傳感器最優性能感測場合的微流道加速度計感應腔設計參數的優化方法。本發明的步驟是：建立包含能斯特-普朗克方程和層流場的三維動態模型，根據微流道感應腔設計尺寸，將上述所建模型內畫出所設計的微流道加速度計微流道感應腔三維結構，輸入所設計微流道加速度計電解液導電率、相對介電常數、電解液密度、粘滯度這四個參數值等，根據計算結果優化設計參數。本發明方法可以在沒有微流道加速度計樣品情況下，通過計算機仿真得到某些設計參數，進而了解微流道加速度計反應腔內部情況，通過仿真分析設計參數的情況，加快研發速度，降低研發成本。
【專利說明】微流道加速度計感應腔設計參數的優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于傳感器領域。
【背景技術】
[0002] 微流道加速度計是近年來國外出現的一種基于"微流道慣性傳感技術"的新型加 速度傳感元器件，其開創性的利用外界運動引起的密閉腔體(微流道反應腔）內電解液的對 流效應所導致的離子濃度變化實現了對加速度的測量，從而避免了使用慣性質量塊結構， 因此抗沖擊性極好(達到30000G以上)。
[0003] 微流道加速度計模型的建立是針對微流道感應腔展開的，微流道感應腔由放置在 浸滿電解液的密閉腔體內的兩對多孔電極組成，且兩對陰陽電極間有一定的電勢。當外界 運動時，反應腔內部電解液流過微流道感應腔，微流道感應腔內陰陽極發生可逆的氧化還 原反應，進而引起了陰、陽極間的電流變化，通過測量兩個陰極間電流的變化就可以測出對 應的外界加速度大小。傳統傳感器不同參數的設計需要提供不同的樣品進行分析，費時又 費力，且增加研發成本。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是利用有限元分析軟件-COMSOL Multiphysics為基礎，對微流道加 速度計動、靜態特性進行分析，尋找傳感器最優性能感測場合的微流道加速度計感應腔設 計參數的優化方法。
[0005] 本發明的步驟是： (1)建立包含能斯特-普朗克方程和層流場的三維動態模型，該過程包括以下步驟： (1-1)在COMSOL Multiphysics 4. 3a建立一個包含能斯特-普朗克方程和層流場的三 維動態模型； (1-2)在模型中，定義3種變量，分別用a、盧、^表示； (1-3)在模型中，將預置求解定義為瞬態模式； (2 )根據微流道感應腔設計尺寸，在步驟（1)所建模型內畫出所設計的微流道加速度計 微流道感應腔三維結構，該過程包括以下步驟： (2-1)在模型中，將長度單元設置為Mm，角度單元設置為Degrees ; (2-2)在模型中，以坐標原點（0,0)為起點，沿X軸正方向畫直徑為T Mm，高度依次為 f Mm, ￡? Mm，￡ Mm，f Mm, f Mm，Mm，Mm，F Mm，f Mm的圓柱體，分別命名為：a，b，c， d, e, f, g, h, i ； (3) 輸入所設計微流道加速度計電解液導電率、相對介電常數、電解液密度、粘滯度這 四個參數值； (4) 在能斯特-普朗克方程中定義電極、電勢及邊界條件和約束方程： 電氣絕緣：將圓柱體a，c，e，g，i定義為絕緣體，約束方程為：.
【權利要求】
1. 一種微流道加速度計感應腔設計參數的優化方法，其特征在于： (1)建立包含能斯特-普朗克方程和層流場的三維動態模型，該過程包括以下步驟： (1-1)在COMSOL Multiphysics 4. 3a建立一個包含能斯特-普朗克方程和層流場的三 維動態模型； (1-2)在模型中，定義3種變量，分別用α^表示； (1-3)在模型中，將預置求解定義為瞬態模式； (2 )根據微流道感應腔設計尺寸，在步驟（1)所建模型內畫出所設計的微流道加速度計 微流道感應腔三維結構，該過程包括以下步驟： (2-1)在模型中，將長度單元設置為Mm，角度單元設置為Degrees ; (2-2)在模型中，以坐標原點（0,0)為起點，沿X軸正方向畫直徑為τ Mm，高度依次為 f Mm, f Mm，f Mm, e Mm, ?" Mm, Mm, e Mm, ￡· Mm，f Mm的圓柱體，分別命名為：a，b，c， d, e, f, g, h, i ； (3) 輸入所設計微流道加速度計電解液導電率、相對介電常數、電解液密度、粘滯度這 四個參數值； (4) 在能斯特-普朗克方程中定義電極、電勢及邊界條件和約束方程： 電氣絕緣：將圓柱體a，c，e，g，i定義為絕緣體，約束方程為
無通量的約束方程為：一H = 0，其中， 電場遷移的約束方程為
，設定圓柱體b，h為陽極，電勢值為U1，圓 柱體d，f為陰極，電勢值為U2 ; (5) 層流場中定義入口、出口、流速及邊界條件和約束方程： 入口方程為：M = -CZciFI,邊界條件定義為速度，且定義為方向流入速度，為CJjj 設一初始值； 出口方程為
，其 中，Jr是溫度，p是壓力，是動力粘度，?是速度場，I是圓柱體長度，邊界條 件定義為壓力，無粘滯應力，為P1]設一初始值； 邊界條件定義為無滑移； (6) 對求解域進行網格剖分，該過程包括以下步驟： (6-1)對所建的模型進行粗化網格剖分，并對X向、y向、z向的縮放比例進行設置，對 穿過刪除的控制實體平滑下的迭代數、最大單元深度進行設置； 整個模型建立完畢； (7) 計算：借助有限元仿真軟件仿真求解； (8) 計算完畢后在結果中查看并分析計算結果； (9) 根據計算結果優化設計參數。
【文檔編號】G06F17/50GK104392024SQ201410599209
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】周求湛, 王聰香, 李大一, 姚為星, 陳永志 申請人:吉林大學