loading项目名称：新型加速度传感器结构布局优化设计技术研究 所属单位： 长沙理工大学汽机学院
新型加速度传感器结构布局优化设计技术研究 团队名称：梦路创业团队 所属高校：长沙理工大学 团队介绍
梦路创业团队是来自理工大学汽车与机械工程学院的专业创业团队，现拥有研究生6人，博士1人，博士生导师1人，个人情况见附表1。创业团队不怕吃苦，敢于拼搏，相信在不久的将来，我们会用自己的双手实现自己的创业梦想。 负责人简历
冯斌，男，1983年10生，中共党员，长沙理工大学汽机学院汽机学院07级载运工具运用工程专业研究生。06年于长沙理工大学测控技术与仪器专业毕业，后工作于湖南九天科技有限公司从事汽车仪器仪表开发。本科期间，努力学习，多次受到学校及湖南省奖励；在公司期间，研发团队获得公司明星团队称号。进入研究生阶段，参与国家863项目两项，申请获得湖南省“大学生创新性实验项目”课题一项，目前在研。 指导老师简历
荣见华, 男, 1963年7月生, 湖南岳阳人, 博士, 教授, 汽车与机械工程学院副院长。1989年3月进入中国飞机强度研究所工作。1992年10月-2000年7月担任中国飞机结构强度研究所振动研究室副主任, 1998年6月晋升研究员,2005年转评为教授。长期从事飞机振动结构动力学设计、结构分析与优化设计、考虑多约束的机翼/外挂系统颤振优化设计等理论、算法和应用研究工作, 参与了歼八三、歼十等型号飞机的研制工作。～年，作为访问学者，在澳大利亚墨尔本皇家理工大学、维多利亚理工大学从事考虑动力学要求的结构形状、拓扑的渐进结构优化的研究工作。主持与参加的多项部级预研项目均取得重大成果，作为主要参加者获国家科技进步二等奖一项。作为主持人获部级科技进步二等奖一项。2000年调入长沙理工大学,主要开展结构拓扑优化与静、动力学性能控制的研究工作。近年来,作为主持人和主要参加者完成了国家自然科学基金二项, 并主持完成了省部级重点研究项目二项。主持开发了一套SVDS-I型优化软件系统。在国内外期刊上发表论文共计53篇，其中二十一篇被SCI和EI收录。专着一本、合编着一本。在本课题中总体负责。
项目简介
立足于现有传感器的研发基础之上，采用项目组已经取得的研究成果，从工程实际出发，借助于国家863项目“大型复杂结构布局优化设计方法研究与软件开发”，我们有信心开发出一套结构更合理，性能更优越的产品。
本次设计的核心技术包括以下几个方面： 1. 加速度传感器的弹性体等效模型建立
2. 基于加速度传感器的结构及布局拓扑优化技术 3. 实用新型结构
目前市面上的传感器主要存在就是缺少拓扑优化方法的介入，使得产品在性能方面没有太大的提升，而且结构相对比较笨重。采用项目组的这些技术，会在很大程度上改善传感器的性能。 市场分析
据法国市场调研公司Yole Development最近发表了两份关于惯性MEMS的报告，预测2008-2013年该市场的年增长率将为13%左右。
德国Wichi Technologie consulting公司也预计：未来几年加速度计在移动通信应用和消费电子领域的年增长率将超过30%，特别是在手机和便携式摄像机方面面应用前景较大。
下面是权威机构发布的MEMS产业数据：
图1 MEMS市场规模图 图2 MEMS细分份额图
通过上图以及项目组进行的市场调研可知，MEMS器件的应用范围越来越广，但国内的MEMS产业才刚刚开始，还处于导入期阶段。其存在的主要问题有：
（1）科技创新差，核心制造技术严重滞后于国外，拥有自主知识产权的产品少，品种不全，产品技术水平与国外相差15年左右。
（2）投资强度偏低，科研设备和生产工艺装备落后，成果水平低，产品质量差。 （3）科技与生产脱节，影响科研成果的转化，综合实力较低，产业发展后劲不足 因此，研制一款性能优良的加速度传感器绝对具有良好的市场应用前景。 竞争与竞争分析 1.国内
据资料统计，全国有1600多家企事业单位从事传感器和仪表元器件的研制、开发、生产，产品首先要面对这些生产厂家的竞争。
2.国外
由于国外在加速度计方面的研究起步较早，但是运用拓扑优化方法对加速度传感器进行设计的公司还比较少。
产品描述
一 研究背景
加速度传感器是一种应用十分广泛的惯性传感器。传统的加速度传感器大多为机械弹簧式，体积大、质量大、响应速度慢、测量精度低、成本高，应用场合受到很大限制。而结构拓扑优化方法在拓展了加速度传感器的外形设计空间，并且可以综合解决产品的安全性和稳定性等问题，较全面符合结构设计安全高效的原则。因此，应用拓扑优化设计方法进行加速度传感器设计具有极高的工程价值和应用价值。 二 设计方法
拓扑优化方法目前已经发展得比较成熟，且在实践中得到广泛应用。目前结构拓扑比较成熟的方法主要均匀化方法、变厚度法、变密度法、结构渐进优化法（ESO法）。
均匀化方法是连续体结构拓扑优化中应用最广的方法，属材料描述方式，其基本思想是在拓扑结构的材料中引入微结构，微结构的形式和尺寸参数决定了宏观材料在此点处的弹性性质和密度，优化过程中以微结构的尺寸作为拓扑设计变量进行设计。
变厚度法也是较早采用的拓扑优化方法，其基本思想是以基结构中单元厚度为拓扑设计变量，以设计结果中的厚度分布确定最优拓扑，是尺寸优化方法的直接推广。
变密度法引入一种假想的密度可变的材料，材料物理参数与材料密度间的关系也是人为假定的。优化时以材料密度作为拓扑设计变量，这样结构拓扑优化问题被转换为材料的最优分布问题。
ESO方法通过将无效或低效的材料一步步去掉，获得优化拓扑，方法通用性好，可解决尺寸优化，还可同时实现形状和拓扑优化。
（a）载荷1
（b）载荷2
图3 两端固支结构的初始设计域
项目采用的设计方法就是ESO方法中的一种，通过计算删除相对结构无用的单元，获得左右拓扑构型。下面是几个采用拓扑优化设计方法设计的算例。
(a) X向应力云图
(b) Y向应力云图
图4 结构的最优拓扑构型 图5 L型梁的初始设计域
(a) X向应力云图
(b) Y向应力云图
图6 结构的最优拓扑构型
三 产品描述
加速度计按测量量不同分成两种，一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的；另一种就是线加速度计，线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡；按敏感机理分，主要有压阻式、电容式、压电式、温敏式(热对流式)、真空微电子式、隧道式、谐振式等形式。
压电式的加速度传感器如图7所示，其中S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元 件，R是夹持环。图7-a是中央安装压缩型，压电元件--质量块—弹簧系统在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。图7-b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。图7-c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。
由于压电元件的特性，压电加速度传感器的低频特性不好，不适合低频测量。在后续的设计中，通过对压电式加速度传感器的本构方程进行处理，然后通过拓扑优化方法也可以改善它的性能。
图7 压电式加速度传感器结构图
电容式加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，利用平行板电容将质量块的
相对位移转换为电容的变化，再通过检测电路将电容的小变化转换为与其成正比的。
对于平板电容电容值C??A/d，其中，?为介质介电常数，A为极板正对面积，
d为极板间垂直距离。可见，电容式加速度传感器按工作原理可以分为变面积式、变间隙式和变介质式，多数是变间隙式的，其结构原理如图8所示：
图8 电容式加速度传感器结构图
加速度传感器基本应用范围如表1。
表1 加速度传感器应用范围
应用领域 汽车安全 性能要求：可靠、 应用范围 改善对气囊的控制 防止碰撞系统 测量范围（?/s） 200 100 精度（?/s） 10 1 廉价、寿命长、抗恶劣环境 消费电子 性能要求：廉价、寿命长、体积小、功耗低 有源支撑 防滑 由于计算机的空间指示器 遥控器件 摄像机的防止抖动补偿 导航 玩具和体育器材 机器控制 角振动测量 飞行物体的姿态控制 稳定平台 机器人 身体运动监视 振动诊断 对瘫痪病人的行动辅助 手术器 轮椅 50 100 100 100 50 50 不确定 10 不确定 20 20 10 100 50 100 20 50 2 1 2 不确定 不确定 1 2 工业 性能要求：可靠、体积小、抗恶劣环境 医疗 性能要求：可靠、体积小、功率低 四 产品开发策略
由于电容式加速度传感器结构和制作工艺相对简单，有较高灵敏度，且相应的参考文献较多，故项目组决定首先对电容式加速度传感器进行性能改进。 1 叉指式单轴电容式加速度传感器
目前市面上有的电容式加速度传感器结构主要为叉指式结构和三明治结构，由于
图9 电容式加速度传感器初始设计域
叉指结构相对较简单，因此首先在叉指式传感器的基础上进行性能改进。其初始设计域定义如图9所示，其中ma为测量加速度引起惯性质量块振动所产生的等效力。其中红色区域为不可设计区域，取已有的一些较好的设计参数，计算弹性梁的结构形式。然后再根据梁的结构形式确定质量块和叉指结构的尺寸。 2 新型三轴电容式加速度传感器
三轴电容式加速度传感器是目前的一个主要发展方向，以前的三轴加速度计只是简单地将三个加速度计组合起来构成三轴加速度传感器。我们设计的三轴加速度传感器其结构形式具有相当高的新颖性，而且其检测电路也相对较为简单。采用这种结构易于封装，电容工作区相对于梳齿式电容加速度传感器更加集中，便于进行加工制造，成本相对较低。其初始设计域如图10所示。
图10 三轴电容式加速度计初始设计域
如前所述，结构优化有三种优化方法，这里我们通过形状和尺寸优化来确定传感器的结构形式。通过计算，我们得到初步结构形式，如图11所示。