仪器仪表学报

作者：梁瑞梅，李平华，刘阳，苗家齐，庄须叶

单位：梁瑞梅,山东理工大学机械工程学院淄博255000,lrm25790@163.com,李平华,山东理工大学机械工程学院淄博255000,,刘阳,山东理工大学机械工程学院淄博255000,,苗家齐,山东理工大学机械工程学院淄博255000,,庄须叶,山东理工大学机械工程学院淄博255000,zxye@sdut.edu.cn,

关键词：电容压力传感器;NSGA-Ⅱ;梳齿;优化

基金：泰山学者青年专家项目（tsqn201909108）、山东省自然基金面上项目（ZR2021MF042）资助

针对梳齿电容式压力传感器存在灵敏度低、灵敏度与量程难以同时优化的问题,提出了一种新型梁-膜结构梳齿电容式压力传感器,并采用曲线拟合与BP+NSGA-Ⅱ结合的方法对传感器进行优化。在膜片上表面添加锚点和悬臂梁构成杠杆放大结构,活动梳齿连接在杠杆输出端,通过杠杆的放大原理增加了活动梳齿的位移,提高了传感器的灵敏度。针对数据集维度高、计算量大的问题,利用MATLAB对结构与性能参数进行数据拟合和定量分析。通过对锚点、悬臂梁等结构几何参数与性能指标的相关性进行量化分析,筛选出对传感器性能影响显著的关键参数,并去除冗余变量,降低了数据集的复杂性。在确保结果准确性不退化的前提下,通过降维方法将数据集从14维降至6维,既提高了数据采集效率,又降低了算力损耗。对降维后的数据集利用BP神经网络进行训练,并结合NSGA-Ⅱ算法实现了灵敏度与量程的协同优化,增强了输出结果的可靠性。结果表明,在0~50kPa的压力范围内,优化后的传感器灵敏度为0.106pF/kPa,提高了30.4%,非线性误差为0.4%F.S.。该优化方法为多参数复杂结构的优化提供了参考,所设计的传感器具有高灵敏度和低非线性,为MEMS压力传感器的研发提供了新思路。

来源：2025年第3期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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