基于弹性体拓扑优化的AT切型石英谐振式力传感器研究

1 论文标题：基于弹性体拓扑优化的AT切型石英谐振式力传感器研究

2 作者信息：梅思雨*, 殷仁松*, 刘 冲, 谢龙涛, 郁 峰：宁波大学力学与工程科学学院，极端环境交叉力学研究中心，浙江 宁波；巫晟逸, 赵岷江：台晶(宁波)电子有限公司，浙江 宁波；陈 晖#：宁波大学力学与工程科学学院，极端环境交叉力学研究中心，浙江 宁波；宁波大学力学与工程科学学院，压电器件技术实验室，浙江 宁波

3 出处和链接：梅思雨, 殷仁松, 刘冲, 巫晟逸, 谢龙涛, 郁峰, 赵岷江, 陈晖. 基于弹性体拓扑优化的AT切型石英谐振式力传感器研究[J]. 力学研究, 2026, 15(3): 185-198. https://doi.org/10.12677/ijm.2026.153018

4 摘要：针对AT切型石英晶体谐振式力传感器小载荷下频率偏移有限、灵敏度受限的问题，提出基于不锈钢弹性体拓扑优化的力信号放大方法。以安装凹槽侧壁平均压应力幅值为目标，优化弹性体中部材料分布，并通过有限元对未挖孔、双圆孔、矩形孔、椭圆孔及拓扑优化结构进行对比。结果表明，0~100 N范围内各结构压应力与载荷近似线性；拓扑优化结构相对未挖孔和双圆孔结构的平均应力放大倍数分别为10.9081和3.1238。将100 N工况下侧壁压应力作为石英晶体等效边界输入，拓扑优化结构对应厚度剪切模态频率较未挖孔结构降低约7 kHz。该方法可改善载荷传递路径，提高局部压应力响应，为传感器灵敏度提升提供参考。