Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng vi cảm biến lực áp trở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VŨ MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HUẾ - 2014 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VŨ MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH HUẾ - 2014 z LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS.TS Chử Đức Trình, người hướng dẫn tơi tận tình, chu đáo trình thực luận văn Sự bảo tận tâm thầy mang lại cho hệ thống phương pháp, kiến thức kỹ q báu để hồn thiện đề tài cách tốt Tôi xin chân thành cảm ơn phịng Đào tạo, thầy giáo, giáo khoa Điện tử viễn thông, trường đại học Công nghệ, đặc biệt thầy giáo Bộ môn , khoa Điện tử viễn thông - người mà thời gian qua dạy dỗ, truyền thụ kiến thức khoa học, giúp bước trưởng thành Tôi xin trân trọng cảm ơn phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học, Đại học Huế hỗ trợ thời gian học tập thực luận văn Xin chân thành cảm ơn người thân, gia đình bạn bè - người hỗ trợ nhiều vật chất lẫn tinh thần để tơi học tập đạt kết tốt thực thành công luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2014 Trần Vũ Minh z LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực Những kết từ tác giả trước mà tơi sử dụng luận văn trích dẫn rõ ràng, cụ thể Khơng có khơng trung thực kết tính tốn Nếu có sai trái, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2014 Học viên Trần Vũ Minh z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 TÓM TẮT Nhiệm vụ luận văn tìm hiểu vi cảm biến, cụ thể tìm hiểu vi cảm biến lực đa chiều áp trở Trên sở lý thuyết tìm hiểu được, thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở nhận biết đo lực theo nhiều chiều Luận văn vào tìm hiểu mơ hình vi cảm biến lực, mơ hình vi cảm biến lực đa chiều, cấu trúc dầm cantilever cho vi cảm biến lực đa chiều, sở hiệu ứng áp trở vi cảm biến lực áp trở Dựa sở lý thuyết nghiên cứu được, luận văn thực việc thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở Luận văn xây dựng công thức liên quan cho cấu trúc Cuối cùng, luận văn thực việc mô phần mềm COMSOL để khảo sát thiết kế vi cảm biến đồng thời trình bày kết đạt để từ xây dựng hướng phát triển 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG GIỚI THIỆU 10 CHƯƠNG 1: VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU 10 1.1 1.2 1.3 1.4 Mơ hình vi cảm biến lực đa chiều 11 1.1.1 Mơ hình vi cảm biến 11 1.1.2 Mơ hình vi cảm biến lực 13 1.1.3 Mơ hình vi cảm biến lực chiều 13 Vi cảm biến lực đa chiều dạng dầm cantilever 14 1.2.1 Thanh dầm cantilever chữ I 14 1.2.2 Thanh dầm cantilever chữ L 17 Các tiêu chí cho việc thiết kế vi cảm biến lực đa chiều 17 1.3.1 Đường cong chuẩn cảm biến 17 1.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến 18 1.3.3 Độ nhạy 19 1.3.4 Độ tuyến tính 20 1.3.5 Sai số độ xác 20 Kết luận chương 21 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 CHƯƠNG 2: VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ 2.1 2.2 21 Phân loại vi cảm biến lực 22 2.1.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ 22 2.1.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện 22 2.1.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở 23 2.1.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang 25 Vi cảm biến lực áp trở 26 2.2.1 Đặc tính học Silic đơn tinh thể 26 2.2.2 Hiệu ứng áp điện trở 28 2.3 Mạch cầu Wheatstone 32 2.4 Nhiễu 33 2.5 2.4.1 Nhiễu Johnson 33 2.4.2 Nhiễu flicker 33 Kết luận chương 34 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU ÁP TRỞ 34 3.1 Mơ hình cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở 35 3.2 Cấu hình ngang 3.3 Cấu hình dọc 40 3.4 Cấu hình dài 43 3.5 Kết luận chương 37 46 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 46 4.1 Thiết kế thơng số hình học vi cảm biến 47 4.2 Mô 47 4.2.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL 48 4.2.2 Mô dầm cantilever chữ L 48 4.2.3 Cấu hình ngang 48 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 4.3 4.2.4 Cấu hình dọc 49 4.2.5 Cấu hình dài 50 Kết luận chương 50 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Mơ hình vi cảm biến 12 1.2 Mơ hình vi cảm biến lực 13 1.3 Mơ hình vi cảm biến lực chiều 14 1.4 Thanh dầm cantilever chữ I 15 1.5 Phân bố ứng suất dầm 16 1.6 Thanh dầm cantilever chữ L 17 1.7 Đường cong chuẩn cảm biến tuyến tính 18 2.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ 23 2.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện 24 2.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở 24 2.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang 25 2.5 Các thành phần ứng suất 27 2.6 Mạch cầu Wheatstone 32 2.7 Mật độ phổ công suất nhiễu flicker 34 3.1 Vi cảm biến lực chiều áp trở 3.2 Khối đặt lực tác dụng 37 3.3 Sơ đồ cấu hình : a) Cấu hình ngang b) Cấu hình dọc c) Cấu hình dài d) 36 Bố trí cầu Wheatstone với cơng tắc chuyển từ a) sang b) 38 3.4 Cấu hình ngang 39 3.5 Điện áp cấu hình ngang 40 3.6 Cấu hình dọc 41 3.7 Điện áp cấu hình dọc 42 3.8 Cấu hình dài 43 3.9 Cấu hình dài 44 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 3.10 Điện áp cấu hình ngang 45 4.1 Giao diện phần mềm COMSOL 49 4.2 Thanh dầm cantilever chữ L 50 4.3 Phân bố ứng suất cấu hình ngang 51 4.4 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình ngang 51 4.5 Phân bố ứng suất cấu hình dọc 52 4.6 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dọc 52 4.7 Phân bố ứng suất cấu hình dài 53 4.8 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dài 53 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 33 Thế phương trình (2.38) vào (2.39) ta được:      ∆R3 ∆R3 ∆R1 ∆R2 R1 R2 R3 R4 + Vin (2.40) Vout = Vof f set + − − R1 R2 R4 R4 (R1 + R2 )2 (R3 + R4 )2 Vì R1 = R2 = R3 = R4 nên phương trình (2.40) viết lại thành:   ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 Vout = − − + Vin R1 R2 R3 R4 2.4 (2.41) Nhiễu Thực tế độ nhạy cảm biến ảnh hưởng yếu tố sau: nhiễu bên trong, nhiễu từ mạch đo, nhiễu mơi trường bên ngồi Do việc phân tích nhiễu cảm biến cần thiết cho việc thiết kế chế tạo Nhiễu điện cảm biến bao gồm: nhiễu nhiệt (nhiễu Johnson), nhiễu flicker (nhiễu 1/f ) Ngồi cịn nhiễu xun trục (cross axis) Cảm biến lực đa chiều có độ nhạy ổn định trục nên việc canh chuẩn sai dẫn đến nhiễu xuyên trục 2.4.1 Nhiễu Johnson Nhiễu Johnson chuyển động hỗn độn hạt mang điện vật dẫn nhiệt độ gây Công suất nhiễu nhiệt vật dẫn không phụ thuộc vào tần số nên gọi nhiễu trắng [4] Trong điện trở, nhiễu Johnson phụ thuộc vào điện trở R nhiệt độ T Điện áp nhiễu Johnson có cơng thức: ViJohnson = p 4kB T BR i = X, Y, Z (2.42) kB = 1.3810−23 J/K số Boltzmann, T nhiệt độ điện trở, B băng thông nhiễu, R giá trị điện trở 2.4.2 Nhiễu flicker Nhiễu flicker xảy hầu hết thiết bị điện tử điện trở, diode, transistor thay đổi mật độ hạt mang Nhiễu flicker có cơng suất nhiễu tỉ lệ nghịch với tần số [4] 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 34 Điện áp nhiễu flicker có cơng thức: s  i  αVin2 R f 1/f Vi = ln max i Nt fmin i = X, Y, Z (2.43) Vin điện vào điện trở N số hạt mang, fmax fmin xác định băng thông tần số đo: Bi = fmax − fmin α tham số Hooge Hình 2.7 biểu diễn đáp ứng tần số nhiễu flicker Nó nhiễu flicker ảnh hưởng mạnh tần số thấp Hình 2.7: Mật độ phổ công suất nhiễu flicker Tổng nhiễu cảm biến : Vinoise 2.5 q 1/f = (ViJohnson ) + (Vi ) (2.44) Kết luận chương Mục tiêu chương tiếp tục nghiên cứu vi cảm biến lực đa chiều áp trở cách tìm hiểu cấu tạo chất Silic đơn tinh thể vi cảm biến hiệu ứng vật lý sử dụng vi cảm biến lực áp trở Nội dung chương trình bày tính chất Silic đơn tinh thể hiệu ứng áp điện trở vi cảm biến áp trở Chương tìm hiểu cầu Wheatstone, thường sử dụng để xác định thay đổi trở kháng áp điện trở cảm biến xác định điện áp mơ hình vi cảm biến lực đa chiều áp trở Hoàn thành chương chương 2, việc thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực đa chiều áp trở xây dựng chương 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 35 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU ÁP TRỞ Cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở tạo sở lý thuyết chương chương Phần 3.1 mơ tả mơ hình cấu trúc vi cảm biến thiết kế Phần 3.2, 3.3, 3.4 trình bày cấu hình ngang, cấu hình dài, cấu hình dọc vi cảm biến 3.1 Mơ hình cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở Từ mơ hình vi cảm biến lực chương 1, sở lý thuyết áp điện trở chương kết từ cơng trình tác giả JiaWei [5], thiết kế mơ hình cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở theo nguyên tắc hoạt động sau: − lực Fx , Fy , Fz tác động lên dầm cantilever chữ L làm dầm biến dạng − Áp điện trở Silic loại p cấy dầm biến đổi tỷ lệ thuận với lực tác dụng lên dầm − Các áp điện trở thay đổi giá trị làm mạch cầu Wheatstone trở nên cân tạo điện áp xác định Vxout , Vyout , Vzout lối Tương ứng với lực Fx , Fy , Fz tác dụng có cấu hình cảm biến lực chiều áp trở: cấu hình ngang, cấu hình dọc, cấu hình dài Hình (3.1) trình bày cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở dạng dầm cantilever hình chữ L Thanh dầm cantilever hình chữ L gồm dầm I1 dầm phụ I2 Thanh dầm I1 có kích thước chiều dài L1 , chiều rộng W1 , chiều cao H1 Thanh dầm phụ I2 có kích thước chiều dài L2 , chiều rộng W2 , chiều cao H2 Một đầu dầm I1 làm đầu ngàm, đầu dầm I2 tự Mạch cầu Wheatstone gồm điện trở cấy bề mặt theo hướng trục dầm I2 : áp điện trở RL1 , RL2 nằm dầm I2 điện trở Rref thuộc 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 36 Hình 3.1: Vi cảm biến lực chiều áp trở đầu dầm I1 Hai áp điện trở RL1 , RL2 nằm đối xứng qua trục ngang trung tâm dầm I2 Hai điện trở Rref có giá trị khơng thay đổi ứng suất thay đổi dùng để làm phần bù tín hiệu mạch cầu Mạch cầu Wheatstone có thêm điện trở cấy bề mặt theo hướng trục dầm I1 : áp điện trở RG1 , RG2 dầm I1 điện trở Rref bề mặt đế Hai áp điện trở RG1 , RG2 nằm đối xứng qua trục ngang trung tâm dầm I1 Tương tự hai điện trở Rref không thay đổi giá trị dùng làm phần bù tín hiệu mạch cầu Wheatstone Khối đặt lực tác dụng (hình 3.2) kích thước chiều dài L3 , chiều rộng W3 , chiều cao H3 cho lực Fx , Fy Fz tác động vào vi cảm biến Các vi cảm biến loại thường chế tạo theo công nghệ vi khối mặt Cấu trúc dầm tạo hình ăn mịn nhiều bước Việc cấy tạp chất nồng độ cao tạo áp điện trở cấu trúc dầm Hình (3.3) sơ đồ cấu hình mạch cầu Wheatstone tương ứng lực Fz , Fy , Fx tác động cấu hình a) chuyển qua cấu hình b) nhờ cơng tắc chuyển 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 37 Hình 3.2: Khối đặt lực tác dụng 3.2 Cấu hình ngang Ở cấu hình ngang, lực Fz vng góc với mặt phẳng Oxy tác động lên đầu dầm tạo ứng suất dọc áp điện trở RL1 , RL2 Ta khảo sát ứng suất RL1 , RL2 để tìm điện áp Vzout tương ứng Hình (3.4) trình bày cấu hình ngang vi cảm biến lực chiều áp trở Theo lý thuyết dầm [6], ứng suất dọc áp điện trở RL1 RL2 là: σlz (x, z) = −zFz (L2 − x) I2y (3.45) : x, z tọa độ điểm áp trở hệ trục tọa độ, I2y moment quán tính dầm I2 theo trục y, L2 chiều dài dầm I2 Ứng suất áp điện trở không giống mà biến đổi tuyến tính dọc theo chiều dài áp điện trở Do hiệu ứng áp điện trở, độ biến thiên điện trở suất điểm tính cơng thức (2.37): ∆ρ |x = (πl σl + πt σt ) |x ρ (3.46) : ρ điện trở suất ban đầu, ∆ρ độ biến thiên điện trở suất áp điện trở, πl πt hai hệ số áp điện trở dọc ngang, 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 38 Hình 3.3: Sơ đồ cấu hình : a) Cấu hình ngang b) Cấu hình dọc c) Cấu hình dài d) Bố trí cầu Wheatstone với công tắc chuyển từ a) sang b) σl σt ứng suất dọc ứng suất ngang, x tọa độ điểm cần tính Đối với dầm độ lệch vị trí có lực tác dụng nhỏ nhiều so với chiều dài dầm nên bỏ qua σt [6] ∆ρ |x = πl σl |x ρ Điện trở áp điện trở tính bằng: Z Ls ρ R= dx S : ρ điện trở suất áp điện trở, Ls chiều dài áp điện trở, S tiết diện áp điện trở Hệ số áp trở dọc điện trở xác định [6] : πl = (π11 + π22 + π44 ) : π11 , π22 , π44 hệ số độc lập tenxơ áp trở 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z (3.47) (3.48) 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 39 Hình 3.4: Cấu hình ngang Kết hợp (3.45), (3.47), (3.48) ta có độ biến thiên điện trở áp điện trở phụ thuộc vào lực tác dụng xác định bằng: ∆Rl = R0 Ls Z Ls −πl Fz z1 + z2 −πl Fz (L2 − x) dx = I2y I2y  Ls L2 −  z1 + z2 (3.49) : Ls chiều dài áp điện trở, L2 chiều dài dầm I2 , I2y = 1/12 W2 H2 , z1 , z2 khoảng cách từ mặt trục ngang trung tâm dầm I2 đến đường biên đường biên ngồi áp điện trở hình (3.4) Hình (3.5) trình bày điện áp cấu hình ngang mạch cầu Wheatstone Ta thấy hai áp điện trở nằm đối xứng qua trục ngang trung tâm nên lực Fz tác dụng áp điện trở RL1 , RL2 thay đổi giá trị điện trở R0 + ∆Rl R0 − ∆Rl 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 40 Hình 3.5: Điện áp cấu hình ngang Ta có điện áp cấu hình ngang là: Vzout l ∆R ∆Rl R0 Vin = Vin 2 ≈  R0 l − ∆R R0 (3.50) : R0 điện trở áp điện trở RL1 , RL2 khơng có ứng suất 3.3 Cấu hình dọc Ở cấu hình dọc, lực Fy vng góc với mặt phẳng Oxz tác động lên đầu dầm tạo ứng suất dọc áp điện trở RL1 , RL2 Ta khảo sát ứng suất RL1 , RL2 y để tìm điện áp Vout tương ứng Hình (3.6) trình bày cấu hình dọc vi cảm biến lực chiều áp trở Theo lý thuyết dầm [3], ứng suất dọc áp điện trở RL1 RL2 là: σy (x, y) = −yFy (L2 − x) I2y (3.51) : x, y tọa độ điểm hệ trục tọa độ Oxyz, I2y moment quán tính dầm I2 trục y, L2 chiều dài dầm Do hiệu ứng áp điện trở, độ biến thiên điện trở suất điểm tính cơng thức (2.37): ∆ρ |x = (πl σl + πt σt ) |x ρ 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 41 Hình 3.6: Cấu hình dọc : ρ điện trở suất ban đầu, ∆ρ độ biến thiên điện trở suất áp điện trở, πl πt hai hệ số áp điện trở dọc ngang, σl σt ứng suất dọc ứng suất ngang, x tọa độ điểm cần tính Đối với dầm độ lệch vị trí có lực tác dụng nhỏ nhiều so với chiều dài dầm nên bỏ qua σt [6] ∆ρ |x = πl σl |x ρ Điện trở áp điện trở tính bằng: Z Ls ρ R= dx S : ρ điện trở suất áp điện trở, Ls chiều dài áp điện trở, S tiết diện áp điện trở 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z (3.52) (3.53) 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 42 Hệ số áp trở dọc điện trở xác định [6]: πl = (π11 + π22 + π44 ) : π11 , π22 , π44 hệ số độc lập tenxơ áp trở Kết hợp (3.51), (3.52), (3.53) ta có độ biến thiên điện trở áp điện trở phụ thuộc vào lực tác dụng xác định bằng: ∆Rv R0 = Ls Ls Z −πl Fy H2 /2 + H2 /2 (L2 − x) dx = I2z −πl Fy I2z   Ls H2 L2 − (3.54) 2 : Ls chiều dài áp điện trở, L2 chiều dài dầm I2 , I2z = 1/12 W2 H2 , H2 chiều cao dầm I2 Hình (3.7) trình bày điện áp cấu hình dọc mạch cầu Wheatstone Hình 3.7: Điện áp cấu hình dọc Ta thấy hai áp điện trở nằm đối xứng qua trục ngang trung tâm nên sau lực Fy tác dụng, áp điện trở RL1 , RL2 thay đổi giá trị điện trở tăng R0 + ∆Rl giảm R0 − ∆Rl Ta có điện áp cấu hình dọc là: y Vout = Vin ∆Rv R0 v + ∆R R0 ≈ ∆Rv Vin R0 : R0 điện trở áp điện trở RL1 , RL2 khơng có ứng suất 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z (3.55) 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 43 3.4 Cấu hình dài Hình 3.8: Cấu hình dài Lực Fx vng góc với mặt phẳng Oyz tác động lên đầu dầm I2 tạo ứng suất dọc áp điện trở RG1 , RG2 dầm I1 Ta khảo sát ứng suất x RG1 , RG2 để tìm điện áp Vout tương ứng Hình (3.8) trình bày cấu hình dài vi cảm biến lực chiều áp trở Ta thấy cách tính cấu hình dài cho lực Fx tương tự cách tính cấu hình ngang áp dụng cho lực Fz Hình (3.9) mô tả việc đặt lại trục tọa độ Đề để tính tốn Một cách tương tự ta có ứng suất dọc áp điện trở RG1 , RG2 là: σx (z, x) = −xFx (L11 − z) I1y : x, z tọa độ điểm hệ trục tọa độ Oxyz, I1y moment quán tính dầm I1 trục y, L11 chiều dài dầm I1 tính tới điểm đặt lực Fx 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z (3.56) 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 44 Hình 3.9: Cấu hình dài Do hiệu ứng áp điện trở, độ biến thiên điện trở suất điểm tính cơng thức (2.37): ∆ρ |z = πl σl + πt σt |z ρ (3.57) : ρ điện trở suất ban đầu, ∆ρ độ biến thiên điện trở suất áp điện trở, πl πt hai hệ số áp điện trở dọc ngang, σl σt ứng suất dọc ứng suất ngang z tọa độ điểm cần tính Đối với dầm độ lệch vị trí có lực tác dụng nhỏ nhiều so với chiều dài dầm nên bỏ qua σt [6] ∆ρ |z = πl σl |z ρ 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z (3.58) 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 45 Điện trở áp điện trở tính bằng: Z Ls ρ dx R= S (3.59) : ρ điện trở suất áp điện trở, Ls chiều dài áp điện trở, S tiết diện áp điện trở Hệ số áp trở dọc điện trở xác định [6]: πl = (π11 + π22 + π44 ) : π11 , π22 , π44 hệ số độc lập tenxơ áp trở Kết hợp (3.56), (3.58), (3.59) ta có độ biến thiên điện trở áp điện trở phụ thuộc vào lực tác dụng xác định bằng: ∆Rl = R0 Ls Ls Z −πl Fx −πl Fx x1 + x2 (L11 − z) dz = I1y I1y   Ls x1 + x2 L11 − 2 (3.60) : Ls chiều dài áp điện trở, L11 chiều dài dầm I1 tính đến điểm đặt lực I1y = 1/12 W1 H1 , x1 , x2 khoảng cách từ mặt trục ngang trung tâm dầm I1 đến đường biên đường biên ngồi áp điện trở hình (3.9) Hình (3.10) trình bày điện áp cấu hình ngang mạch cầu Wheatstone Ta Hình 3.10: Điện áp cấu hình ngang 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 46 thấy hai áp điện trở nằm đối xứng qua trục ngang trung tâm nên lực Fx tác dụng áp điện trở RG1 , RG2 thay đổi giá trị điện trở R0 + ∆Rl R0 − ∆Rl Ta có điện áp cấu hình dài là: x = Vin Vout l ∆R ∆Rl R Vin  2 ≈ R0 ∆Rl − R0 (3.61) : R0 điện trở áp điện trở RL1 , RL2 khơng có ứng suất 3.5 Kết luận chương Chương luận văn thực công việc thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở với cấu hình cấu hình ngang, cấu hình dọc, cấu hình dài Chương hồn thành mục tiêu xây dựng mơ hình vi cảm biến chiều áp trở đặt Nguyên tắc hoạt động vi cảm biến lực đa chiều áp trở dựa nguyên tắc lực tác dụng bên vào dầm làm thanhh dầm biến dạng nên áp điện trở cấy dầm thay đổi giá trị dẫn đến cầu Wheastone từ áp điện trở cân tạo điện áp xác định lối Mối liên hệ tỷ lệ thuận lực điện áp vi cảm biến áp điện trở thiết lập 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 47 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Chương thực việc thiết kế chi tiết, mô đánh giá kết tìm Phần 4.1 trình bày thơng số hình học vi cảm biến Phần 4.2 trình bày kết mơ cho cấu hình 4.1 Thiết kế thơng số hình học vi cảm biến Từ cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở, thơng số hình học vi cảm biến thiết kế bảng (4.1) Bảng 4.1: Thơng số hình học vi cảm biến lực chiều áp trở Thơng số hình học Kí hiệu Đại lượng L1 chiều dài dầm W1 chiều rộng dầm H1 chiều cao dầm L2 chiều dài dầm phụ W2 chiều rộng dầm phụ H2 chiều cao dầm phụ L3 chiều dài khối đặt lực W3 chiều rộng khối đặt lực H3 chiều cao khối đặt lực Ls chiều dài áp điện trở Ws chiều rộng áp điện trở Hs chiều cao áp điện trở 4.2 Giá trị µm 500 60 30 800 60 30 10 50 30 50 Mô Phần mềm COMSOL với phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để nghiên cứu mô vi cảm biến Tư tưởng phương pháp phần tử hữu hạn chia cấu trúc thành tập hữu hạn miền liền không liên kết hoàn toàn với khắp mặt biên chúng Độ dịch chuyển vị trí, biến dạng, ứng suất xác định miền Mỗi miền gọi phần tử hữu hạn Mơ hình phần tử hữu hạn cảm biến chia lưới dày đặc dầm nhằm xác định 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 z