Để khắc phục nhược điểm đó, cảm biến nghiêng theo công nghệ MEMShiệu ứng áp trở làm từ vật liệu Silicon có cấu trúc cantilever gồm các khối nặng ởxung quanh của chip cảm biến được kết nố
GIỚI THIỆU
Nêu khái quát về vấn đề cần báo cáo
Cảm biến góc nghiêng theo công nghệ MEMS phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như xe công nghiệp, điện tử tiêu dùng, điều khiển chuyển động, robotics, ứng dụng hàng hải, hàng không [ , Nhiều loại cảm biến1] độ nghiêng gần đây đã được phát triển để cung cấp kích thước nhỏ, công suất thấp và chi phí thấp Cảm biến độ nghiêng thông thường như thiết bị dựa trên công nghệ điện phân có một số nhược điểm: độ chính xác có thể giảm đi với thời gian, nhạy cảm đối với nhiễu và dao động [ ], giảm hiệu suất trong điều kiện môi trường đặc2 biệt, tiêu tốn năng lượng, độ phức tạp trong việc tích hợp, một số cảm biến nghiêng có thể đắt và có kích thước lớn, điều này có thể là một hạn chế đối với các ứng dụng yêu cầu cảm biến nhỏ và giá thành thấp. Để khắc phục nhược điểm đó, cảm biến nghiêng theo công nghệ MEMS hiệu ứng áp trở làm từ vật liệu Silicon có cấu trúc cantilever gồm các khối nặng ở xung quanh của chip cảm biến được kết nối với đế cảm biến bằng các thanh dầm ở khối trung tâm cố định của nó, Sử dụng cấu trúc cơ khí như cantilever hoặc hệ thống lò xo để đo lường sự thay đổi vị trí hoặc góc nghiêng, Sử dụng cảm biến gia tốc (accelerometer) hoặc cảm biến gyroscope để đo lường gia tốc hoặc tốc độ góc, từ đó tính toán được góc nghiêng, làm tăng khả năng tự động và kiểm soát trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến đề tài
Theo ZHANG Fuxue, r 1 và r 2 tượng trưng cho nhiệt độ nóng của dây dẫn, nếu một nguồn nhiệt được đặt trong một buồng kín, khí gần nguồn nhiệt sẽ di chuyển lên trong nhiệt độ của nó cao và mật độ ρ nhỏ hơn, và g càng xa nguồn nhiệt thì nhiệt độ càng giảm nhiệt độ và mật độ lớn hơn ρ∞ , tạo thành dựng lên đối lưu tự nhiên g như trong buồng kín Khi buồng nghiêng một góc θ, ông phát hiện ra rằng khí đối lưu tự nhiên luôn luôn nhấn lại như
Trong đó: α là gia tốc tuyệt đối của buồng và G là hằng số của lực hấp dẫn phổ quát Do gia tốc không trọng trường (riêng với rce)f =α-G , chúng ta có thể thu được
F buolift = ( ρ ∞ - ρ )f (1.2) Độ nhạy của cảm biến nghiêng MEMS thường được xác định bởi khả năng của nó đo lường sự thay đổi trong góc nghiêng hoặc tốc độ góc Đối với cảm biến nghiêng, độ nhạy thường được biểu thị dưới dạng "đơn vị đo lường mỗi đơn vị góc," chẳng hạn như millivolt trên mỗi độ (mV/°) hoặc rad trên mỗi giây (rad/s). Theo L.Zhao và E.M.Yeatman, Cảm biến độ nghiêng điều khiển bằng trọng lực bao gồm một thiết bị kiểm soát trung tâm khối lượng, tụ truyền động dạng lược và dầm treo Một 3D minh họa khái niệm thiết bị, như được mô hình hóa trongCoventorWare [ ]4
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến độ nghiêng
Hệ thống treo được thiết kế để có độ linh hoạt tối đa theo một hướng trong mặt phẳng (hiển thị ở đây là x), trong khi bị cứng trong chiều không gian trong mặt phẳng khác, cũng như đối với chiều ngoài mặt phẳng chuyển động và chuyển động quay Khi xảy ra hiện tượng nghiêng, trọng lực tác dụng lên khối trung tâm di chuyển về phía này hoặc phía khác của vùng lân cận điện cực lược cố định Do đó điện dung tăng ở bên này và giảm ở bên kia Sự khác biệt điện dung (|Cright-Cleft|) do đó cung cấp một giá trị có thể đo được tham số liên quan đến độ nghiêng Tụ điện lược là một giải pháp hiệu quả để thu được cả điện dung cao và thu nhỏ Hoạt động như một cảm biến dịch chuyển, các thông số chính của lược bên ổ đĩa là điện dung và chuyển vị ngang, mà được cho bởi các phương trình sau:
∆ x=mgsin(θ)/k x trong đó C là điện dung; lo là chiều dài chồng chéo ban đầu của các cặp ngón tay; h là độ dày của thiết bị; G là chiều rộng của khoảng cách giữa các ngón tay; N là số ngón tay cặp; là độ thấm của môi trường giữa các ngón tay; Ao=(lo±ǻx)h là diệnƐ tích chồng lấp; mg là lực hấp dẫn lực tác dụng lên khối lượng; kx là hằng số lò xo theo phương x và ǻx là chuyển vị ngang [4].
Bên cạnh đó thì phương pháp nghiên cứu của Paul M Moubarak và Pinhas Ben- Tzvi lại là phương pháp cảm biến độ nghiêng áp điện MEMS mới [ ] Cảm5 biến độ nghiêng được đề xuất bao gồm một chùm tia được hỗ trợ bằng Bạch kim với khối lượng bằng chứng ở giữa làm cho chùm tia bị lệch dưới tải trọng hấp dẫn. Độ lệch tĩnh này tạo ra ứng suất nội tại trên chùm tia, đây là chức năng trực tiếp của độ nghiờng trục kộp của cảm biến Một lớp chỡ zirconat Titanat mỏng 0,2 àm
(PbZrTiO 3 -PbTiO 3 ) lắng đọng trên bề mặt trên cùng của chùm tia nơi xảy ra ứng suất cực đại, cho phép chuyển đổi ứng suất thay đổi dưới dạng hàm của độ nghiêng không gian thành điện áp có thể đo được Do đó, điện áp đầu ra của lớpPZT tỷ lệ thuận với độ nghiêng của cảm biến xung quanh hai trục trực giao Tính khả thi của phương pháp đo lường này được xác nhận thông qua kết quả mô phỏng cho phạm vi hoạt động của trục kép từ 0 – 90°.
Những vấn đề còn tồn đọng ( Hướng khai thác của đề tài )
Nhiều loại cảm biến độ nghiêng gần đây đã được phát triển để cung cấp kích thước nhỏ, công suất thấp và chi phí thấp Cảm biến độ nghiêng thông thường như thiết bị dựa trên công nghệ điện phân có một số nhược điểm: độ chính xác có thể giảm đi với thời gian, nhạy cảm đối với nhiễu và dao động, giảm hiệu suất trong điều kiện môi trường đặc biệt, tiêu tốn năng lượng, độ phức tạp trong việc tích hợp, một số cảm biến nghiêng có thể đắt và có kích thước lớn, điều này có thể là một hạn chế đối với các ứng dụng yêu cầu cảm biến nhỏ và giá thành thấp
Các cảm biến nghiêng đối lưu dựa trên MEMS được báo cáo yêu cầu xử lý tương đối phức tạp và hiển thị điện áp đầu ra thấp và tiêu thụ điện năng cao và có độ tin cậy hạn chế vì cấu trúc yếu.
Đưa ra giải pháp ( Mục đích nghiên cứu )
Để khắc phục nhược điểm đó, cảm biến nghiêng theo công nghệ MEMS hiệu ứng áp trở làm từ vật liệu Silicon có cấu trúc cantilever gồm các khối nặng ở xung quanh của chip cảm biến được kết nối với đế cảm biến bằng các thanh dầm ở khối trung tâm cố định của nó, Sử dụng cấu trúc cơ khí như cantilever hoặc hệ thống lò xo để đo lường sự thay đổi vị trí hoặc góc nghiêng, Sử dụng cảm biến gia tốc (accelerometer) hoặc cảm biến gyroscope để đo lường gia tốc hoặc tốc độ góc, từ đó tính toán được góc nghiêng, làm tăng khả năng tự động và kiểm soát trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Kết quả có thể đạt được của đề tài ( giá trị của đề tài )
Tóm lại, để đảm bảo hoạt động chính xác trong các ứng dụng cụ thể, việc hiểu và điều chỉnh độ nhạy của cảm biến nghiêng là rất quan trọng Cảm biến đo góc nghiêng MEMS có độ nhạy (điện áp đầu ra) khoảng 13.4 mV với dải đo từ -
90 o đến 90 trên 2 trục , khi được đo bằng một con chip Cảm biến này thể hiện o X Y khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài và trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau Quan trọng là quá trình sản xuất cảm biến đơn giản và chi phí thấp hơn,đồng thời mang lại hiệu suất cao.
THÔNG SỐ KĨ THUẬT VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
Thông số kĩ thuật và tiêu chuẩn thiết kế
Bảng 2 1 : Thông số kĩ thuật và tiêu chuẩn thiết kế
Chiều dài của khối Si 500 μm
Chiều rộng của khối Si 1500 μm Độ dày của khối Si 400 μm
Chiều dài của thanh Beam 1 4000 μm
Chiều rộng của thanh Beam 40 μm Độ dày của thanh Beam 400 μm
Chiều dài của khối mặt Si 1800 μm
Chiều rộng của khối mặt Si 400 μm Độ dày của khối mặt Cu chồng lên khối mặt Si 200 μm
Young’s modulus of Si (100) 168,9 Gpa
Young’s modulus of Cu weight 120 Gpa
Posisson’s ratio of Cu weight 0,34
Density’s material of Cu weight 8960 Kg/m 3
Tiêu chuẩn hoạt động
Độ bền: Cảm biến được thiết kế hoạt động ổn định và thích hợp trong nhiều môi trường làm việc.
Chi phí sản xuất: Tổng kinh phí đầu tư làm cảm biến rẻ mà lại thân thiện với các môi trường.
KẾ HOẠCH VÀ QUẢN LÝ ĐỀ TÀI
Kế hoạch quản lý ngân sách và chi phí
Dự án có giấy phép sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics và máy tính để mô phỏng kết quả của cảm biến Bản quyền này của COMSOL được hỗ trợ từ các phòng thí nghiệm nghiên cứu Saigon High-Tech Part (SHTP Labs).
Lịch trình thực hiện
Từ 30/8 – 10/9/2023: Đọc các bài báo khoa học về cảm biến nghiêng MEMS và các đề tài nghiên cứu khác Nghiên cứu phương pháp luận về cảm biến góc nghiêng bằng công nghệ MEMS.
Từ 10/9 – 15/09/2023: Học sử dụng ứng dụng COMSOL và phương pháp FEM.
Từ 16/01 – 17/09/2023: Mô phỏng 2D để kiểm tra các thông số của máy đo nghiêng MEMS.
Từ 01/11 – 20/11/2023: Chuẩn bị bảo vệ luận văn giữa kỳ
Từ 21/04 – 28/11/2023: Mô phỏng mô hình đo cảm biến góc nghiêng 3D, đưa ra kết quả và thảo luận, đề xuất một cấu trúc mới của cảm biến đó góc nghiêng và các thông số chính xác để tạo ra nguyên mẫu.
Từ 01/12 – 07/12/2023: Hoàn tất luận văn.
Tài nguyên và nguồn lực
Toàn bộ bài luận văn được thực hiện bởi Cao Lê Trung Hiếu, Trương CaoVăn, Nguyễn Tỵ và sự hỗ trợ từ TS Nguyễn Chí Cường.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mô hình lí thuyết
5.1.1 Hi u ng áp ệ ứ điệ ủn c a máy o nghiêng MEMSđ
Hiệu ứng áp điện được nghiên cứu và công bố bởi Charles S Smith vào năm 1954 [11] , nó là một hiện tượng đặc trưng cho sự thay đổi điện trở của vật liệu và sự thay đổi của ứng suất trong vật liệu và các phương pháp truyền dẫn áp điện được ứng dụng nhiều nhất trong ngành cảm biến MEMS
Hình 5.1.1 Dòng điện qua điện trở dài Điện trở (R) của một điện trở dài (Hình 5.1.1) được tính theo điện trở suất của vật liệu ( ) bằng:ρ
Trong đó: L : Độ dài của điện trở R
W : Chiều rộng của điện trở R
: Độ dày của điện trở RT
Sự biến đổi tương đối của điện trở (ΔR) do một lực kéo căng cơ học bên ngoài tác động lên một điện trở dài theo các hướng x-y như sau:
Từ định nghĩa biến dạng cơ học ta được công thức: , và tỉ lệ của Poisson: ta có thể gộp lại như sau:
Trong đó GF : Độ nhạy ứng suất.
Trong biểu thức (5.1.3) biểu thị sự thay đổi điện trở do thay đổi hiệu ứng hình học, khi đó biểu thức thứ hai biểu thị sự thay đổi điện trở suất Trong máy đo bán dẫn silicon, sự biến đổi điện trở suất lớn hơn sự biến đổi hiệu ứng hình học lớn hơn 50 lần.
5.1.2 Tensor hệ số điện áp trở.
Mối quan hệ giữa mật độ dòng điện ( ) và điện trường ( ) :J E
2\* MERGEFORMAT (5.1.4) Trong đó : và được trình bày tenxo bậc nhấtJ E
: được trình bày trong tenxo bậc hai
Theo định luật Onsager [ ], Tenxo điện trở suất đối xứng:12 Bằng cách sử dụng các tính chất và đối xứng khối silicon hiệu ứng áp điện được tính theo biểu thức sau [13]:
Trong đó: : là tenxo hệ số áp điện
: là điện trở suất khi vật liệu không bị ứng suất
: là tenxo ứng suất cơ học
: là các hệ số áp điện cơ bản của tinh thể vật liệu
Thành phần khác 0 của hệ số áp điện trở được tìm thấy bởi C.S Smith [11].
Bảng 5.1 1 : Tensor hệ số áp điện cho silicon p-Si (7.8 cm) 6.6 -1.1 -138.1 n-Si (11.7 cm) -102.2 53.4 -13.6
5.1.3 Tens h s or ệ ốđiện tr áp cho silicon.ở
Từ (Hình 5.1.1) ta thấy độ dày nhỏ hơn chiều rộng và chiều dài nên được gọi là trạng thái ứng suất mặt phẳng, một sự thay đổi tương đối về điện trở có thể được biểu thị bằng:
Nếu ứng suất cắt nhỏ hơn nhiều so với ứng suất trong mặt phẳng từ đó có thể thu được hiệu ứng áp điện:
Trong đó và : Là các hệ số áp điện dọc và ngang σ l =σ ' 11 và σ t =σ ' 22 : Thành phần ứng suất dọc và ứng suất ngang.
Biểu thức tổng quát là được đưa ra bởi [14]: ¿ (5.1.8)
Các hệ số ngang và dọc của áp điện trở trong silicon loại P và loại N có thể được tính bằng cách dùng một hàm của hướng tinh thể học trong (100)- mặt phẳng Hệ số dọc theo - hướng cho silicon loại n [14]:
Hệ số đo của cảm biến MEMS được đánh giá bằng Biểu thức (5.1.3) với kết quả đã cho của các hệ số dọc và ngang của áp lực trong Biểu thức (5.1.9) tỷ lệ giữa sự thay đổi điện trở so với điện trở trong Biểu thức (5.1.7) Các giá trị của ứng suất và biến dạng dọc và ngang có thể được tính qua Phần mềm COMSOL Multiphysics bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
Trong một áp điện trở bốn cực, ứng suất bình thường và cắt có thể tạo ra một điện trường vuông góc với hướng của dòng điện
Nếu bỏ qua các hiệu ứng cực nhỏ của sự thay đổi kích thước, điện áp ngang đầu ra giữa hai bẫy điện áp V out , của một áp điện trở bốn cực có thể được biểu thị như sau:
Ta có : là điện áp cung cấp và V in π 6i
' (i=1,2) là các hệ số điện trở áp điện tương ứng với ứng suất pháp tuyến và ứng suất cắt của điện trường áp điện bốn cực theo các hướng tùy ý Các hệ số π 6i
' là tenxo hạng tư theo quy tắc biến đổi được sử dụng cho π 1i
' Chỉ số đầu tiên là 6 ngụ ý rằng thành phần mật độ dòng điện và thành phần điện trường có hướng vuông góc với nhau π 6i
' có thể được biểu thị dưới dạng cosin hướng về hệ số áp điện cơ bản π 11, π 12 và π 44 bằng: π 61
5.1.4 S ph thu c c a piezoresistive vào n ng ự ụ ộ ủ ồ độđộ pha t p và nhi t ạ ệ độ.
Hệ số áp trở được tính như hàm số của nhiệt độ và nồng độ hạt tải như Kanda như sau [15]:
(5.1.13) Trong đó : π (N 0 ,300K ) là giá trị hệ số áp trở ở nhiệt độ phòng đối với vật liệu bán dẫn ít pha tạp, là nồng độ hạt tải của tạp chất và là giá trị nhiệt độ tuyệtN T đối.
P (N, T) là hệ số áp trở phụ thuộc vào nhiệt độ và mức độ pha tạp như sau:
(5.1.14) Trong đó là năng lượng Fermi trong vật liệu bán dẫn silicon pha tạp chất và =E f k b
Chúng ta viết: η f =E f /k b T , mức giảm của năng lượng Fermi được tính gần đúng như trong Chang và Izabelle như sau [16]:
Trong phương trình (5.1.15), hằng số là trạng thái mật độ hiệu dụng trong vùngN c dẫn của điện trở bán dẫn như sau:
(5.1.16) Trong đó m e ¿ =0 55 × 9 11 ×1 0 −31 [kg] là mật độ khối lượng hiệu dụng của các hạt electron và h=6 626×1 0 −34 [ J s ] là hằng số Planck.
Vì thế hệ số trở áp (P(N, T)) được tính theo hàm của nồng độ pha tạp trong Hình 5.1.1 cho các nhiệt độ khác nhau lưu ý rằng nồng độ pha tạp càng cao, hệ số áp trở càng nhỏ, vì thế độ nhạy của cảm biến càng thấp, mặc dù ảnh hưởng của nhiệt độ là khá thấp Mặt khác, nồng độ pha tạp thấp dẫn đến độ nhạy cao hơn và kèm theo độ lệch với nhiệt độ. Để đạt được thiết kế tốt nhất, độ nhạy nhiệt độ phải được bù thích hợp(temperature compensation) Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng điện trở pha tạp cao vì sự mất mát độ nhạy của cảm biến có thể được bù đắp bằng cách sử dụng mạch khuếch đại (amplification circuitry).
Hình 5.1.1 Hệ số áp trở ( , ) tính như hàm của nồng độ pha tạp ( ) và P N T N nhiệt độ ( ) cho vật liệu Silicon loại T p
5.1.5 Độ linh động c a các h t mang ủ ạ điện Độ linh động của các hạt mang điện tích phải được tính toán cẩn thận trong mô hình cảm biến nghiêng MEMS dạng áp trở Sự dịch chuyển của các hạt mang điện tích trong vật liệu là yếu tố quan trọng để định lượng giá trị điện trở và độ trôi theo nhiệt độ (thermal drift) của điện trở.
Có hai loại hạt cơ bản trong chất bán dẫn: electron và lỗ trống Các hạt tải này dịch chuyển trong một vật liệu khi có điện áp bên ngoài đặt vào Độ linh động của các hạt tải mang điện có thể được viết như:
(5.1.17) trong đó = q 1.602×1 0 −19 [ C ] là điện tích electron, và lần lượt là mật độ electronn p và lỗ trống μ n và μ p lần lượt là độ linh động của các electron và lỗ trống. Độ linh động của điện tử và lỗ trống phụ thuộc vào nồng độ pha tạp tương đối [ ]17 với nồng độ pha tạp thấp, độ linh động hầu như không đổi Tuy nhiên, tại nồng độ pha tạp cao hơn, độ linh động giảm do sự tán xạ của tạp chất ion hóa (ionized impurity scattering). Độ linh động được tính từ biểu thức thực nghiệm sau:
(5.1.18) trong đó μ min , μ max , α và N ref là các tham số được tính toán Các thông số này đã được Jacoboni [ ] thu được và được tóm tắt trong Bảng 5.1.2.18
Bảng 5.1 2 : Các thông số được tính toán cho sự phụ thuộc của độ linh động electron và lỗ trống ở nhiệt độ phòng
Trong công thức (5.1.18), độ linh động của các hạt tải không phụ thuộc vào nhiệt độ, điều này có thể cho kết quả không chính xác để đánh giá hệ số nhiệt điện trở (Temperature coefficient resistance (TCR)) Một phương pháp tiếp cận bán thực nghiệm do Arora [ ] phát triển để tính độ linh động của các điện tử và lỗ trống19 dưới dạng hàm của nồng độ pha tạp lên đến 1020 cm trong phạm vi rộng của∼ 3 nhiệt độ từ (250-500 K) với sai số trong khoảng ± 13 % với các giá trị thực nghiệm đã được báo cáo như sau:
(5.1.20) với = / 300 Độ linh động của các lỗ trống được tính như hàm số của nồng độT n T pha tạp và nhiệt độ như trong Hình 5.1.2.
Hình 5.1 2 Độ linh động của các lỗ trống trong vật liệu khối silicon được tính như hàm hàm của nồng độ pha tạp ( ) và nhiệt độ ( N T ).
5.1.6 nh hẢ ưởng c a hình d ng pha t p (doping profile)ủ ạ ạ
Một điện trở piezoresistor thường được tạo nên bằng cách kỹ thuật cấy(implantation) hoặc khuếch tán (diffusion) để tạo ra hình dạng pha tạp như trongHình 5.1.3 Chiều dày hiệu dụng của điện trở bằng chiều sâu lớp chuyển tiếp
Phương pháp phần tử hữu hạn
5.2.1 Thi t k và nguyên t c làm vi c c a c m bi n.ế ế ắ ệ ủ ả ế
(1) Cấu trúc cảm biến nghiên
Hình 5.2.1.1: Khung cố định cho cảm biến.
(2) Kích thước , hình chiếu mặt cắt của cảm biến
Hình 5.2 2:Gắn chip cảm biến lên khung cố định
Hình 5.2.1.2: Thiết kế hoàn chỉnh của cảm biến.
(4) Mô tả điện trở theo mạch cầu wheatstone
Hình 5.2.1.3: Thiết kế mạch cầu Wheatstone.
(5) Cấu tạo của điện trở R1, R2, R3, R4 trên cảm biến
(6) Cấu trúc điện trở hoàng chỉnh của cảm biến
Hình 5.2.1.4: Thiết kế điện trở cho R1, R2, R3, R4:
(7) Cấu trúc và kích thước của cảm biến
Hình 5.2.1.5: Cấu trúc mô phỏng của cảm biến.
Mô tả: Cảm biến là bộ phận quan trọng trong các thiết bị công nghệ hiện đại, chúng có cấu trúc phức tạp và đa dạng Thông thường, cấu trúc của một cảm biến bao gồm các thành phần chính như cảm biến chuyển đổi tín hiệu, bộ xử lý, và các phần mạch điện tử hỗ trợ.Cấu trúc của cảm biến thường được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất, đáp ứng nhanh chóng và chính xác với môi trường xung quanh Sự tích hợp giữa các thành phần này tạo nên một hệ thống nhạy bén, cho phép cảm biến thu thập thông tin và chuyển đổi nó thành dữ liệu hữu ích cho các thiết bị và hệ thống khác.(1)là một cấu trúc của con cảm biến do nhóm sinh viên nghiên cứu và thiết kế nhằm để tăng độ nhạy cảm biến và tối Ưu hóa vào sản suất công nghiệp.
Khung cố định có kích thước (6500x7500x400) trong đó chứa 2 cảm biến dùng để đo lực tác đông theo phương X và Y (bỏ qua lực tác động theo phương Z bằng cách tăng bề dày và chiều dài của thanh giảm chiều rộng Cantilever chỉ quan tâm đến phương X và Y) Và có các kích thước của các thành phần cấu tạo cảm biến như (2) Để đo độ nhạy của cảm biến ta gắn diện trở thên thanh Cantilever Si (4000x40x400) cách khối Substrate 300 như (3).Khi có lực tác đông vào cảm biến sẽ lệch một góc nhất định thanh Cantilever bị bẻ cong tạo nên sự biến đổi điện áp được đo trên hai con điện trở rup và rdown bằng phương pháp mạch cầu wheatstone ta tạo ra R1,R2, R3, R4 như(4) Ta tạo cấu trúc điện trở như trên (5) và (6) có một cấu trúc điện trở hoàn chỉnh cho cảm biến Bề mặt cảm biến được cấu tạo từ Si Mass bên dưới và Cu Mass bên trên nhằm tăng độ nhạy của cảm biến có kích thước (1800x1800x400) thanh Catilever một đầu nối với khối cố định Substrade Si đầu còn lại nối với bề mặt Mass 1 và 2 được cắt bỏ một khối chính giữa 200x900x400 như (7)
Hình 5.2.1.6: Nguyên lí hoạt động của cảm biến. Đối với mô phỏng, khi trọng lực F tác dụng vào thanh khối nặng thì cảm biến sẽ duy chuyển theo Phuong X(dọc theo chiều dài) và phương Y(vuông góc với Phương X), góc nghiên sẽ nghiên qua trái hoặc nghiên qua phải như vậy cảm biến sẽ cho ra ứng suất tại thanh cantilever và sự thay đổi điện trở và tương ứng với sự thay đổi của góc ta sẽ có được cảm biến cân bằng và cảm biến nghiên
Bảng 5.1 5 : Các điều kiện hình học và hoạt động cơ bản của cảm biến MEMS dùng trong COMSOL Multiphysics.
Width of substrate [ um ] W sub 0.001m
Width of central plate [ um ] W p 0.001m
Width of the block 3 [ um ] W block3 3.6.10 4m -4
Width of the block 2 [ um ] W block2 6.10 -4 - 4m
Width of the block 1 [ um ] W block1 9.10 4m -4
Width of the block [ um ] W block 5.10 -4 - 4m
Thickness of subtrate [ um ] T sub 4.15.10 -4 - 4m
Thickness of central plate [ um ] T p 4.15.10 -4 - 4m
Thickness of the block [ um ] T block 4.15.10 -4 - 4m
Ratio of enhancing dice size R 1.2 position of central plate 2 positionp
1.5.10 -4 - 4m position of central plate Position 1.10 -4 - 4m position of the central beam [ um ] Position 1.3.10 -4 - 4m
Transerve Piezoresitive coefficients for p-type Silicon (100)
Longitudinal Piezoresitive coefficients for p-type Silicon (100)
[ 1/Pa ] pi_L 7.18.10 -4 –10 1/Pa machine's error [ um ] Margin 0m
Length of substrate [ um ] L sub 0.001m
Length of central block [ um ] L p2 0.00108m
Length of central plate [ um ] L p 0.001m
Length of the block [ um ] L block 0.0024m
Length of beam [ um ] L b 0.001m rotated angle Angle 1.5708 rad
5.2.2 Lưới và điều kiện biên.
-Thanh cantilever là ta dùng lưới loại square có 95074 phân tử
Mô hình này được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để điều tra toàn diện hơn trường ứng suất trong cấu trúc, để xác định chuyển động của khối địa chấn, tần số cộng hưởng của cấu trúc và tinh chỉnh các thông số kỹ thuật của kích thước thanh dầm Mật độ lưới cao hơn được phân bố tại các thanh dầm để tính toán sự phân bố ứng suất được tạo ra và sự thay đổi điện trở Sau đó, những kết quả của ứng suất dọc và ngang của cảm biến nghiêng MEMS theo hai hướng x và y có thể được sử dụng để tính toán độ nhạy trong các biểu thức Nhờ đó, ta có thể đánh giá sự phân bố ứng suất trên thanh dầm.
Các bước thực hiện mô phỏng
5.3.1 Khởi động phần mềm COMSOL Multiphysics
- Ở mục lục chính, chọn Model Wizard
- Tiếp theo, ở Select Space Dimension, chọn 3D.
- Tiếp theo, ở Select Physics chọn vào mũi tên ở phần Structural Mechanics
- Chọn Solid Mechanics (solid), click Add và chọn Study.
- Trong Select Study, chọn Stationary Click Done
5.3.2 Cài đặt thông số và vẽ hình học (Geometry).Bước 1: Trong Parameters, nhập dữ liệu như trong Bảng 5.1.4
Bước 2: Chọn Geometry 1, trong phần Units, chọn àm.
Bước 3: Click chuột phải vào Geometry 1, sau đó chọn Block
1 Nhấp chuột phải vào Geometry
2 Chọn Block trong phần Settings của Block 1 ta đổi tên Block 1 thành
Substrate (Si) và nhập dữ liệu vào như hình bên dưới:
3 Cuối cùng ta nhấn Build Selected ta sẽ nhận được kết quả là khối cố định Si như hình dưới đây:
Bước 4: Chọn chuột phải vào Geometry và chọn Block.
Trong phần Settings của Block 2 ta đổi tên thành Beam (Si) và nhâp dữ liệu như hinh bên dưới:
-Sau khi nhập dữ liệu như hình trên ta nhấn vào Buid Selected sẽ suất hiện thanh Beam như hình bên dưới:
Bước 5: Chọn chuột phải vào Geometry và chọn Block.
-Bảng Setting Block 3 sẽ xuất hiện ta đổi tên Block 3 thành Mass (Si) và nhập dữ liệu như hình bên dưới:
-Sau khi nhập dữ liệu như hình trên ta bấm vào nút Buid Selected, kết quả sẽ như hình dưới đây:
Bước 6: Chọn chuột phải vào Geometry và chọn Block để vẽ phần cần bỏ đi trên mặt phẳng Si.
Cửa sổ Setting của Block 4 sẽ suất hiện, ta đổi thên block 4 thành Mass (Si)-cut và nhâp dữ liệu như vào bảng Setting Mass (Si)-cut như hình bên dưới:
-Sau khi ta nhập dữ liệu vào bảng Setting như trên ta bấm Buid Selected sẽ có kết quả hiển thị phần cắt trên bề mặt của Mass (Si) như hình dưới đây:
Bước 7: Chọn chuột phải vào Geometry chọn Booleans and Partitions và chọn
Difference để bỏ phần Mass (Si)-cut mặt phẳng Si.
1 Nhấp chuột phải vào Geometry 1
2 Di chuột đến phần Booleans and Partitions.
3 Chọn Difference cửa sổ Difference 1 sẽ suất hiện ta nhập dữ liệu như hình bên dưới:
- Nhập blk3 vào ô thứ nhất xác định phần chung:
- Nhập blk4 để xác định phần được cắt từ phần chung:
- Ta bấm Buid Selected để nhận được kết quả đã được cắt như hình sau đây:
Bước 8: Ta tạo khối Mặt của Cu chồng lên khối bằng cách nhấp chuột phải vào Si Geometry 1 chọn Block.
-Hộp thoại Setting Block 5 xuất hiện ta đổi tên Block 5 thành Mass (Cu) và nhập dữ liệu tính toán như hình:
-Sau khi nhập dữ liệu như hình trên ta bấm Buid Selected sẽ có được kết quả:
Bước 9: Ta nhấp chuột phải vào Geometry và chọn 1 Block để vẽ phần cần phải bỏ đi trên mặt phẳng Cu.
- Cửa sổ Setting Block 6 suất hiện ta đổi tên thành Mass (Cu)-cut và nhập dữ liệu vào như hình dưới đây:
- Sau khi nhập dữ liệu ta nhấn vào nút Buid Selected trên bảng Setting ta được kết quả:
Bước 10: Ta nhấp chuột phải vào Geometry 1 và nhấp Booleans and Partitions sau đó chọn Difference:
Trong phần Difference 2 ta nhập dữ liệu như hình bên dưới:
-Nhập blk5 vào ô thứ nhất xác định phần chung:
-Nhập blk6 để xác định phần được cắt từ phần chung:
-Nhấn vào nút Buid Selected trên bảng Setting ta nhận được kết quả như hình:
Bước 11: Tạo Rup , Rdown Piezoresistive-resistor (PZR)
1 Nhấp chuột phải vào Geometry 1
2 Chọn More Primitives để hiển thị phần thêm
3 Chọn Pont để vẽ 3 điểm trượng trưng cho 3 điện trở.
-Ta vẽ và khai báo điểm ở giữa thanh beam là Point A theo dữ liệu như hình bên dưới:
-Chọn Buld Selectect trên bảng Setting ta thu được Point A là điểm màu xanh nước biển như hình:
-Ta vẽ và khai báo điểm bên trái Point A là PointA_R1 trên thanh beam theo dữ liệu như hình bên dưới:
-Chọn Buld Selectect trên bảng Setting ta thu được Point A_R1 là điểm màu Xanh nước biển nằm bên trái điểm trung tâm Point A Ta có hình vẽ:
-Tương tự ta vẽ điểm Point A_R2 theo dữ liệu hình bên dưới:
Chọn Buld Selectect trên bảng Setting ta thu được Point A_R2 là điểm màu Xanh nước biển nằm bên phải điểm trung tâm Point A Ta có hình vẽ:
-Hoàn thành phần Geometry 1 ta thu được kết quả:
Các bước cài đặt nguyên vật liệu (Materials)
Cài đặt Nguyên vật liệu Si
Bước 1: Ta click chuột phải vào Materials sau đó chọn Add Material from Library Cửa sổ Add Material sẽ xuất hiện.
Bước 2: trong phần Add Material, chọn MEMS, chọn Semiconductors, chọn Si- Silicon (single-crystal, anisotropic).
Bước 3: Trong Settings Material, kiểu Si - Silicon (single-crystal, anisotropic) ở phần
Label Trong phần Geometric Entity Selection, chọn Domain, chọn Manual.
Bước 4: Ở phần Material Contents, ta cài đặt các thông số của vật liệu như sau:
Cài đặt Nguyên vật liệu Cu
Bước 1: Ta click chuột phải vào Materials sau đó chọn Add Material from Library Cửa sổ Add Material sẽ xuất hiện.
Bước 2: Trong phần Add Material, chọn MEMS, chọn Mental, chọn Cu – Copper
Bước 3: Trong Settings Material, kiểu ở phần Label Trong phần Geometric Entity Selection, chọn Domain, chọn Manual
Bước 4: Ở phần Material Contents, ta cài đặt các thông số của vật liệu như sau:
5.4.1 Các bước cài đặt Soild Mechanics.
Bước 1: Chọn chuột phải vào Soild Mechanics và chọn Fixed Constraint.
-Trong cửa sổ Settings Fixed constraint, chọn Boundary 1.
-Cài đặt thông số như trên ta có được kết quả :
Bước 2: Vào phần Physics trên thanh công cụ, chọn Domains, chọn Added Mass
Trong cửa sổ Settings Added Mass Si, trong phần Domain Selection, chọn Manual Trong phần Added Mass Si, chọn Mass per unit volume, nhập Pv = 2330 kg/m 3
-Cài đặt thông số như trên ta có được kết quả:
-Tương tự ta làm với Added Mass (Cu):
Trong cửa sổ Settings Added Mass Si, trong phần Domain Selection, chọn Manual Trong phần Added Mass Cu, chọn Mass per unit volume, nhập Pv = 8960 kg/m 3
-Cài đặt thông số như trên ta có được kết quả:
Bước 3: Vào phần Physics trên thanh công cụ, chọn Domains và sau đó chọn Gravity
Trong cửa Gravity Settings, chọn All domains Trong phần Gravity nhập g_const*sin(Angle) trong y và -g_const*cos(Angle) trong z.
-Cài đặt thông số như trên ta có được kết quả:
Bước 1: - Chọn Size trong phần Mesh 1, trong cửa sổ Size Settings, trong phần Element
Size chọn Predefined, chọn Nomal.
-Nhấn chuột phải trong phần Mesh 1 chọn More Operations chọn Mapped 1 trong cửa sổ Mapped Setting ta cài đặt như hình bên dưới:
-Ta cài đặt thông số như hình bên dưới:
-Ta nhấp chuột phải vào Mapped 1 lần lượt tạo ra Distribution 1, Distribution 2, Distribution 3:
-Cài đặt thông số như các bước trên ta thu được kết quả là hình dưới này:
-Cài đặt thông số như các bước trên ta thu được kết quả là hình dưới này:
-Cài đặt thông số như các bước trên ta thu được kết quả là hình dưới này:
-Nhấn chuột phải trong phần Mesh 1 chọn Free Tetrahedral, trong cửa sổ Free Tetrahedral Settings ta dữ nguyên mặc định.
Bước 2: Chọn Build Mesh Ta được kết quả:
5.4.3 Cài đặt dải đo (study 1).
Bước 1: nhấp chuột phải vào Study 1, chọn Parametric sweep.
Bước 2: Trong phần Parametric Sweep Settings, nhấp vào dấu và chọn Angle (rotated angle).
Bước 3: Nhấp sang phần Parameter value list và chọn , ta nhập dữ liệu như trong hình Sau đó bấm Add. Ở phần Parameter unit, nhập degree.
Khi hoàn thành tất cả các bước, ta chọn Compute trên thanh công cụ.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Sự phân bố ứng suất
Hình 6.1.1: Kết quả ứng suất dọc góc 0 o
Hình 6.1.2: Kết quả ứng suất ngang góc 0 o
Trong hình 6.1.1 và 6.1.2, ta có thể quan sát được kết quả của sự phân bố ứng suất dọc và ngang ở góc 0 độ Trong hình 6.1.1, kết quả cho thấy phân bố ứng suất dọc trên thanh dầm gần như không thay đổi trong toàn bộ cấu trúc của cảm biến nghiêng, ngoại trừ tại vị trí góc của thanh dầm nối với khối có định có xảy ra ứng suất dọc nhưng không đáng kể Do đó, ứng suất ngang được khuếch đại đáng kể, trong khi ứng suất dọc gần như không thay đổi ở vị trí thanh dầm của cảm biến nghiêng dạng MEMS.
Hình 6.1.3: Kết quả ứng suất dọc góc -90 o
Hình 6.1.3: Kết quả ứng suất ngang góc -90 o
Trong hình 6.1.3 và 6.1.4, ta thấy thu được kết quả của sự phân bố ứng suất dọc và ngang ở góc -90 Trong hình 6.1.3, kết quả cho thấy sự phân bố ứng suất dọc gần o như không thay đổi (từ 0-0,2 MPa) trong toàn bộ cấu trúc của cảm biến nghiêng.
Do đó, ứng suất ngang cũng được khuếch đại đáng kể, trong khi ứng suất dọc gần như không thay đổi ở vị trí thanh dầm của cảm biến nghiêng dạng MEMS.
Hình 6.1.4: Kết quả ứng suất dọc góc 90 o
Hình 6.1.5: Kết quả ứng suất ngang góc 90 o
Trong hình 6.1.5 và 6.1.6, ta thu được kết quả của sự phân bố ứng suất dọc và ngang ở góc 90 độ Trong hình 6.1.6, kết quả cho thấy sự tăng cường đáng kể của phân bố ứng suất ngang lên đến 2,5 MPa, nhưng lại có sự đối lập giữa thanh dầm của cảm biến nghiêng Trong hình 6.1.5, kết quả cho thấy sự phân bố ứng suất dọc gần như không thay đổi trong toàn bộ cấu trúc của cảm biến nghiêng Do đó, ứng suất ngang cũng được khuếch đại đáng kể, trong khi ứng suất dọc gần như không thay đổi ở vị trí thanh dầm của cảm biến nghiêng dạng MEMS.
Hình 6.1.6: Kết quả ứng suất dọc góc -30 o
Hình 6.1.7: Kết quả ứng suất ngang góc -30 o
Trong hình 6.1.7 và 6.1.8, ta thu được kết quả của sự phân bố ứng suất dọc và ngang ở góc -30 Trong hình 6.1.8, kết quả cho thấy sự phân bố ứng suất ngang o gần như không thay đổi trong toàn bộ cấu trúc của cảm biến nghiêng Trong hình 6.1.7, kết quả cho thấy sự phân bố ứng suất dọc tăng cường đáng kể lên 1MPa Do đó, ứng suất dọc cũng được khuếch đại đáng kể, trong khi ứng suất ngang gần như không thay đổi ở vị trí thanh dầm của cảm biến nghiêng dạng MEMS
Kết quả ứng suất dọc góc 30 o
Hình 6.1.9: Kết quả ứng suất ngang góc 30 o Ở hình 6.1.9, 6.1.10, ta thu được kết quả của sự phân bố ứng suất dọc và ngang ở góc 30 Trong hình 6.1.10, kết quả cho thấy sự phân bố ứng suất ngang o gần như không đổi trong toàn bộ cấu trúc của cảm biến nghiêng Trong hình 6.1.9,kết quả cho ta thấy sự phân bố ứng suất dọc tăng cường đáng kể Do đó, ứng suất dọc cũng được khuếch đại đáng kể, trong khi ứng suất ngang gần như không thay đổi ở vị trí thanh dầm của cảm biến nghiêng dạng MEMS.
Sự phụ thuộc của chiều dài thanh dầm đối với ứng suất và biến dạng
Hình 6.2.1 Ứng suất dọc và ngang trên thanh dầm
Trong hình 6.2.1, kết quả cho thấy sự thay đổi của ứng suất dọc và ngang trên thanh dầm Ta có thể quan sát rằng ứng suất dọc đạt giá trị cao nhất ở góc của thanh dầm nối với khối cố định và giảm dần khi tiến về phía góc của thanh dầm nối với khối nặng Trong khi đó, ứng suất ngang gần như không xuất hiện trên thanh dầm, chỉ có một ứng suất ngang rất nhỏ thường xuất hiện ở góc của thanh dầm nối với khối cố định Do đó, ứng suất dọc được khuếch đại đáng kể trong điều kiện này.
Sự thay đổi điện trở trên thanh cantilever
Hình 6.3.1 Sự thay đổi điện trở trên thanh cantilever
Khi xác định được vị trí và gắn 4 điện trở (R1 R2 R3 R4) vào thanh cantilever ta thu được kết quả về sự thay đổi của 4 điện trở trên thanh cantilever như Hình 6.3.1.
Sự phụ thuộc chiều dài và độ dày của thanh dầm đối với điện áp đầu ra ( V)
Hình 6.4.1: Kết quả điện áp đầu ra V
Trong hình 6.4.1, chúng ta quan sát được kết quả của điện áp đầu ra đối với sự thay đổi độ dày (Tb) và chiều dài (Lb) của thanh dầm Điện áp lớn nhất được ghi nhận là Max ΔV = 48,55 mV Kết quả cho thấy rằng điện áp ΔV tăng khi chiều dài của thanh dầm tăng và độ dày của thanh dầm giảm.
Sự dao động của con lắc tự do phụ thuộc vào độ dày khe hẹp
Hỡnh 6.5.1 Kết quả dao động của con lắc tự do cấu trỳc Lb 00 àm
Hỡnh 6.5.2: Kết quả dao động của con lắc tự do cấu trỳc Lb = 1200 àm.
Trong hình 6.5.1 và 6.5.2, chúng ta quan sát được sự dịch chuyển của con lắc tự do lên xuống theo phương z (phương của trọng lực) với sự thay đổi chiều dài(Lb) và độ dày (Tb) của thanh dầm.
Trong hình 6.5.1, chúng ta thấy kết quả sự dao động của con lắc tự do với chiều dài thanh dầm Lb = 1000 àm Đường màu đỏ thể hiện sự dao động của độ dày thanh dầm Tb = 10 àm và sự dao động w = 12 àm, nhỏ hơn độ dày khe hẹp 54 àm, do đú cấu trỳc này an toàn khi dao động Hỡnh 6.5.2 chỳng ta thấy kết quả sự dao động của con lắc tự do với chiều dài thanh dầm Lb = 1200 àm Đường màu đỏ thể hiện sự dao động của độ dày thanh dầm Tb = 10 àm và sự dao động w = 27 àm, nhỏ hơn độ dày khe hẹp 54 àm, do đú cấu trỳc này cũng an toàn khi dao động.Kết quả cho thấy sự dịch chuyển của con lắc tự do với hai cấu trúc có chiều dài thanh dầm khác nhau đều được xem là an toàn.
BÀN LUẬN
Kết quả bàn luận
1 Độ nhạy của cảm biến nghiêng MEMS thường được xác định bởi khả năng của nó đo lường sự thay đổi trong góc nghiêng hoặc tốc độ góc Đối với cảm biến nghiêng, độ nhạy thường được biểu thị dưới dạng
"đơn vị đo lường mỗi đơn vị góc," chẳng hạn như millivolt trên mỗi độ (mV/°) hoặc rad trên mỗi giây (rad/s).
2 Độ nhạy và điện áp đầu ra (48.55 mV) của máy đo cảm biến tăng đáng kể khi độ dày của thanh dầm siêu nhỏ giảm và chiều dài thanh dầm tăng.
3 Cảm biến đo góc nghiêng MEMS có độ nhạy (điện áp đầu ra) khoảng 13.4 mV với dải đo từ -90o đến 90o trên 2 trục X, Y khi được đo bằng một con chip Cảm biến này thể hiện khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài và trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau.
Hạn chế
1 Độ chính xác có thể giảm đi với thời gian, nhạy cảm đối với nhiễu và dao động, giảm hiệu suất trong điều kiện môi trường đặc biệt, tiêu tốn năng lượng, độ phức tạp trong việc tích hợp, một số cảm biến nghiêng có thể đắt và có kích thước lớn, điều này có thể là một hạn chế đối với các ứng dụng yêu cầu cảm biến nhỏ và giá thành thấp
2 Các cảm biến nghiêng đối lưu dựa trên MEMS được báo cáo yêu cầu xử lý tương đối phức tạp và hiển thị điện áp đầu ra thấp và tiêu thụ điện năng cao và có độ tin cậy hạn chế vì cấu trúc yếu.
Giải pháp
Để khắc phục nhược điểm đó, cảm biến nghiêng theo công nghệ MEMS hiệu ứng áp trở làm từ vật liệu Silicon có cấu trúc cantilever gồm các khối nặng ở xung quanh của chip cảm biến được kết nối với đế cảm biến bằng các thanh dầm ở khối trung tâm cố định của nó, Sử dụng cấu trúc cơ khí như cantilever hoặc hệ thống lò xo để đo lường sự thay đổi vị trí hoặc góc nghiêng, Sử dụng cảm biến gia tốc (accelerometer) hoặc cảm biến gyroscope để đo lường gia tốc hoặc tốc độ góc, từ đó tính toán được góc nghiêng, làm tăng khả năng tự động và kiểm soát trong nhiều ứng dụng khác nhau.
