mô phỏng đặc trưng đáp ứng cơ của cảm biến áp suất mems màng vuông tâm cứng dưới tải áp suất

Trang 1

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay chúng ta đang chứng kiến sự phát triển như vũ bão của khoa

học công nghệ đang sống trong xã hội mở cửa hội nhập toàn cầu Xã hội đó đòi hỏi con người phải làm chủ được công nghệ và không ngừng sáng tạo ra những công nghệ mới, đáp ứng một cách tốt nhất đòi hỏi của cuộc sống

Các ngành khoa học phát triển không ngừng, đặc biệt là khoa học Vật

lý- đã và đang đem lại những thành tựu rất lớn, đã góp phần không nhỏ trong công cuộc nâng cao chất lượng cuộc sống của nhân loại toàn cầu Nhiều phát

kiến, nhiều công nghệ đã ra đời Trong đó ngành công nghệ vi điện tử đã đạt

được đỉnh cao Ngày nay, trên một đế Silic, công nghệ vi điện tử có thể chế tạo được một tổ hợp linh kiện thay thế cho I mạch linh kiện cổ điển, trong đó

đặc biệt phải kể đến công nghệ chế tạo vi cơ điện tử MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) - là công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ và linh kiện điện Công nghệ này cho phép ta chế tạo ra những linh kiện cực kì nhỏ gọn mà

vẫn đáp ứng được những yêu cầu khắt khe về chức năng Cụ thể MEMS chính

là sự kết hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các yếu tố điện trên

một phiến Silic bằng công nghệ vi chế tạo

Công nghệ MEMS có nhiều ứng dụng trong thực tế, một trong những

ứng dụng quan trọng là chế tạo các cảm biến áp suất Hiện nay cảm biến áp suất đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt theo hướng mô phỏng các đặc trưng

Là một sinh viên ngành vật lý, có mong muốn có thêm nhiều hiểu biết

về các ngành khoa học mới- đặc biệt là hiểu biết về công nghệ MEMS và

những ứng dụng MEMS trong thực tế, và cũng nhận thấy rằng đây là một

Trang 2

Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý em đã quyết định lựa chọn và nghiên cứu đề tài: “Mô phỏng đặc trưng đáp ứng cơ của cẩm biến áp suất mems màng vuông tâm cúng dưới tải áp suất”

dựa trên phân mềm mô phỏng ANSYS

II Muc dich nghiên cứu

Nghiên cứu mô phỏng đặc trưng đáp ứng về cơ của cảm biến áp MEMS

màng vuông tâm cứng dưới tải áp suất II Đối tượng nghiên cứu

Đặc trưng đáp ứng cơ của cảm biến áp suất MEMS màng vuông tâm cứng dưới tải áp suất

IV Nhiệm vụ nghiên cứu -_ Nghiên cứu sơ sở lý luận:

+ Tìm hiểu về cấu trúc, nguyên lí hoạt động của cảm biến áp suất MEMS

+ Tìm hiểu phần mềm ANSYS và ứng dụng trong công nghệ MEMS - Đi xây dựng chương trình mô phỏng với:

+ Cấu trúc chung của một bài tốn mơ phỏng trong ANSYS + Đưa ra các thông số đầu vào

- Đưa ra kết quả mô phỏng và thảo luận Bao gồm:

+ Phân bố độ lệch màng duới tải áp suất + Phân bố ứng suất

+ Đưa ra các vị trí tối ưu để đặt các áp trở nên màng cảm biến - Kết luận:

Về đặc trưng đáp ứng cơ của cảm biến áp suất MEMS màng vuông dựa trên cấu trúc và nhóm hoạt động của cảm biến áp suất MEMS và hệ phần mêm

mô phỏng ANSYS

V Phạm vỉ nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu mô phỏng đặc trưng đáp ứng cơ của cảm biến áp suất MEMS màng vuông tâm cứng dựa trên cấu trúc, nguyên lý hoạt động của

Trang 3

CHƯƠNG 1

CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS

1.1 Cảm biến áp suất MEMS

1.1.1 Vài nét về cảm biến áp suất MEMS

Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ nhiều

ngành khoa học mới ra đời mang lại biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn

xã hội Vào cuối những năn 50 của thế kỷ XX một cuộc cách mạng hố về

cơng nghệ Micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành

công nghiệp, MEMS cũng ra đời khi đó MEMS (Micro - Electro - Mechanical - System) là công nghệ tạo ra các linh kiện tích hợp thành phần cơ

và thành phần điện tử có kích thước từ vài m đến vài mm Khi mới ra đời công nghệ vi cơ được ứng dụng để chế tạo các đầu đo áp suất và biến dạng thay thế cho các đầu đo cơ truyền thống Cùng với sự phát triển của công

nghệ, MEMS không chỉ bó hẹp trong các loại cảm biến cơ mà còn được ứng

dụng trong rất nhiều cảm biến khác như cảm biến nhiệt, cảm biến từ, cảm biến

quang, cảm biến hoá, cảm biến sinh học Không chỉ dừng lại ở lĩnh vực cảm

biến, các linh kiện MEMS còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ chấp hành, các hệ điều khiển tự động

Nhắc đến công nghệ vi cơ MEMS phải kể đến cảm biến áp suất là một

trong những thành tựu tiêu biểu, với nhiều ứng dụng rất quan trọng là đo áp suất trong những phạm vi khác nhau trên những vị trí cực kỳ phức tạp như trên máy bay, trên tàu vũ trụ hay trong các nồi hơi và hệ thống nén khí v.v Ngày nay cảm biến áp suất MEMS đang đóng một vai trò rất lớn trong các ngành công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày Người ta không thể không

Trang 4

Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý 1.1.2 Cảm biến áp suất MEMS màng vuông và các vấn đề còn tôn tại 1.1.2.1 Cam biến áp suất MEMS màng vuông

Đã có nhiều kỹ thuật để đo áp suất Thông thường áp suất cần đo được

chuyển đổi thành sự thay đổi chiều dài, chiều rộng của mẫu vật liệu phần tử

đàn hồi Sự thay đổi kích cỡ này được "cảm nhận" bởi cấu tử nhạy Ví dụ như

đầu đo áp điện trở hay sự thay đổi điện dung

Ta có sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất như sau :

Áp suất Phân tử đàn| Biển dạng cơ Í cau tự Tín hiệu điện

` —— ` > `

đầu vào hồi nhạy cơ đầu ra

Một cảm biến áp suất vi cơ Silic dựa trên hiệu ứng áp trở và công nghệ MEMS bao gém: Một màng phẳng đàn hồi và các cấu tử nhạy (áp điện trổ)

đặt trên màng để "cảm nhận" biến dạng cơ của màng Bằng cách cấy các áp

điện trở nhạy cơ trên phần tử đàn hồi (màng phẳng) có thể chuyển đổi tín hiệu

cơ (uốn cong) thành tín hiệu điện lối ra (dòng điện, hiệu điện thế) qua sự biến

đổi giá trị của các áp điện trở đó

Thông thường việc chuyển đổi này được thực hiện dưới dạng hiệu điện thế chênh lệch thu được qua một cầu điện trở Wheatstone Với 2 phần: Phần cấu trúc cơ và phần cấu trúc điện cấu thành nên cảm biến áp suất

Cụ thể ta có các mô hình cấu trúc cơ và cấu trúc điện của cảm biến áp suất như sau:

Trang 5

Phần cơ của cảm biến áp suất bao gồm một màng Silic vuông, mỏng cỡ

vài đến vài chục tum có biên gắn cố định với Silic cứng (giá) Dưới tác dụng của một tín hiệu đầu vào dạng cơ học mà cụ thể ở đây là sự chênh lệch áp suất

giữa hai bể mặt màng phần tử nhạy tín hiệu sẽ dé dang bị uốn cong (H.1) Sự

uốn cong của phần tử nhạy phụ thuộc định lượng vào độ chênh lệch áp suất

- Phan điện tử:

⁄ N (a)

(b)

H2 a, Mô hình cấu trúc điện b, Mô hình cầu điện trở Wheatstone

Phần điện tử của cảm biến áp suất là một cấu trúc điện thích hợp được

tích hợp trên phần tử nhạy để cảm nhận sự uốn cong của phần tử nhạy khi có chênh lệch áp suất và chuyển đổi sự uốn cong đó thành tín hiệu điện lối ra

Một cấu trúc điện như vậy bao gồm: một mạch cầu với 4 điện trở được bố trí như trên hình H 2 b, gồm 2 điện trở song song và 2 điện trở vuông góc cạnh màng Các điện trở này sẽ thay đổi giá trị khi màng Silic bị uốn cong Nhiệm

Trang 6

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý “oN, ER v , vout Sa @ ww NG - R Xà SỜ DS veut / =, s@t S| + L_p~aayr x ti] ye 1 @ 2

H.3 Sơ đồ mạch điện và mô hình PTHH

a, Sơ đồ mạch điện b, Mô hình PTHH

Mô hình phổ biến ứng dụng hiệu ứng áp trở trong việc chuyển đổi tín

hiệu cơ điện sử dụng cầu điện trở gồm 4 điện trở có các giá trị tính như nhau được đặt ở các vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại trên một màng Silic (H3)

Trong phương pháp lấy thế hiệu lối ra nguồn nuôi cầu điện trở khoảng vài (V) được cấp cho cầu qua các đỉnh 1 và 3 Thế hiệu lối ra được lấy trên 2 và 4 Các điện trở R1, R2, R3, R4 được tạo ra bằng phương pháp cấy tạp chất trên phần tử nhạy Vì giá trị tĩnh của các điện trở là như nhau nên khi phần tử nhạy chưa biến dạng, cầu điện trở là cân bằng và thế hiệu lối ra bằng 0 Khi phần tử nhạy bị uốn cong, các áp điện trở thay đổi giá trị làm cầu mất cân bằng Do cách bố

trí các điện trở, sự biến đổi của R1 và R3 là ngược chiều với R2 và R4 Nếu

RI và R3 tăng thì R2 và R4 giảm và ngược lại Điện thế của điểm 2 sẽ tăng trong khi điện thế của điểm 4 sẽ giảm

Theo hiệu ứng áp trở sự thay đổi giá trị phụ thuộc một cách định lượng

vào sự biến dạng vật liệu, tức là phụ thuộc một cách định lượng vào tác dụng cơ học Đo thế hiệu lối ra hoàn toàn có thể xác định được tác dụng cơ học đặt

lên phần tử nhạy

Trang 7

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý Do tính đối xứng của màng vuông ta đặt hệ trục toạ độ có các trục Ox, Oy song song cạnh màng Gốc O tại tâm màng (H4) a (a) -a/2 O la/2 H4 So dé mang Silic va htd Oxy a, Sơ đồ màng Silic b, Hé toa dé Oxy

Vì hình vuông có tính chất đối xứng nên chỉ cần xét độ lệch mang trong góc phần tư thứ nhất, sau đó lấy đối xứng cho tất cả các phần còn lại

Trang 8

Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý

Khi bị uốn cong trên màng sẽ xuất hiện ứng suất, gồm 3 thành phần ứng

suất thẳng góc ơx, ơøy, ơz dọc theo 3 trục toạ độ và 3 thành phần ứng suất

trượt rxy, tyZ„ rxz [l] {? Oz — k 12 : ALXZ 4 : B I> da 1XY oy ‘Ox my y Trời nh ni +—> /O

Trong đó đối với cấu trúc mang đang xét các thành phần quan trong cua

Trang 9

1.1.2.2 Cảm biến áp suất MEMS màng vuông với các vấn đề còn tôn tại

Với 1 cam biến áp suất MEBMS màng vuông được thiết kế và hoạt động

như đã trình bày ở trên, còn tồn tại 1 số vấn đề như sau: Khi có sự chênh lệch

áp suất p giữa 2 mặt màng Silic, phần tử nhạy sẽ thay đổi trạng thái dưới dạng uốn cong Tuy nhiên trong quá trình đó, trên bề mặt màng độ uốn cong sẽ là

không đồng đều Tại những vị trí khác nhau độ uốn cong sẽ là khác nhau Có

những vị trí mà tại đó độ uốn cong là cực đại và ngược lại có những vị trí độ

uốn cong là cực tiểu Cụ thể tại vị trí trung điểm của cạnh màng, độ cong

màng là cực đại Chính vì lý do trên mà khi ta đặt một cấu trúc điện thích hợp

trên phần tử nhạy để cảm nhận sự uốn cong đó và chuyển đổi nó thành tín

hiệu điện lối ra, thì do có sự không đồng đều của uốn cong trên bề mặt màng Silic, mà tín hiệu đầu ra thu được sẽ là không tuyến tính

Trang 10

Cấu trúc mới của cảm biến gồm:

+ Màng Silic vuông có độ dài các cạnh là | mm va day 40um

+ Tâm cứng có hình dạng và kích thước như trên hình vẽ (Sơ đồ - phần trắng) và dày 20um

+ Cấu trúc điện thích hợp đặt trên màng để chuyển đổi tín hiệu cơ của

màng thành tín hiệu điện lối ra Đó là các áp điện trở

Cảm biến áp suất MEMS màng vuông mới vẫn hoạt động dựa trên nguyên lý của cảm biến áp suất MEMS màng vuông dạng phẳng thông

thường: Đó là khi có chênh lệch áp suất màng bị uốn cong, các áp trở cấy trên

màng thay đổi mạnh về giá trị Nếu 2 điện trở đặt song song cạnh màng tăng

giá trị thì 2 điện trở vuông góc sẽ giảm giá trị và ngược lại, trên lối ra của cầu

điện trở sẽ xuất hiện thế hiệu lối ra khác 0 Độ lớn của thế hiệu lối ra phụ thuộc vào độ biến thiên giá trị áp điện trở trên màng cảm biến, mà độ biến thiên áp điện trở phụ thuộc độ uốn cong, tức là phụ thuộc chênh lệch áp suất

Thông qua việc chuẩn cảm biến và đo độ lớn thế hiệu lối ra có thể xác định

được độ chênh lệch áp suất giữa 2 mặt cảm biến:

Ri R2

RI+R3 R4+R2

Vout = Vin ( )

Tuy nhiên sự khác biệt ở đây là với cấu trúc mới này ta có thêm l tâm cứng Để khắc phục nhược điểm của cảm biến áp suất MEMS dạng vuông thông thường là tín hiệu đầu ra thu được không tuyến tính mà nguyên nhân là

đo sự uốn cong không đồng đều của màng Silic khi có tác dụng cơ học vào

màng Đặt thêm | tam cứng với hình dạng và kích thước như trên vào màng

Silic vuông thông thường, có tác dụng làm giảm bớt sự chênh lệch về ứng suất

(hay chính là độ uốn cong) trên bề mặt của phần tử đàn hồi làm cho sự uốn cong trên khắp bề mặt màng là đồng đều với nhau hơn Và khi ta đặt I cấu trúc

điện thích hợp lên phần tử đàn hồi đó Tín hiệu điện lối ra mà ta thu được sẽ tuyến tính hơn Cấu trúc mới của cảm biến áp suất màng Silic vuông này đã

Trang 11

Khoá luận tốt nghiệp

khắc phục được nhược điểm của cảm biến áp suất MEMS vuông thông thường

1.2 Phần mêm ANSYS và ứng dụng trong mô phỏng cảm biến 1.2.1 Giới thiệu về ANSYS

ANSYS là 1 chương trình tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu

hạn dùng cho mục đích chung tổng hợp với chương trình có chứa trên 100.000

dong lệnh ANSYS có khả năng giải các bài toán nh, động học, truyền nhiệt,

dog chảy và trường điện từ ANSYS là chương trình phân tích tính toán dựa trên phần tử hữu hạn (FEA- Finte Element Analisis) hàng đầu trong hơn 35 năm qua Phiên bản hiện tại là ANSYS 9.0 Multiphysis không những cho phép giải các bài toán kỹ thuật phục vụ công nghiệp mà còn cho phép giải các bài toán trong lĩnh vực MEMS phù hợp với kích thước Micromet ANSYS không

những giải được những bài toán kỹ thuật đơn trường mà còn cho phép giải các

bài toán đa trường: Phân tích nhiệt - ứng suất, phân tích điện - cơ, phân tích chất lỏng - cơ, phân tích điện - nhiệt Ngoài ra chương trình còn cho phép sử dụng cả giao diện đồ hoạ và câu lệnh trong môi trường Window và Linux đã

giúp phần mềm này trở nên dễ sử dụng hơn

Ngoài chương trình ANSYS, hiện tại còn có các phần mém sit dung

phương pháp phần tử hữu hạn khác như: FEMLAB, SUGAR, MEMPRO Đối với phần mềm FEMLAB, SUGAR có thể cho phép chạy liên kết với môi trường Matlab, MEMPRO là chương trình được viết cho lĩnh vực MEMS, nó

có thể sử dụng môi trường ANSYS để phân tích các bài toán

Phần mềm ANSYS là một trong những phần mẻm mô phỏng số dùng

phần tử hữu hạn đã giúp rút ngắn thời gian và khoảng cách cho việc giải và mô

phỏng các bài toán khoa học kỹ thuật Ngày nay phương pháp phần tử hữu hạn

ra đời, phát triển càng trở nên ưu việt nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công

nghệ thông tin

Với mục tiêu của hầu hết các bài toán khoa học kỹ thuật là xác định các đại lượng vật lý chưa biết nào đó gọi là các biến sơ cấp Nó thoả mãn | hay hệ

Trang 12

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý phương trình vi phân cho trước trong l miền xác định với các điều kiện biên cho trước

Ta có thể mô tả bài toán bằng sơ đồ như sau:

Bài toán khoa học-kỹ thuật

PT Vi phân + Điều kiện biên

r y

Tích phân trực tiếp Xấp xỉ gần đúng

Việc tìm lời giải từ phương trình vi phân với các điều kiện ràng buộc đã

cho bằng phép tính tích phân trực tiếp (dạng mạnh) trở nên khó khăn Để khắc

phục vấn đề này, l công thức biến phân xuất hiện (dạng yếu) với nhiều phương pháp biến phân ra đời (phép xấp xỉ gần đúng hay phương pháp số) [2] Phương pháp phần tử hữu hạn mà ANSYS sử dụng chính là 1 mẫu ứng dụng

của nguyên lý biến phân Cụ thể các bài toán vật lý trong lĩnh vực cơ học vật

rắn và đàn hồi thường được mô tả bằng các phương trình vi phân đạo hàm

riêng Và 1 trong các lời giải điển hình cho loại bài toán này là cực tiểu hoá I hàm nào đó, liên quan đến tích phân, thông qua I lớp hàm được xác định bởi bài toán Hàm này được xây dựng nhờ phép tích phân phần tử hữu hạn FEA Phương pháp này được gọi là phương pháp phan tir hitu han FEM V6i tu tưởng của phương pháp này là rời rạc hoá cấu trúc

Kết luận : Với cấu trúc và phương pháp phần tử hữu hạn mang hiệu quả

cao như vậy mà ANSYS đã và đang trở thành một gói phần mềm phân tích

phần tử hữu hạn hoàn chỉnh, dùng để mô phỏng, tính toán và thiết kế công

nghệ đã và đang được sử dụng trên toàn thế giới trong hầu hết các lĩnh vực của kỹ thuật

Trang 13

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý 1.2.2 Ứng dụng của ANSYS trong mô phỏng cẩm biến

Với những tính năng ưu việt của mình ANSYS_ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong các công nghệ mới

như công nghệ mô phỏng và thiết kế các vi cảm biến Ngày nay với xu hướng nghiên cứu tìm tòi để mô phỏng các loại cảm biến, từ đó tìm ra quy tắc thiết

kế tối ưu nhất Cùng với sự giúp đỡ đắc lực của công nghệ thông tin, công

việc này đã trở nên đơn giản rất nhiều

Với cảm biến áp suất MEMS nói riêng ANSYS_ giúp chúng ta mô

phỏng cấu trúc cơ, cấu trúc điện của cảm biến Hơn nữa là mô phỏng cơ tính

của cảm biến dưới tác dụng của tải cơ học đặt vào ANSYS sử dụng cả giao

diện đồ hoạ nên việc mô phỏng này trở nên rất tỉnh vi và chính xác, mang lại hiệu quả cao cho người sử dụng 1.2.2.1 Khả năng ứng dụng 1.2.2.1.1 Mô phỏng cấu trúc cơ

H7 Mô hình cấu trúc cơ của cảm biến áp suất

Là 1 màng phẳng Silic (phần tử đàn hồi) dễ dàng bị uốn cong khi có

chênh lệch áp suất

ANSYS mô phỏng cấu trúc cơ của cảm biến áp suất với mục đích tìm hiểu về nguyên lý cấu tạo và hoạt động của cảm biến Hơn nữa ANSYS giúp chúng ta mô phỏng được sự uốn cong của màng Silic khi có chênh lệch áp suất (do sử

Trang 14

Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý dụng cả giao diện đồ hoa) và từ đó tìm ra vị trí có ứng suất (độ uốn cong) lớn nhất để đặt các áp điện trở Sao cho tín hiệu lối ra thu được là tuyến tính nhất Từ đó tìm ra quy tắc thiết kế phần cơ sao cho tối ưu nhất

1.2.2.1.2 Mô phỏng cấu trúc điện ⁄ ⁄ < ‘4 i> Ry Te —_ 1 Vout 4 ok A @ 4 vÝ “` s ` Vout SO L NU R, o Š N J "mà | \ E——— 1 QO a x o

H8 Mô hình cầu điện trở và mô hình PTHH

Với 1 cấu trúc điện thích hợp được tích hợp trên phần tử đàn hồi để cảm

nhận sự uốn cong và chuyển đổi tín hiệu cơ (sự uốn cong) đầu vào thành tín hiệu điện lối ra Và điện áp lối ra được tính bằng

Ri RR

RI+R3_ R4+R2

Vout = Vin ( )

ANSYS mô phỏng đáp ứng tín hiệu điện đó, tìm ra vị trí tối ưu để đặt các áp điện trở sao cho tín hiệu điện trên lối ra là rõ nét nhất trong phạm vi có

thể

1.2.2.2 Áp dụng vào nghiên cứu mô phỏng cơ tính của cẩm biến

Như đã trình bày ở trên, cấu trúc cơ của cảm biến áp suất là 1 mang

Silic mỏng, đàn hồi, dễ dàng uốn cong khi có chênh lệch áp suất ANSYS giúp chúng ta mô phỏng sự uốn cong đó

Mục đích của việc mô phỏng này là:

+ Xác định ứng xử của màng Silic khi có tải cơ học (áp suất ) đặt vào

Trang 15

+ Tìm ra vị trí thích hợp để đặt cấu tử nhạy (các áp điện trở) sao cho tín

hiệu lối ra là tuyến tính nhất

+ Dinh hướng ngưỡng áp suất tối đa màng có thể chịu được cho các loại màng có kích thước khác nhau

Với ANSYS để mô phỏng cơ tính của màng đàn hồi như trên, các dữ liệu cần có là: + Thông số vật liệu Silic đơn tỉnh thể Modun Young Hé s6 Poisson Modun truot + Thông số kích thước màng Kích thước

Điều kiện biên Điều kiện tải

+ Kiểu phần tử: Vỏ đàn hồi hay phần tử khối

+ Kiểu chia lưới

ANSYS không sử dụng mô hình hình học trong lời giải của mô hình

mà nó cần những phần tử hữu hạn

Kết luận: Chương trình chuyên dụng ANSYS chuyên cho các thiết kế cấu trúc và thiết kế MEMS, với các Modun giải phương trình vi phân trong các bài toán ứng dụng đã được lập sẵn nên việc lập trình trở nên đơn giản, chỉ bao gồm việc đưa các thông số đầu vào để tạo ra khối vật liệu cho bài tốn Và

việc mơ phỏng trở nên dễ dàng hơn rất nhiều

Trang 16

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHONG

2.1 Cấu trúc chung của bài tốn mơ phỏng trong ANSYS Tạo mô hình tính v Khai báo các thuộc tính vật liệu: E, | [ Tao mô hình hình học: thể tích, diện tích, | YỶ Tạo mô hình PTHH: chia lưới như thế nào? Tính toán (Solution) Đặt tải: tải tập trung, tải bề mặt,

tải vật thể, tải quán tính (Inertia Ỷ Giải Xử lý kết quả Khai thác:

- Kết quả thông thường: /POSTI

- Kết quả theo thời gian:

Kiểm tra, đánh giá kết quả:

Vị trí ứng suất cực đại ở đâu?

- Giá trị ứng suất có vượt quá giới hạn|

Sơ đồ trên cho ta cái nhìn tổng quát cấu trúc cơ bản của 1 bài toán trong

ANSYS gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán

(solution) va xử lí kết quả (postprocessor) Ngoài 3 bước chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đến quá trình chuẩn bị

(preference) chính là quá trình định huống cho bài toán Chúng ta cần định

Trang 17

Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý hướng xem bài toán phải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu nhiệt hay từ) mô

hình hoá như thế nào, dùng kiểu phần tử nào[2] Hiểu được các bước này trong

ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơn trong việc giải bài toán của mình Vấn đề đặt

ra là làm sao để thể hiện những ý tưởng này trong ANSYS

2.1.1 Tạo mô hình tính (Preprocessor)

Trong phần này ta phải tạo ra mô hình hình học rồi tạo ra mô hình phần

tử hữu hạn tức là tạo ra các nút và phần tử Đầu tiên ta phải chọn kiểu trong thư viện phần tử (điều này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, kết cấu, dạng

tải trọng tác dụng, độ chính xác cần tính) Các tính chất vật liệu, hằng số được

nhập vào cho thích hợp với từng loại phần tử Lúc này:

+ Chương trình tự động sẽ xác định ma trận độ cứng phần tử

+ Chương trình cũng sẽ tự tìm ra ma trận độ cứng tổng thể

+ Nhập tải trọng vào chương trình sẽ xác định được Véctơ tải trọng + Áp điều kiện biên, ta thu được phương trình hệ thống

2.1.2 Tính toán (Solufion)

Phần tính toán sẽ giải phương trình hệ thống để tính q (ẩn số chuyển vị)

Vì ANSYS dùng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc 2.1.3 Xử lý kết quả (Posiprocessor) Trong phần này: + Xử lý và xem kết quả tính được + Tính kết quả biến dạng + Tính ứng suất

2.2 Các thông số đầu vào của bài tốn mơ phỏng

Thơng số đầu vào của bài toán mô phỏng cơ tính cảm biến áp suất

MEMS màng vuông bao gồm: Tính chất vật liệu Silic, thông số kích thước màng, vùng tải áp suất, kiểu phần tử, kiểu chia lưới v.v

Trang 18

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý 2.2.1 Tính chất vật liệu Silic Với Silic don tinh thể, hướng [1 10], trên phiến Silic (100) các thông số vật liệu gồm [2]: + Modun Young E = 1,698.10" dyn/cm? + Hệ số Poisson v = 0,28

+ Mođun trượt G = 0,622.10! dyn/cm?

+ Khối lượng riéng = 2,33.10° kg/mm’ 2.2.2 Thông số mang + Kích thước Màng chính: Chiều rộng mang: a= 1000um Bề day màng: d = 10um Bề dày màng ghép: d1 = 50um Bề dày điện trở c = 2um Màng ghép:

Chiéu dai al = 300um Chiéu rong a2 = al = 300um

Điện trở

Chiều dài: trục x: I1 = 100um

truc y: 12=50um

Chiéu rong w = 10um

Trang 19

2.2.4 Kiểu phần tử

2.2.5 Kiểu chia lưới

2.3 Xây dựng chương trình mô phỏng

2.3.1 Các bước mô phỏng chung một bài toán trong ANSYS:

2.3.1.1 Mơ hình hố màng đàn hồi:

File chương trình và Menu được sử dụng để dựng mô hình phân tích Các lệnh xây dựng mô hình màng được viết trong Notepad ghi thành file và

đọc vào ANSYS

Mô hình đầu vào này bao gồm: Kích thước, vị trí màng, các đặc tính vật

liệu, kiểu phần tử, cách chia lưới.v.v

2.3.1.2 Áp đặt điều kiện biên và tải tác dụng

Chia lưới mô hình, đặt các điều kiện biên và áp suất tác dụng lên màng

Các kết quả mô phỏng phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị lớn nhất sẽ thu được dễ dàng dưới các áp suất khác nhau

Các phân bố sẽ cho biết vị trí nào trên màng có ứng suất lớn nhất từ đó sẽ tối ưu hoá cách sắp xếp các điện trở nhạy (áp điện trở) Tại điểm mà ở đó ứng suất kéo lớn nhất tiến đến giá trị ứng suất phá huỷ vật liệu thì giá trị áp

suất đặt vào là giới hạn trên của tầm đo đối với màng đang xét

2.3.1.3 Xử lý kế! quả và thảo luận 2.3.2 Bài tốn mơ phỏng

Trang 21

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý !mp,rsvx,s12,7.8 !mp,rsvy,si2,7.8 !mp,rsvz,si2,7.8 tb,anel,2,1 TBDATA, 1,c11,c12,c12,0,0,0 TBDATA,7,c11,c12,0,0,0,c11 TBDATA, 13,0,0,0,c44,0,0 TBDATA,19,c44,0,c44 !mang chinh a=1000 !chieu rong mang ( ) la=a wa=a d=10 be day mang dI=50 tbe day mang ghep c=2 !be day dien tro

!mang ghep

al=300 !chieu dai a2=al !chieu rong !Dien tro

11=100 !Chieu dai dien tro truc x 12=50 !Chieu dai dien tro truc Y w=l0 !Chieu rong dien tro

kc=10 !Khoang cach tu mep mang den dau dien tro

kc1=20 ! cach y

m=50 ! cach x

Trang 22

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý | - y |-y2 - | eon en nn en enn ene ene ene | - X | - X2 - Í~~~~~~~~~—~~=~======z=================e Í~S~~~~~~~~~~~=~========z============e | - y3-y4 - Í~~~~~~~~~~~~=~==================== CSYS,11

!Ve mang co do day phan vung

rectng,-la/2,la/2,-wa/2,wa/2 !Mat chính cua mang y (1)

rectng,-al/2,a1/2,-a2/2,a2/2 fTam cung cua mang x (2)

!Ve than cac dien tro

rectng,-w-kc l,-kc I,a/2-kc-w,a/2-kc-w-l2 Than dien tro yl (3) rectng,kc1,kc1+w,a/2-kce-w,a/2-kce-w-l2 !Than dien tro y2 (4)

rectng,-(w+ke1),-ke1,-a/2+kce+w,-a/2+ke+w+l2 Than dien troy3 (5)

rectng,kc1,kc I+w,-a/2+kc+w,-a/2+kc+w+l2 Than dien troy4 (6)

rectng,-a/2+kc,-a/2+kc+w,m,-m Than dien tro xI (nam o dam trai - ben

tren-trai) (7)

rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,m,-m !Than dien tro x2 (nam o dam trai - ben duoi-phai) (8)

!Ve dau cua cac dien tro

rectng,-(3*w/2+kc 1),-ke1+w/2,a/2-kc,a/2-kc-2*w!Dau tren dien tro y1 (9) rectng,-(3*w/2+kc 1),-kcI+w/2,a/2-kc-12,a/2-kc-l2-2*w! Dau duoi dien tro y l

q0)

rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc 1),a/2-kc,a/2-kc-2*w !Dau tren dien tro y2 (11) rectng,ke 1-w/2,(3*w/2+kc 1),a/2-ke-12,a/2-kc-12-2*w! Dau duoi dien tro y2

(12)

Trang 23

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý rectng,-(3*w/2+kc I),-kcI+w/2,-a/2+kc,-a/2+kc+2*w tDau tren dien tro y3 (13) rectng,-(3*w/2+kc1),-kcI+w/2,-a/2+kc+l2,-a/2+kc+l2+2*w !Dau duoi dien tro y3 (14) rectng,ke1-w/2,(3*w/2+kc1),-a/2+kc,-a/2+kc+2*w! !Dau tren dien tro y4 (15) rectng,ke 1-w/2,(3*w/2+kc 1),-a/2+kce+12,-a/2+kc+12+2*w !Dau duoi dien tro y4 q6)

rectng, -a/2+kc-w/2,-a/2+kc+3*w/2,m+w,m-w !Dau tren dien troxI (17) rectng,-a/2+kc-w/2,-a/2+kc+3*w/2,-m+w,-m-w !Dau duoi dien tro x1 (18)

rectng, a/2-kc+w/2,a/2-kc-3*w/2,m+w,m-w_!Dau tren dien tro x2 (19)

rectng, a/2-kc+w/2,a/2-kc-3*w/2,-m+w,-m-w !Dau duoi dien tro x2 (20)

!Cac diem tiep xuc

rectng,-(w+ke1),-kc 1,a/2-kc-w/2,a/2-kc-3*w/2 !Diem tiep xuc tren y1(21) rectng,-(w+ke1),-ke 1 ,a/2-ke-12-w/2,a/2-ke-12-3*w/2 !Diem tiep xuc duoi y Í

(22)

rectng,kc I,w+kc1,a/2-kc-w/2,a/2-kc-3*w/2!Diem tiep xuc tren y2 (23) rectng,kc1,w+kc1,a/2-kc-l2-w/2,a/2-kc-l2-3*w/2 !Diem tiep xuc duoi y2 (24) rectng,-(w+kc l),-kc l,-a/2+kc+w/2,-a/2+kc+3*w/2 !Diem tiep xuc duoi y3 (25) rectng,-(w+ke1),-ke 1 ,-a/2+kce+12+w/2,-a/2+kc+12+3*w/2 !Diem tiep xuc tren

y3 (6)

rectng,ke1,w+kc 1 ,-a/2+kce+w/2,-a/2+kc+3*w/2!Diem tiep xuc duoi y4 (27) rectng,kc1,w+ke1,-a/2+kc+lI2+w/2,-a/2+kc+l2+3*w/2 !Diem tiep xuc tren

y4_ (28)

rectng,-a/2+kc,-a/2+kc+w,m-w/2,m+w/2!Diem tiep xuc tren x1 (29) rectng, -a/2+kc,-a/2+kc+w,-m+w/2,-m-w/2!Diem tiep xuc duoi x1 (30)

rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,m-w/2,m+w/2! Diem tiep xuc tren x2 (31)

rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,-m+w/2,-m-w/2 !Diem tiep xuc duoi x2 (32)

Trang 24

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý !Ghep cac than va cac dau dien tro

aadd,3,9,10 !ghep phan than va hai dau dien tro y1 (33) aadd,4,11,12!ghep phan than va hai dau dien tro y2 (3)

aadd,5,13,14!ghep phan than va hai dau dien tro y3 (4) aadd,6,15,16!ghep phan than va hai dau dien tro y4(5)

aadd,7,17,18!ghep phan than va hai dau dien tro x1 (6) aadd,8,19,20!ghep phan than va hai dau dien tro x2(7) !Tao the tich khoi

vext,1,1,1,0,0,-d !Tinh tien mat mang theo truc z mot doan -d (1) 9) vext,2,2,1,0,0,-d1 !Tinh tien tam cung giua theo truc z mot doan -d (2) (10) vext,3,7,1,0,0,-c | !Tinh tien cac dien tro theo truc z mot doan -c (3, 7) (11 15) vext,33,33,1,0,0,-c !Tinh tien cac dien tro theo truc z mot doan -c (8) (16) vext,21,32,1,0,0,-c !Tinh tien cac tiep xuc tdien tro theo truc z mot doan (9, 20) (9 20)

!Lam trung cac the tich giao nhau

Trang 29

CHƯƠNG 3

KẾT QUA MO PHONG VA THAO LUAN

3.1.Phân bố độ lệch màng dưới tải áp suất

Lần lượt ta đặt các tải áp suất với các giá trị 0, 2, 4, 6, 8, 10 (atm)

HI0

Trang 30

HII

H9, H10, H11: Dé hoa mô tả sự phân bố lệch màng với áp suất P=10atm

Bảng số liệu mô tả độ lệch màng như sau: Áp suất (atm) Độ lệch cực đại (hm) 0 0 2 91,061 4 183,203 6 274,804 8 366,406 10 458,007 Ta thấy với áp suất tăng dần từ 0 đến 10 (atm) Giá trị của độ lệch cũng tăng dân từ 0 đến 458,007um Áp suất p và độ lệch cực đại tăng tỉ lệ thuận với

nhau

Trang 31

Trang 32

H14

H13, H14: Đồ hoạ mô tỉ phân bố ứng suất

Trang 33

Khoá luận tố! nghiệp Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý Ta thấy biến dạng xuất hiện ở biên màng tâm cứng và biên màng gắn

với đế là trái dấu nhau Trong khi biến dạng ở biên gắn với đế là biến dạng

giãn thì biến dạng ở biên gắn với tâm cứng là biến dạng nén và ngược lại Vì vậy ứng suất thẳng góc ở các khu vực này cũng trái dấu nhau: Khi ở biên

màng gắn với đế có phân bố ứng suất dương thì ở biên màng gắn với tâm cứng lại quan sát thấy phân bố ứng suất âm Phân bố của ứng suất thẳng góc có 2 cực trị trái dấu: 1 cực trị tại trung điểm cạnh màng gắn với đế và 1 cực trị tại trung điểm cạnh màng gắn với tâm cứng Ứng suất giảm nhanh khi rời xa dan

khỏi các vị trí nàyvà giảm nhanh hơn theo hướng vuông góc với cạnh cấu trúc

Đối với ứng suất trượt, tồn tại 4 cực trị nằm gần 4 góc màng Trong khi

ứng suất thẳng góc tại khu vực lân cận các biên màng là cực trị, thì ứng suất

trượt ở những khu vực này lại rất nhỏ Các dải hẹp song song với cạnh màng,

phân bố quanh trung điểm các biên màng là những khu vực có hiệu ứng áp trở cực đại Muốn đạt được độ nhạy cao, vi cảm biến cần được thiết kế sao cho các áp trở được đặt ở những vị trí có hiệu ứng áp trở lớn nhất và toàn bộ các

điện trở nằm trong các khu vực này 3.3 Các vị trí tối ưu có thể đặt áp trở

Có 2 khu vực có thể lựa chọn để đặt các áp điện trở đó là: Khu vực gần biên màng gắn với đế và khu vục gần biên màng gắn với tâm cứng Nhưng khu vực biên màng gắn với đế có nhiều ưu điểm hơn do sự tiện lợi của đường dẫn,

có thể giảm thiểu ảnh hưởng của sự uốn cong các đường dẫn khi cảm biến

hoạt động

Cần đặt 2 điện trở song song với cạnh màng để cảm nhận hiệu ứng song

song, 2 điện trở còn lại đặt vuông góc với cạnh màng để thu tín hiệu theo phương vuông góc Cần lựa chọn các kích thước sao cho toàn bộ các áp điện trở được đặt trong vùng có hiệu ứng áp trở tốt nhất, đó là các dải song song

với biên màng, gần trung điểm các biên màng Đặc điểm cấu trúc có tâm cứng chế tạo bằng phương pháp ăn mòn dị hướng phiến Silic, kích thước màng có

Trang 34

tâm cứng thường lớn hơn nhiều so với trường hợp màng phẳng.Vì vậy ta hoàn

toàn có thể lựa chọn các thông số cấu trúc cầu điện trở như trường hợp màng

phẳng mà vẫn có thể đạt được độ nhạy cảm biến cao hơn so với trường hợp

màng phẳng

Trang 35

KẾT LUẬN

Với đề tài “Mó phỏng đặc trưng đáp ứng cơ của cảm biến áp suất MEMS màng vuông tâm cứng dưới tải áp suất”, tôi đã thực hiện được những vấn đề sau:

1 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

MEMS màng vuông dạng phẳng thông thường Tìm ra vấn đề còn tồn tại đối

với các cảm biến áp suất màng vuông dạng này Từ đó đề xuất một loại cảm biến mới có khả năng khắc phục được những nhược điểm đã nêu Đó là cảm

biến áp suất MEMS màng vuông có tâm cứng

2 Giới thiệu phần mêm ANSYS và sử dụng ANSYS để xây dựng

chương trình mô phỏng

3 Từ kết quả chương trình mô phỏng đưa ra thiết kế tối ưu nhất đối với

các áp điện trở của loại cảm biến áp suất MEMS màng vuông dạng mới này

Trang 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[I1] Đinh Văn Dũng (2004), Nghiên cứu chế tạo cảm biến vì cơ trên cơ sở hiệu ứng áp trở, Luận án Tiến Sĩ Vật lý

[2] Định Quang Hoà (2008), Nghiên cứu mô phỏng hoạt động của vi cam biến gia tốc MEMS kiểu áp trở và xây dựng quy trình công nghệ chế tạo thử

nghiệm, Luận văn thạc sĩ Vật lý chất rắn

[3] Phạm Văn So (2004), Thiết kế và chế tạo sensor áp suất kiểu áp trở trên

cơ sở công nghệ vì hệ thống cơ điện tử MEMS, Đồ án tốt nghiệp, Trường

ĐH Bách khoa Hà Nội, Hà Nội

[4] Định Bá Trụ (2000), Nướng dẫn sử dung ANSYS, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội

Trang 37

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: Đỉnh Văn Dũng cùng

toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Vật lý trường ĐHSP Hà Nội 2 Và xin cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ hết sức chân tình và quý báu của gia đình, bè bạn đã giúp tơi hồn thành khố luận tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 5 năm 2009

Sinh viên thực hiện

Câu Thi Wgoe Quynh

Trang 38

LỜI CAM ĐOAN

Khoá luận tốt nghiệp là những kiến thức mà tôi đã tiếp thu được sau 4 năm học tập tại trường ĐHSP Hà Nội 2 Dưới sự dìu dắt chỉ bảo tận tình của các thầy cô đặc biệt là dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Đỉnh Văn Dũng

Vì vậy khoá luận tốt nghiệp với đề tài: "Mô phỏng đặc trưng đáp ứng cơ của cẩm biến áp suất MEMS màng vuông tâm cứng dưới tải áp suất" không có

sự trùng lặp với các khoá luận khác

Hà Nội, tháng 5 năm 2009 Sinh viên thực hiện

Câu tị 2(gọc Quờnh

Định dạng
Số trang	38
Dung lượng	4,38 MB