nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm chip cảm biến áp suất nhằng hướng tới ứng dụng trong các thiết bị dân dụng

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨUTrong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc thiết kế, mô phỏng, chế tạo, đođạc, đóng gói và ứng dụng thử nghiệm chip cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng c

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc thiết kế, mô phỏng, chế tạo, đođạc, đóng gói và ứng dụng thử nghiệm chip cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng các thiết

bị hiện có tại Việt Nam Trong phần thiết kế - mô phỏng, nhóm đã sử dụng phần mềmAnsys kết hợp với Matlab để tính toán các thông số của chip cảm biến áp suất đảm bảo

độ bền cơ và độ nhạy, cũng nh thiết kế mạch đóng gói chip cảm biến Từ các thông sốthu được, chúng tôi lựa chọn cấu trúc hợp lý để chế tạo Phần chế tạo chip cảm biếnđược thực hiện bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) sử dụng các thiết bị phòng sạchSHTP Nhóm đã thành công trong việc chế tạo chip cảm biến áp suất với các ngưỡng

áp suất làm việc và độ nhạy khác nhau Chúng tôi đã phát triển lên thành mô đun cảmbiến, và ứng dụng thành công trong việc đo chiều cao cột nước, nhằm có thể sử dụngtrong các thiết bị gia dụng như máy giặt, huyết áp kế, đo ngập lụt

SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

In this project, we perfomed the design, simulation, fabrication, measurement, packagingand trial application of the capacitor type pressure sensor, using existing equipments andfacilities in Vietnam In the design – simulation part, we used ANSYS and Matlab soft-wares to calculate the parameters of the pressure sensor chips for ensuring the mechanicaldurability and electrical sensitivity, as well as an adequate operation of the circuit of thesensor packaging From the obtained parameters, we chose the suitable structures for thefabrication The chips were fabricated by Microelectromechanical (MEMS) technologyusing SHTP’s clean room Our group has successfully fabricated pressure sensor chipsfor different working pressure ranges and sensitivities We also have developed the sen-sor to measure level, and we applied in the measurement of water column height Thesesensors will be able to use in household appliances such as washing machines water levelcontrollers, blood pressure monitors, flooding detectors

Mục lục

Tóm tắt đề tài (gồm tiếng Việt và tiếng Anh) I

Mục lục IV

Danh mục các từ viết tắt V

Danh sách bảng VI

Danh sách hình VII

1 Thông tin về đề tài 1

2 Mục tiêu 1

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Sản phẩm của đề tài (đối chiếu theo hợp đồng đã ký) 3

1 TỔNG QUAN 5 1.1 Tình hình ngoài nước 5

1.2 Tình hình trong nước 11

2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU TỤ ĐIỆN 13 2.1 Quan hệ giữa điện dung, áp suất và độ chuyển vị 14

2.2 Bài toán và phương pháp mô phỏng 21

Nguyên lý thiết kế 38

Bộ tạo tín hiệu số DSG 39

Bộ xử lý tín hiệu số 42

2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận 43

Mối quan hệ giữa áp suất, điện dung và độ nhạy 51

Mô phỏng bộ tạo tín hiệu số 59

3 CHẾ TẠO CHIP CẢM BIẾN ÁP SUẤT 63 3.1 Thiết kế bộ Mask cảm biến áp suất kiểu tụ điện 63

3.2 Quy trình chế tạo chip cảm biến áp suất 64

3.2.1 Thao tác trên wafer Silic 66

3.2.2 Thao tác trên wafer Pyrex 75

3.2.3 Đóng gói phiến Silic và Pyrex thành cấu trúc chip cảm biến áp suất kiểu tụ điện 77

3.3 Đánh giá quá trình chế tạo 79

3.3.1 Tốc độ ăn mòn phiến silic trong KOH (etching rate) và độ dày màng 79 3.3.2 Hình thái bề mặt màng Si sau khi khắc 79

4 KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT 81 4.1 Đánh giá hoạt động của chip cảm biến áp suất 81

4.1.1 Chip cảm biến áp suất 81

4.1.2 Kiểm tra hoạt động của Chip cảm biến 81

4.1.3 Kết quả đo 82

Cảm biến làm việc được trong dải áp suất cao 0-6 bar 82

Cảm biến có độ nhạy cao 85

Kết luận 88

4.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động cảm biến áp suất 89 4.2 KẾT QUẢ CHẾ TẠO MÔ ĐUN CẢM BIẾN ÁP SUẤT 89

4.2.1 Mô đun chuyển đổi áp suất 89

Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn 91

4.2.2 Mô đun hiển thị 93

4.2.3 Kiểm tra hoạt động của Mô đun cảm biến áp suất 93

4.3 Đóng gói mô đun cảm biến áp suất 94

4.4 Ứng dụng cảm biến áp suất đo mực nước 96

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 5.1 Kết luận 99

5.2 Kiến nghị 101

PHỤ LỤC 103

TÀI LIỆU THAM KHÀO 119

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt

CPS Capacitive Pressure Sensor Cảm biến áp suất kiểu tụ điện

DSG Digital Signal Generator Bộ tạo dao động số

DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số

PECVD Plasma Enhanced Chemical

Vapor Deposition

Lắng đọng hơi hóa học bằngplasma tăng cường

HF Hydrofluoric acid Axit Flohydric

Danh sách bảng

1.1 So sánh các đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất

kiểu tụ và cảm biến áp suất kiểu áp trở

2.2 Cấu trúc cảm biến được sử dụng để khảo sát ứng suất

tối đa và độ chuyển vị

không có ứng suất.

10

2.1 Sơ đồ cấu trúc màng Silic hình vuông 142.2 Sơ đồ cấu trúc màng Silic hình vuông có tâm cứng 162.3 Độ chuyển chuyển vị của màng bình thường và có tâm

cứng trong cùng điều kiện áp suất

2.15 Mạch khuếch đại với tụ mắc gián tiếp vào mạch khuếchđại

35

2.16 Mạch khuếch đại với tụ mắc gián tiếp 372.17 Sơ đồ khối mô đun cảm biến áp suất 382.18 Sơ đồ khối mô đun chuyển đổi áp suất sang mô đunhiển thị

39

2.20 Dạng sóng của mạch dao động tại V1 402.21 Dạng sóng của mạch dao động tại V2 và Vout 412.22 Lược đồ thực hiện của chương trình cho PIC 432.23 Kết cấu của màng sau khi chia lưới tứ diện 442.24 Phần tử tứ diện được khảo sát theo ứng suất và chuyểnvị

2.35 So sánh đáp ứng P-C của hai loại cấu trúc trong dải

áp suất [0-6 bar] với gap =10 µm

3.10 Mô hình khắc lớp KOH 713.11 Mô hình chiếu tia UV với mask 2 713.12 Mô hình phiến Silic sau khi mở cửa sổ SiO2 723.13 Mô hình quang khắc sử dụng mask 3 733.14 Mô hình phiến Silic được mở cửa sổ SiO2 733.15 Mô hình phiến Silic được phủ 1 lớp đồng 743.16 Mô hình ăn mòn điện cực; b) Phiến Silic sau khi ănmòn đồng.

74

3.17 Nguyên lý cắt phiến Silic 753.18 Cấu trúc màng Si cảm biến áp suất với kích thước12.5x10 mm: a) Mặt trước-điện cực; b) Mặt sau – tâmcứng

75

3.19 Mô hình pyrex được phủ lớp đồng 763.20 Mô hình pyrex đã được ăn mòn lớp đồng 763.21 Pyrex đã đươc cắt ra từng Die với kích thước 12,5mm

82

4.4 Biểu đồ tương quan giữa điện dung và áp suất P-C 83

4.5 Biểu đồ tương quan giữa thay đổi điện dung và ápsuất.

88

4.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện dung của cảm biến 894.16 Đồ thị tương quan giữa áp suất và điện dung của môđun cảm biến áp suất

90

4.17 Đồ thị biểu diễn tương quan giữa áp suất và tần số 914.18 Mô đun chuyển đổi áp suất chế tạo 914.19 Xử lý tuyến tính hóa từng đoạn 924.20 Sơ đồ khối mô đun hiển thị 934.21 Đồ thị tín hiệu đường chuẩn và tín hiệu đo 944.22 Khối mô đun hiển thị.và buồng tạo áp suất 954.23 Vỏ hộp của mô đun cảm biến áp suất 954.24 Đóng gói vỏ hộp cho module cảm biến áp suất 964.25 Ứng dụng cảm biến áp suất đo mực nước 974.26 Đồ thị tín hiệu đường chuẩn và tín hiệu đo 97

1.3 Cơ quan chủ tri

Cơ quan chủ trì Nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) – ĐHQG Thànhphố Hồ Chí Minh

Cơ quan phối hợp thực hiện: Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển – Khu công nghệ caoThành phố Hồ Chí Minh

1.4 Thời gian thực hiện

Từ tháng 10/2010 đến tháng 10/2012 (được gia hạn thêm 6 tháng)

- Nghiên cứu chế tạo và đóng gói cảm biến áp suất với các thông số: dãi áp suất hoạtđộng dự kiến 0 - 6 Bar, nhiệt độ hoạt động 0-900C, độ nhạy khoảng 0.11 pF/pF.Barbằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)

3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cấu trúc và các tính chất cơ điện của chip cảm biến ápsuất bằng phần mềm chuyên dụng Ansys, IntelliSuite hoặc Coventor Đưa ra bản thiết

kế mask hoàn chỉnh và thực hiện chế tạo thử nghiệm chip cảm biến áp suất bằng côngnghệ MEMS sử dụng các thiết bị phòng sạch của Khu Công nghệ cao TP HCM Quytrình thực hiện bao gồm các nội dung sau:

Nội dung 1: Nghiên cứu thiết kế cấu trúc chip cảm biến áp suất với dải áp suất làmviệc 0-6 Bar

Nội dung 2: Nghiên cứu mô phỏng tính chất cơ của chíp cảm biến áp suất có bề dàymàng Si 40 - 200 µm, sử dụng phần mềm mô phỏng MEMS như Ansys, IntelliSuite hoặcCoventor với dải áp suất đặt vào màng trong khoảng từ 0-6 Bar

Nội dung 3: Nghiên cứu mô phỏng tính chất điện của chíp cảm biến áp suất có bề dàymàng Si 40-200 mum, sử dụng phần mềm mô phỏng Pspice, IntelliSuite hoặc Coventorvới dãy áp suất đặt vào màng trong khoảng từ 0-6 Bar

Nội dung 4: Nghiên cứu thiết kế bộ mask phục vụ cho quá trình chế tạo chip cảm biến

áp suất kiểu tụ điện

Nội dung 5: Nghiên cứu thiết kế quy trình chế tạo chíp cảm biến áp suất kiểu tụ điện

sử dụng phòng sạch SHTP

Nội dung 6: Đóng gói chíp cảm biến áp suất chế tạo được

Nội dung 7: Kiểm tra và đánh giá chíp cảm biến áp suất chế tạo được

-4 Sản phẩm của đề tài (đối chiếu theo hợp đồng đã ký)

và mô phỏng cảm

biến áp suất kiểu

tụ điện

Sử dụng phần mềm môphỏng MEMS như AN-SYS , dải áp suất 0-6Bar Sử dụng phần mềm

mô phỏng MEMS nhưPspide , dải áp suất0-6Bar

Tài liệu,CD-ROM

Tài liệu,CD-ROM

Tài liệu,CD-ROM

2 bài báo Hoàn thành

Báo cáo toàn bộ

kết quả thực hiện

đề tài

Đầy đủ, rõ ràng 03 quyển Hoàn thành

Hình 1.1: Lợi nhuận từ các sản phẩm trong lĩnh vực MEMS từ năm 2011 đến 2017 [1].

Hình 1.2: Thị phần các loại linh kiện MEMS năm 2011 [2].

Cảm biến áp suất là một linh kiện chuyển đổi áp suất đầu vào và cho tín hiệuđiện ở đầu ra nhằm đo áp suất, lực và dòng khí Nhờ tính tiện dụng, kích thước nhỏ,khả năng tích hợp và điều khiển số, giá thành giảm, cảm biến áp suất chế tạo bằngcông nghệ MEMS được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống hàngngày như: xác định mực nước trong các máy giặt, máy rửa chén, các thiết bị để đo độsâu mực nước, trong các thiết bị điện thoại di động, trong các hệ thống không gian, cácthiết bị y tế, xe hơi, Chính vì vậy, cảm biến áp suất có giá trị thương mại hết sức tolớn

Cảm biến áp suất có thể phân thành bốn loại chính như sau: (1) cảm biến áp suấtkiểu tụ (capacitive), (2) cảm biến áp suất cộng hưởng, (3) cảm biến áp suất áp điện(piezoelectric) và (4) cảm biến áp suất kiểu áp trở (piezoresistive) Có thể tóm tắt các

ưu, khuyết điểm và khả năng ứng dụng của các loại cảm biến áp suất như sau:

• Cảm biến áp suất kiểu tụ Cảm biến áp suất kiểu tụ dựa trên nguyên tắc cơbản là sự thay đổi áp suất gây ra biến dạng của màng và làm cho điện dung tụ điệnthay đổi Ưu điểm của loại cảm biến kiểu tụ là độ ổn định và độ nhạy cao, ít chịu ảnhhưởng của nhiệt độ, có thể đo trong khoảng thay đổi áp suất rộng, chi phí chế tạo vừaphải Các ưu điểm này làm cho cảm biến áp suất kiểu tụ có tiềm năng sản xuất thươngmại rất lớn Tuy nhiên một vấn đề cần khắc phục, là khi thu nhỏ kích thước linh kiện

sẽ làm điện dung ký sinh chiếm ưu thế, do đó cần phải tích hợp cảm biến và mạch điệntrực tiếp với nhau Cảm biến áp suất loại này thường được ứng dụng trong điện thoại

di động, các thiết bị y tế, trong công nghiệp và trong ngành xe hơi Sơ đồ chế tạo quitrình này được trình bày ở (hình 1.3).

Hình 1.3: Quy trình chế tạo cảm biến áp suất kiểu tụ [3]

• Cảm biến áp suất cộng hưởng Cảm biến áp suất cộng hưởng dựa trênnguyên tắc cơ bản là sự thay đổi áp suất được xác định dựa trên sự thay đổi tần số củathanh cộng hưởng Ưu điểm của loại cảm biến này là kích thước nhỏ, bền chắc, độ chínhxác cao, thích hợp chuyển đổi sang tín hiệu số Tuy nhiên, loại cảm biến này chế tạophức tạp và có giá thành cao Hình 1.4 trình bày mặt cắt của cảm biến áp suất cộnghưởng

Hình 1.4: Mặt cắt của cảm biến áp suất cộng hưởng [4].

• Cảm biến áp suất áp điện Cảm biến áp suất áp điện dựa trên hiện tượng ápđiện để đo áp suất bằng cách chuyển đổi áp lực thành tín hiệu điện Đây là loại cảm biếnđược ứng dụng trong các lĩnh vực kiểm định chất lượng (cân điện tử) Cảm biến loạinày có một số ưu điểm như: chế tạo không phức tạp, giá thành tương đối Tuy nhiên,một điểm bất lợi của loại cảm biến này là sai số lớn Hình 1.5 trình bày mặt cắt củacảm biến áp suất áp điện

Hình 1.5: Mặt cắt cảm biến áp suất áp điện [5]

• Cảm biến áp suất áp trở Cảm biến áp suất loại áp trở là một trong nhữngsản phẩm đầu tiên của công nghệ MEMS, được sử dụng nhiều trong lĩnh vực y tế, côngnghiệp và dân dụng Loại cảm biến này hoạt động dựa trên tính chất áp trở của vậtliệu silic (Si) Thành phần áp trở được chế tạo bằng cách khuếch tán các chất pha tạp(P, B ) để tạo 4 điện trở vào trong tấm silic đơn tinh thể và đấu nối với nhau thànhmạch cầu Wheatstone Sự thông dụng của mạch cầu Wheatstone ở chỗ là nó chuyển đổi

sự thay đổi điện trở do biến dạng thành sự thay đổi về hiệu điện thế, từ đó có thể đo

đạc một cách trực tiếp và chính xác Ưu điểm của loại cảm biến này là chi phí chế tạokhá thấp, sử dụng quy trình chuẩn của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) Tuy nhiên độchính xác của loại cảm biến này bị ảnh hưởng lớn bởi sự thay đổi nhiệt độ Hình 1.6trình bày mặt cắt của cảm biến áp suất áp trở.

Hình 1.6: Mặt cắt cảm biến áp suất áp trở [6]

Từ những đặc tính về ưu điểm và nhược điểm của từng loại cảm biến áp suất đãnêu trên, nhóm nghiên cứu nhận thấy: cảm biến áp suất kiểu tụ điện và cảm biến ápsuất loại áp trở là hai loại cảm biến có thể chế tạo được với điều kiện máy móc thiết bịcũng như nguồn kinh phí và nhân lực tại Việt Nam Cảm biến áp suất loại áp trở vớicác ưu điểm như chi phí chế tạo khá thấp, sử dụng quy trình chuẩn của công nghệ vi

cơ điện tử (MEMS) cũng là một hướng nghiên cứu tốt Công ty ALPS, Nhật Bản đã sosánh hai loại cảm biến này và rút ra kết luận như sau [7]:

Bảng 1.1: So sánh các đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất kiểu tụ và cảm biến ápsuất kiểu áp trở

Tiêu chí so sánh Cảm biến áp suất kiểu

tụ điện

Cảm biến áp suấtloại áp trở

Đơn giản Thiết bị chuyển

đổi tín hiệu A/D

Từ bảng 1.1 ta thấy, so với cảm biến áp suất kiểu áp trở, cảm biến áp suất kiểu tụđiện với những ưu điểm vượt trội như độ ổn định và độ nhạy cao, ít chịu ảnh hưởngbởi nhiệt độ, có thể đo trong khoảng thay đổi áp suất rộng, tiêu tốn ít năng lượng vàđặc biệt là chi phí chế tạo vừa phải đã tỏ rõ ưu thế trong việc chế tạo, ứng dụng cũngnhư khả năng thương mại hóa Do đó, nhóm thực hiện đề tài đã chọn cảm biến áp suấtkiểu tụ điện làm mục tiêu nghiên cứu chính trong đề tài này Hình 1.7 mô tả cấu trúc

và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất kiểu tụ điện [8]

Hình 1.7: Cấu trúc của cảm biến áp suất kiệu tụ điện khi có và không có ứng suất [8]

Các công ty điện tử như Freescale Semiconductor (Mỹ), Motorola, Omron, ALPS (NhậtBản), Samsung, Deahan (Hàn Quốc) đã có rất nhiều sản phẩm ứng dụng chip cảmbiến áp suất vào trong các sản phẩm điện tử như máy đo huyết áp, máy giặt, máy rửachén, máy đo áp suất khí quyển, điện thoại di động, Hãng Freescale Semiconductor

đã sản xuất dòng sản phẩm cảm biến áp suất MPXM2010GS ứng dụng trong máy giặt

Loại cảm biến áp suất này không những định lượng được mực nước để máy tự độngchuyển chế độ mà còn đo được mức độ dòng chảy, sự rò rỉ của hệ thống Bảng 1.2 chothấy một số đặc tính kỹ thuật của sản phẩm MPXM2010GS.

Bảng 1.2: Đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất MPXM2010 D (Freescale ductor) (Vs = 10 VDC, T = 250C)

Semicon-Đặc tính Ký hiệu Giá trị

nhỏ nhất

Giá trịđiểnhình

Giá trịlớn nhất

Hãng Freescale Semiconductor cũng sản xuất ra chíp MPXV5050GP ứng dụng làm máy

đo huyết áp với dải áp suất hoạt động từ 0 đến 300 mmHg (0 - 40 kPa) Ngoài ra, chipMPX2100AP được sản xuất để đo áp suất khí quyển với dải áp suất hoạt động từ 0 đến1Bar Thông qua việc khảo sát các sản phẩm cảm biến áp suất đã được thương mại hóa

và ứng dụng trong các thiết bị dân dụng, nhóm thực hiện đề tài sẽ thực hiện thiết kế,

mô phỏng, chế tạo và ứng dụng thử nghiệm chip cảm biến áp suất với dải ứng suất hoạtđộng từ 0 – 6 Bar

1.2 Tình hình trong nước

Hiện nay, nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo chip cảm biến áp suất tại Việt Namchưa có sự phát triển mạnh mẽ Điều này có thể dễ dàng nhận thấy bởi hai lý do: (1)Lĩnh vực nghiên cứu này đòi hỏi các phần mềm và thiết bị hiện đại, chi phí đầu tư lớn.(2) Đội ngũ cán bộ trong lĩnh vực này chưa thực sự mạnh và nhiều Việc nghiên cứu chếtạo cảm biến dựa trên công nghệ vi cơ điện tử đã từng được thực hiện tại Viện đào tạokhoa học vật liệu (ITIMS)-ĐHBK Hà Nội [9] Tuy nhiên các nghiên cứu trên chỉ dừnglại ở dạng công bố tạp chí và chưa thực sự sâu sắc trong việc triển khai ứng dụng vàothực tế Vấn đề ứng dụng cảm biến áp suất vào trong cuộc sống nhằm phục vụ lợi íchdân sinh vẫn vấp phải bài toán khó giải: chưa tìm ra được một quy trình hoàn thiện

từ thiết kế đến chế tạo, đóng gói và ứng dụng chip cảm biến áp suất So với cả nước,Thành phố Hồ Chí Minh luôn đi đầu trong việc tiếp cận các lãnh vực mới, minh chứngcho điều đó với việc đầu tư hơn 10 triệu USD cho Phòng thí nghiệm Bán dẫn đặt tạiKhu Công nghệ cao nhằm hướng tới là thành phố đi đầu trong lĩnh vực vi mạch Tuynhiên để việc chế tạo các linh kiện tại Phòng thí nghiệm Bán dẫn được vận hành, cầnphải có những bản thiết kế chip hoàn chỉnh Điều này hiện nay tại TP HCM, ICDREC

- Đại học Quốc gia TP.HCM là trung tâm có nhiều kinh nghiệm nhất trong việc thiết

kế và ứng dụng các linh kiện bán dẫn, điển hình là thành công của chíp Sigma K3, chíp

VN 1632 Ngoài ra, ICDREC cũng đã thành công trong việc chế tạo một số loại cảmbiến bằng công nghệ MEMS như vi cân tinh thể thạch anh QCM ứng dụng làm kit cảmbiến sinh học Chính vì vậy, đề tài thiết kế, mô phỏng và chế tạo chip cảm biến áp suấtkết hợp giữa ICDREC và SHTP là tiền đề và tạo động lực cho sự phát triển lĩnh vựcnghiên cứu chế tạo và ứng dụng các linh kiện MEMS tại Việt Nam

Trong chương này, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành mô phỏng và thiết kế cấu trúc cảmbiến áp suất kiểu tụ điện vận dụng lý thuyết cơ bản về tấm mỏng chịu uốn của “Lýthuyết đàn hồi”, kèm theo đó, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạnkết hợp với “Lý thuyết Gauss” nhằm mô phỏng đáp ứng đầu ra trong quá trình hoạtđộng dựa trên điều kiện làm việc thực tế.

Việc tính toán đáp ứng đầu ra của cảm biến áp suất sẽ tốn nhiều thời gian cũng nhưtài nguyên máy tính sử dụng, nhóm nghiên cứu đưa ra những giải pháp nhằm rút ngắnthời gian phân tích nhưng vẫn đảm bảo kết quả với sai số nhỏ khi so sánh với quá trìnhchế tạo mẫu cảm biến

2.1 Quan hệ giữa điện dung, áp suất và độ chuyển vị

2.1.1 Màng vuông

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc màng Silic hình vuông

Phương trình cân bằng nội lực của tấm có dạng (Phương trình Sophie Germain) [7]:

Đây là phương trình vi phân mặt trung gian của tấm chịu uốn trong bài toán tĩnh của

lý thuyết đàn hồi, hàm chuyển vị không phụ thuộc thời gian t, dựa trên giả thuyết tấmmỏng bỏ qua biến dạng bé theo phương z, hàm chuyển vị chỉ phụ thuộc vào tọa độ x,y

Sử dụng lý thuyết đàn hồi cho ta biết ứng xử của hệ (chuyển vị, ứng suất) trong trạngthái ổn định

Nghiệm w gần đúng tìm được dưới dạng (Nghiệm Navier) [10]:

Với Xm(x).Yn(y) có dạng tách biến

Sử dụng các phép tính gần đúng, tìm được nghiệm của phương trình (2.1):

Điều kiện biên: Ngàm tại chu tuyến

w(x, y) = 6.125P (x

2− ax)2(y2− ay)2

(7D11+ 4(D12+ 2D66) + 7D22)a4 (2.3)Với Dxx là các phần tử của ma trận độ cứng chống uốn, phụ thuộc vào ten xơ hằng sốđàn hồi trong trường hợp vật liệu bất đẳng hướng

Độ chuyển vị đạt giá trị cực đại tại tâm màng (x = a/2,y = a/2):

wmax= 6.125

162

6.125P a4(7D11+ 4(D12+ 2D66) + 7D22) (2.4)Đối với màng mỏng Silic ta giả thiết gần đúng là màng có cơ tính đẳng hướng; nghĩa là:

D11= D22 = D12 + 2D66= D = Eh

3

12(1 − v2) (2.5)với

a4

với E là Mô đun đàn hồi dọc

Độ chuyển vị tại mọi điểm có tọa độ x,y:

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc màng Silic hình vuông có tâm cứng.

Thêm điều kiện biên cho tâm cứng:

Điều kiện biên phản lực tại biên x = b/2, quy đổi moment uốn và moment xoắn vềlực phân bố Các moment xoắn được thay thế bằng các cặp ngẫu lực với hợp lực là

Hình 2.3: Độ chuyển chuyển vị của màng bình thường (a) và có tâm cứng (b) trong cùngđiều kiện áp suất.

Khi không có áp suất bên ngoài tác động lên cảm biến, nghĩa là áp suất tác động lênhai mặt của màng bằng nhau và bằng áp suất khí quyển

C(Po) = εoA

Trong đó:

ε0= 8,854.10−12 F.m−1: hằng số điện môi của chân không;

A: diện tích bản cực của tụ điện phẳng

h: Độ rộng của khe không khí

P0=: áp suất khí quyển

Khi có áp suất tác động vào màng gây nên chênh lệch giữa áp suất P và áp suất P0làm cho khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi Giá trị điện dung của cảm biến áp suấtđược xác định:

• Độ chuyển vị ω(x,y) tại mọi điểm trên tâm cứng đều bằng ω0

• Giá trị điện dung của tụ cảm biến có thể xem tương đương với tụ điện bình thường cókhoảng cách hai cực bằng với khoảng cách trung bình giữa hai màng của tụ cảm biến.Khi đó :

C(P ) = εo

h −Pn i=1

Pn j=1

2.1.2 Màng tròn

Tương tự với những lý luận như màng mỏng của cảm biến có cấu trúc hình vuông Việcphân tích cấu trúc màng mỏng có cấu trúc hình tròn sử dụng các công thức trong hệtọa độ cực Các thành phần của ứng suất có thể được biểu hiện như một hàm số theo

độ chuyển vị theo phương vuông góc với mặt phẳng màng w(a) (a: bán kính màng banđầu)

Đối với màng có cấu trúc tròn có điều kiện biên cạnh màng cố định, moment uốn trênmột đơn vị chiều dài, kí hiệu là Mr và Mt có quan hệ với độ chuyển vị theo các côngthức sau [12]:

Mr= −D(d

2w

dr2 +vr

dw

Sử dụng điều kiện biên ngàm tại chu tuyến, ta có:

w(a)dw

dr

r=a

= 0dw

dr

Khi có áp suất tác dụng làm cho khoảng cách d giữa hai điện cực thay đổi, điện dungtrên toàn màng tròn có bán kính a được tính theo công thức:

C =

Z 2π 0

Z a 0

drdθ

1 −wo

h (a2r−r2 2)2 (2.23)Đặt:

drdθ

1 − (√A3a2r−r2 2)2 (2.25)Tiến hành đổi biến bằng cách đặt

• Với bài toán có tâm cứng

Hình 2.5: Cấu trúc cảm biến áp suất kiểu tụ màng tròn khi có tâm cứng [13]

Bài toán có tâm cứng khi màng tròn [13]:

Trong hình trên, R là bán kính của màng Silic, r là bán kính tâm cứng, h là bề dày củamàng, h1 là bề dày của tâm cứng, g1 là độ dày lớp điện môi (không khí) giữa hai bảncực, g2 là độ sâu gap, r1 là bán kính của bề mặt gap, d là bề dày của lớp điện môi.Trong trường hợp biến dạng bé, giá trị điện dung được tính toán xấp xỉ như điện dụnggiữa hai bản cực phẳng Dựa theo mô hình lý thuyết tính toán điện dung giữa hai bản

tụ phẳng (Peng và Chan 2007; Ferrari 2006), điện dung của cảm biến khi không có ápđặt vào có giá trị:

Bp= (

7−v

3 )(1 + Rr4 +Rr2) +(1+v)2−v (Rr2)(1 − v)(1−)(1 − Rr44)(1 − Rr22) (2.35)

2.2 Bài toán và phương pháp mô phỏng

2.2.1 Mô phỏng tính chất cơ

2.2.1.1 Bài toán mô phỏng

Bài toán mô phỏng tính chất cơ của chip cảm biến áp suất kiểu tụ điện được khảo sáttheo ba cấu trúc khác nhau Màng mỏng của chip được đặt ở một bên điện cực và đượclàm từ vật liệu Si Mục đích của việc khảo sát tính chất cơ học của chip cảm biến ápsuất nhằm xác định ra các đặc tính sau:

• Xác định độ chuyển vị của màng khi chịu tác dụng bởi các giá trị áp suất khácnhau trong dải hoạt động của cảm biến Mục đích của phần này nhằm tìm ra giới hạn

độ chuyển vị của màng Khi chế tạo cảm biến áp suất kiểu tụ điện, điều kiện đầu tiênđặt ra là độ chuyển vị của màng phải luôn luôn nhỏ hơn khoảng cách hai điện cực do

đó việc xác định độ chuyển vị tối đa là cần thiết để giải quyết điều kiện này

• Xác định ứng suất cực đại của màng nhằm tìm ra giá trị ứng suất tối đa cho phépnhư ứng suất phá hủy của vật liệu, dải ứng suất hoạt động phù hợp với từng ứng dụng

cụ thể của cảm biến áp suất (0 - 6 Bar)

• Đưa ra phương án tối ưu cho hoạt động của cảm biến: Duy trì đồng thời độ tuyếntính và độ nhạy, đây là hai khái niệm trái chiều nhau

Hình 2.6: Quy trình mô phỏng và tối ưu kết cấu

2.2.1.2 Phương pháp mô phỏng

2.2.1.2.1 Phân tích trường ứng suất của kết cấu

• Lý thuyết ứng suất

Vấn đề kiểm tra bền, trong giới hạn đàn hồi sẽ được xem xét Phân tố được xem xét làứng suất khối:

Xét phân tố ứng suất khối, rensor ứng suất đối xứng cấp hai có sáu thành phần

Tư tưởng phân tích theo lý thuyết đàn hồi:

- Từ trường chuyển vị, ta phân tích ra trường biến dạng Trường chuyển vị tại mỗi nút

Phân tích ứng suất từ quan hệ ứng suất-biến dạng tại mỗi điểm:

- Vật liệu đẳng hướng (Isotropic)-Chỉ phụ thuộc hai hằng số Lame

σT resca = σ1− σ3 ≤ [σ] = 70000 MPa (2.43)

σV on−M ises =pσ1 + σ2 + σ3 − σ1σ2− σ2σ3− σ1σ2 ≤ σT k = 70000 MPa (2.44)

• Phương pháp tiến hành Quá trình phân tích ứng suất được tính toán chuyển vịtrên cơ sở áp lực phân bố đều, dải hoạt động [0 - 6 Bar] Tiến hành phân tích Statics,(transient không thích hợp vì tần số rất thấp, đáp ứng như đáp ứng tĩnh)

Cách thức mô hình hóa:

- Sử dụng phần tử Solid để mô hình cấu trúc Silic, phần tử Shell để mô hình điện cựcAluminum, liên kết bề mặt Shell và Solid sử dụng CP (ANSYS), Contact (ANSYS)hoặc ràng buộc Tie (ABAQUS)

- Tải trọng áp đặt từ 0-0.6 MPa (0-6 Bar), điều kiện biên, ngàm tại biên xung quanh

- Mô hình hóa cơ tính vật liệu, sử dụng cách thức mô hình vật liệu trực hướng Phần

tử sử dụng có thể dùng phần tử bậc cao, tăng độ chính xác hàm nội suy nhưng yêucầu cấu hình máy cao Quá trình chia lưới tiến hành chia lưới mật độ dày tại vị trí cáccạnh, vị trí mặt cắt ngang thay đổi đột ngột vì đó là nơi ứng suất tập trung Phần

tử chia phải thỏa mãn các tiêu chí hình học như Jacobian, Aspect, Skewness nhằmgiảm sai số trong quá trình tích phân số, nội suy

Tiến hành khảo sát theo mô hình vật liệu trực hướng Do vật liệu Silic có cấu trúc tinh

thể dạng lập phương, ba mặt phẳng trực giao nhau Gán hệ tọa độ Local cho ứng xửcủa vật liệu, phương pháp tuyến của bề mặt Silic là phương <100> của cấu trúc tinhthể Cấu trúc cảm biến được sử dụng trong mô phỏng được thể hiện như bảng 2.1.

Bảng 2.1: Thông số đầu vào được sử dụng trong mô phỏng tính chất cơ

• Các thuyết bền và tiêu chuẩn chảy dẻo - Tiêu chuẩn chảy dẻo Hill:

X,Y,Z là độ bền kéo theo phương x,y,z

S12,S23,S12: Độ bền trượt trên các mặt phẳng tọa độ

- Thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất (Tresca-Saint Venant): Nguyên nhân phá hoại: Ứngsuất tiếp lớn nhất trong trạng thái US phức tạp đạt tới ứng suất tiếp nguy hiểm củaphân tố ở trạng thái ứng suất đơn

σT r = σ1− σ3 ≤ [σ] (2.50)

- Thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng cực đại (Huber-VonMises):

Nguyên nhân phá hoại: Thế năng biến đổi hình dáng trong trạng thái US phức tạp đạttới Thế năng biến đổi hình dáng nguy hiểm của phân tố ở trạng thái ứng suất đơn

2.2.2.1 Bài toán mô phỏng

Bài toán mô phỏng tính chất điện của cảm biến áp suất nhằm tìm ra mối quan hệ giữa

áp suất và giá trị điện dung (P-C), áp suất và giá trị độ nhạy (P-S) của tụ theo các cấutrúc đã được lựa chọn từ kết quả mô phỏng tính chất cơ Kết quả mô phỏng là các đặc

tuyến P-C và P-S sẽ được dùng để so sánh với kết quả đo thực tế của cảm biến áp suấtsau khi chế tạo Mặt khác, việc xây dựng các đặc tuyến P-C và P-S sẽ giúp nhóm nghiêncứu sử dụng cấu trúc của từng loại cảm biến hướng đến các ứng dụng khác nhau Côngviệc cụ thể như sau:

• Mô phỏng mối liên hệ P-C giữa áp suất và điện dung của tụ, mối quan hệ P-S giữa ápsuất và độ nhạy của tụ

• Thiết kế mạch đóng gói theo hai hướng: mạch tương tự và mạch số Tiến hành môphỏng mối liên hệ V-C (giữa điện thế ngõ ra và điện dung của tụ) và C-f (điện dung-tần

số ngõ ra mạch giao động)

2.2.2.2 Phương pháp mô phỏng

2.2.2.2.1 Phần mềm mô phỏng tính chất điện

Chương trình mô phỏng tính chất điện của cảm biến áp suất kiểu tụ trong đề tài này

sử dụng phần mềm Matlab Phần chính của chương trình bao gồm các hàm toán, cácchức năng nhập/xuất, khả năng đồ họa lớn được ứng dụng trong việc tính toán mối liên

hệ giữa áp suất và độ chuyển vị, áp suất và điện dung vẽ mà nhờ đó ta dựng nên các.m file của chương trình Trong đề tài này, chương trình mô phỏng tính chất điện củacảm biến áp suất kiểu tụ là bài toán tính tích phân với các điều kiện biên trong các dải

áp suất hoạt động khác nhau Đây là bài toán tương đối phức tạp và tốn khá nhiều tàinguyên máy tính

Để khảo sát ảnh hưởng của điện áp lên điện dung của tụ, chúng tôi sử dụng phần mềmOrCAD Khi có mạch đóng gói dành cho cảm biến, sử dụng phần mềm OrCAD và khảosát mối quan hệ V-I (quan hệ điện áp và cường độ dòng điện), ta dễ dàng tìm được ảnhhưởng của điệp áp lên điện dung của tụ và một vài đặc tính khác như tần số cộng hưởngcủa mạch

2.2.2.2.2 Tính toán giá trị điện dung từ độ võng

Do giá trị điện dung chỉ phụ thuộc vào cấu trúc hình học của hai bản tụ (các trườnghợp đã được kiểm chứng thực tế), ta dựa vào điều này làm cơ sở phát triển các phươngpháp tính sau đây

• Phương pháp 1:

Dựa trên thông số chuyển vị của bề mặt điện cực khi chịu áp suất tăng từ 0-6 Bar,

ta tính xấp xỉ giá trị điện dung trên cơ sở chia nhỏ miền diện tích điện cực ra thành n lần

Hình 2.8: Chia miền tính toán thành các vi phân diện tích

Do bề mặt điện cực võng phi tuyến nên ta chia lưới bề mặt thành n điểm tương ứngvới n diện tích A{n}= An Khi tiến hành chia nhỏ miền diện tích, ta có A{n}= d(A), góclệch giữa vector pháp tuyến mặt phẳng vi phân diện tích và pháp tuyến điện cực phẳng

bé, gần như bằng 0 –> ϕ ≈ 0, cos(ϕ)≈ 01, A{n} ≈ 0An Kết quả điện dung sẽ tiến đếngiá trị gần như chính xác khi n->∞

...

• Xác định ứng suất cực đại màng nhằm tìm giá trị ứng suất tối đa cho phépnhư ứng suất phá hủy vật liệu, dải ứng suất hoạt động phù hợp với ứng dụng

cụ thể cảm biến áp suất (0 - Bar)... để so sánh với kết đo thực tế cảm biến áp suấtsau chế tạo Mặt khác, việc xây dựng đặc tuyến P-C P-S giúp nhóm nghiêncứu sử dụng cấu trúc loại cảm biến hướng đến ứng dụng khác Cơngviệc cụ thể sau:

•... lớn ứng dụng việc tính tốn mối liên

hệ áp suất độ chuyển vị, áp suất điện dung vẽ mà nhờ ta dựng nên các. m file chương trình Trong đề tài này, chương trình mơ tính chất điện củacảm biến áp