THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG

THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ RÔBỐT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG Giáo viên hướng dẫn : TS. PHẠM HỒNG PHÚC ThS. NGUYỄN ANH TUẤN Hà Nội, NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS ● Khái niệm về vi cơ điện tử - MEMS Hệ thống vi cơ điện tử-MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là hệ thống tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, bộ kích hoạt và các cấu kiện điện tử, được sản xuất bằng công nghệ micro. Hai dòng sản phẩm chính của công nghệ MEMS là cảm biến (sensor) và bộ kích hoạt (actuator). Sensor tực Sensor gia tốc Sensor vận tốc góc Sensor nhiệt Actuator nhiệt Actuator áp điện Actuator tĩnh điện Actuator hợp kim Sensor Actuator TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS ● Ứng dụng của MEMS TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS ● Định hướng phát triển MEMS TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS ● Vi cảm biến cơ học- Micromechanical Sensor  Định nghĩa Cảm biến vi cơ là một thiết bị tiếp nhận một tín hiệu đầu vào cơ năng và chuyển đổi thành tín hiệu điện.  Phân loại XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH • Lý Thuyết Tĩnh Điện    0 εε = 2 2 0 2 . .2 . )( )( . 2 1         εε −= ∂ ∂ =  Lực pháp tuyến trên bản cực di động: Trong đó: A là diện tích của bản tụ ε là hằng số điện môi của chất điện môi giữa hai bản tụ ε 0 =8,854x10 -12 là hằng số điện môi của chân không x khoảng cách giữa hai bản tụ V điện áp đặt vào (2.1) (2.2)  Điện dung của bản tụ song song: Bản cực cố định Bản cực di động  Lực tiếp tuyến trên bản cực di động (2.3) 2 0 0 . . . 2.      ε ε = Bản cực cố định Bản cực di động Trong đó: h là chiều rộng của bản tụ g 0 là khe hở giữa hai bản tụ V là điện áp đặt vào 0 0       = Từ phương trình (2.2) và (2.3) ta có: Trong đó: y 0 là khoảng chồng lên nhau tại thời điểm đang xét. Nhận xét: F n ≥ F t do y 0 ≥ g 0 XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH  Chuyển vị pháp tuyến 2 0 2 0 . . . . 0 2( )       ε ε − = − ( ) ( ) 0 0 ( ) ln ( )             ϕ εε εε ϕ ϕ ϕ ϕ − + = = − − ∫ 0 1 0 . 3     ∂ < ⇒ < ∂ 2 2 ( 0) 0  ϕ ϕ ∂ = > ∂ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH Phương trình xác định độ chuyển vị cua dầm: (2.4) Trong đó: V là điện áp giữa 2 bản cực g 0 là khe hở ban đầu k là độ cứng của hệ dầm Điều kiện trạng thái ổn định: (2.5)  Chuyển vị góc Công thức tính điện dung theo chuyển vị góc Điều kiện trạng thái ổn định: V X O a-a d ● Mục Đích Của Đề Tài  Thiết kế, tính toán, mô phỏng micro sensor đo lực 3 bậc tự do sử dụng hiệu ứng tĩnh điện.  Nguyên lý hoạt động của micro sensor đo lực dựa vào hiệu ứng tĩnh điện. Lực tác dụng làm thay đổi điện dung giữa các điện cực điện dung thay đổi làm điện áp thay đổi, xác định giá trị điện áp thay đổi tính ngược lại lực tác dụng.  Dựa vào mục đích và nguyên lý trên em đưa ra một số thiết kế sensor đo lực 3 bậc tự do. XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH [...]... -Vp Cc Cf D3 D4 B Cp Cf Cp RF TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO ● Xác định sơ bộ kích thước hình học của sensor Yêu cầu đề tài: Thiết kế sensor kiểu điện dung có kích thước bao 3 3mm 2 Sơ bộ thông số hình học của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (μm) d0 h a a1 a2 w c lx 10 30 30 0 30 0 600 150 100 100 0 ly b 200 10 fix1 fix2 250 800 TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO ● Xác định... 1/ φ0y =11,1 µNm/rad TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO  Xác định kz kz: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc Đặt lực Fz= 1µN vào khối nặng Khối nặng chuyển vị Uzmax Xác định bằng Ansys Uzmax= 0,015µm kz = 1/ Uzmax =66,67 µN/µm TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO  Tính Mx Ta có: Cs =0,42pF 3 2εε 0 a(a2 − a 13 ) N= = 34 4 pF 4 3d 5 5 2εε 0 a( a2 − a1 ) M= = 80 036 6 pF 6 5d Theo (2.51)... Fz=208 ,3 N TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO ● Đề xuất bộ thông số hình học của Sensor Bằng mô phỏng bài toán cấu trúc đã xác định được các hệ số cứng Để tìm được kích thước hợp lí ta thay đổi Đồ thị liên hệ giữa các độ cứng và chiều dài ly như sau: Đồ thị liên hệ giữa momen kz và ly TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Nhận xét: + Dựa vào đồ thị ta có: •Giảm ly thì kφx giảm và kφy... có: φx = ± 0,0143rad Mx = kφx.φx = ±0,074µNm Chuyển vị của bản cực trên ứng với Mx=0,074µNm TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO  Tính My Tương tự ta có: φy = ± 0,0143rad My = kφy.φy = ±0,159µNm Chuyển vị của bản cực trên ứng với My=0,159µNm TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO  Tính Fz Chuyển vị của sensor ∆C.d 0 ∆d = d − d 0 = = 3, 125( µ m) C0 Fz =kz ∆d =208 ,36 μN Chuyển vị... tăng và kφy giảm •Tăng ly thì kz giảm + Theo đồ thị ta có tại ly =33 0μm kφx= kφy và tương đối nhỏ + Điều kiện ổn định: kφ>kφmin Theo đồ thị ta có kφ ≥ kφmin →Tăng độ nhạy của sensor bằng cách giảm chiều rộng b của dầm Đồ thị liên hệ giữa momen kφx (kφy) và ly TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Bộ thông số hình học của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (μm) d0 h a a1 a2 w c lx 10 30 30 0 30 0... fix2 250 800 TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO ● Xác định tần số riêng của hệ dầm Mục đích: để tránh tần số dao động riêng của hệ dầm bằng với tần số của ngoại lực tác dụng gây ra hiện tượng cộng hưởng phá hủy cấu trúc Tần số dao động riêng Theo phương x Kết quả mô phỏng: fx= 833 0Hz Tần số dao động riêng của hệ bản cực trên theo phương x TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Tần số... động riêng theo phương y Kết quả mô phỏng: fy=2204Hz Tần số dao động riêng của hệ bản cực trên theo phương y TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Tần số dao động riêng theo phương z Kết quả mô phỏng: fz=4917Hz  dao động riêng theo phương y là nguy hiểm nhất Tần số dao động riêng của hệ bản cực trên theo phương y TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Tính tần số dao động riêng theo... cực d là khoảng cách sau khi tác dụng lực Fz ∆C là giá trị thay đổi điện dung xác định bằng mạch điện Aεε 0 C0 = d điện dung ban đầu TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO ● Cho một ví dụ sensor có các thông số mạch điện như sau: CR=0 ,32 pF, CP=0,15pF, VP=1,5V, VF=0,5V, C0=CR=0 ,32 pF  Điều kiện ổn định: |∆C| < 1/3C0= 0,107 pF Chọn |∆C|max =0,1pF  Tính toán cho trường hợp ∆C =|∆C|max =0,1pF... lý thuyết tĩnh điện. (cơ sở căn cứ để nghiên cứu nguyên lý hoạt động của sensor kiểu điện dung) * Thiết lập công thức tính lực cho sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (cấu trúc hình chữ thập dầm càng cua) * Sử dụng phần mềm Ansys: + Giải bài toán cấu trúc để đạt độ chính xác cao nhất + Xác định tần số dao động riêng để tránh gây cộng hưởng * Đưa ra chip kích thước 3x3mm sử dụng làm sensor * Đề xuất... được xác định bằng mô phỏng cấu trúc Đặt momen Mx= 1µNm vào khối nặng Khối nặng bị xoay 1 góc φ0x: φ0x= U x max 117 a tan( ) = a tan( ) 4w 600 =0,1926 rad Trong đó: Uymax: là chuyển vị lớn nhất của khối nặng Xác định bằng Ansys Uxmax= 117µm kφx = 1/ φ0x =5,2 µNm/ rad TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO  Xác định kφy kφy: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc Đặt momen My= 1µNm vào khối nặng Khối . HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ RÔBỐT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG Giáo viên hướng dẫn : TS. PHẠM. kế sensor kiểu điện dung có kích thước bao 3 3mm 2. TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO ● Xác định các hệ số cứng của dầm  Xác định k φx k φx : được xác định bằng mô phỏng cấu. thức tính điện dung theo chuyển vị góc Điều kiện trạng thái ổn định: V X O a-a d ● Mục Đích Của Đề Tài  Thiết kế, tính toán, mô phỏng micro sensor đo lực 3 bậc tự do sử dụng hiệu ứng tĩnh điện. 