Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc Mems cấu trúc cài răng lược

Luận văn cao học chuyên ngành vật lý chất rắm Trn c Thnh 3 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học s phạm hà nội 2 Trần Đức Thành Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc mems cấu trúc cài răng lợc Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 07 Luận văn thạc sĩ vật lý Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Đinh Văn Dũng Luận văn cao học chuyên ngành vật lý chất rắm Trn c Thnh 4 Hà Nội, 2009 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học s phạm hà nội 2 Trần Đức Thành Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc mems cấu trúc cài răng lợc Luận văn thạc sĩ vật lý Hà Nội, 2009 Trần Đức Thành Ngành Vật lý chất rắn Khoá 11 LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m Trần Đức Thành 5 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS 7 1.1. Giới thiệu 7 1.2. Hiệu ứng Coriolis 10 1.3. Nguyên lý chung của các cảm biến đo vận tốc góc kiểu dao động 14 1.4. Một số cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc tiêu biểu 17 1.4.1. Kiểu thanh rĩa 17 1.4.2. Kiểu khung dao động 18 1.4.3. Kiểu vòng xuyến 19 1.4.4. Kiểu cài răng lược 19 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu 20 CHƯƠNG II. XÂY DỰNG CẤU TRÚC CẢM BIẾN 23 2.1. Phát triển cấu trúc 23 2.2. Phương pháp điều khiển dao động kích thích 24 2.3. Độ dịch chuyển bởi lực tĩnh điện vuông góc 28 2.3.1. Độ dịch chuyển vuông góc 28 2.3.2. Hiệu ứng pull-in (ngưỡng kéo) 30 2.4. Bộ chấp hành tĩnh điện cấu trúc cài răng lược 31 2.4.1. Độ dịch theo hướng song song 31 2.4.2. Sự mất ổn định theo hướng vuông góc đối với các răng lược. 32 2.5. Sự tiêu thụ năng lượng trong các bộ chấp hành cài răng lược 35 2.6. Nguyên lý hoạt động của cảm biến 35 2.6.1. Điều khiển dao động kích thích 35 2.6.2. Dao động cảm ứng và thu tín hiệu cảm ứng 36 CHƯƠNG III. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS CẤU TRÚC CÀI RĂNG LƯỢC DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS 37 LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m Trần Đức Thành 6 3.1. Nhiệm vụ bài toán mô phỏng 37 3.2. Cấu trúc chung của bài toán mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS 38 3.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 38 3.2.1.1. Phương pháp giải cho các bài toán khoa học - kỹ thuật 38 3.2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 39 3.2.2. Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 40 3.2.3. Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS 42 3.3. Các tham số đầu vào của bài toán mô phỏng 43 3.4. Chương trình mô phỏng đáp ứng cơ của cảm biến 43 3.5. Xây dựng chương trình mô phỏng đáp ứng chuyển đổi tín hiệu điện 44 CHƯƠNG IV . KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 46 4.1. Điều khiển dao động kích thích 46 4.2. Khảo sát thanh dầm dao động cảm ứng 50 4.3. Khảo sát độ lệch khung trong, ứng suất cực đại và độ thay đổi điện dung theo vận tốc góc 52 4.4. Đề xuất cấu trúc cảm biến 54 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 59 LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m Trần Đức Thành 7 MỞ ĐẦU Thế kỷ 20 đã chứng kiến sự phát triển như vũ bão của các linh kiện vi điện tử có kích thước nhỏ và có mức độ tổ hợp lớn. Xu hướng thu nhỏ kích thước đã được áp dụng trong công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), nó cho phép chế tạo các thiết bị và các linh kiện sensor, actuator có kích thước cỡ micromet. Sang thế kỷ 21 không chỉ các thiết bị điện tử mới có thể thu nhỏ, mà còn các thiết bị cơ học cũng có thể thu nhỏ như các thiết bị MEMS đã được thương mại hóa và đưa ra thị trường. Các thiết bị điện tử không chỉ có một ‘’bộ não’’ vô cùng mạnh mẽ (mạch IC), mà còn có bộ phận để cảm nhận và tăng khả năng quyết định như tai, mắt (sensor) có kích thước micromet và thực hiện chức năng cơ học nào đó được gọi là hệ thống vi cơ điện tử (MEMS ở châu Mỹ, Microsystems hoặc MST ở châu Âu và Micromachines ở Nhật), gọi tắt là hệ vi cơ. Công nghệ MEMS đang được nghiên cứu và sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: Ô tô, hàng không vũ trụ, y học, sinh học, viễn thông v.v…Công nghệ MEMS đã bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 50 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên công nghệ vi cơ khối. Sau đó trên cơ sở công nghệ MEMS nhiều loại linh kiện và thiết bị cơ điện đã được chế tạo: các loại cảm biến quán tính như cảm biến áp suất, cảm biến lực, cảm biến vận tốc góc, cảm biến gia tốc; hệ thống lưu trữ thông tin; hệ thống thông tin liên lạc không dây; hệ thống chuẩn đoán y học v.v… Ở Việt Nam, công nghệ và linh kiện MEMS đã được quan tâm nghiên cứu và phát triển từ cuối những năm 90. Các quan tâm nghiên cứu tập trung vào cả phát triển cấu trúc mới, mô phỏng thiết kế, cải tiến công nghệ và phát triển ứng dụng. Hiện nay đã hình thành một số nhóm nghiên cứu về MEMS thuộc các viện nghiên cứu, các trường Đại học: Viện ITIM – ĐHBK Hà Nội, LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m Trần Đức Thành 8 Viện Vật Liệu, Đại học Công nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà Nội 2 v.v…Những nghiên cứu trước đây về MEMS như cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, con quay vi cơ khung dao động dựa trên điều kiện ăn mòn ướt. Với các thiết bị ăn mòn khô hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đây ở một số phòng thí nghiệm trong nước thì cảm biến đo vận tốc góc cấu trúc cài răng lược, một loại cấu trúc chỉ có thể phát triển trên công nghệ ăn mòn khô lần đầu tiên nghiên cứu tại Việt Nam. Phối hợp với nhóm nghiên cứu về MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội, chúng tôi thực hiện phát triển một cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc cài răng lược phù hợp với điều kiện công nghệ. Luận văn thực hiện xây dựng mô hình lý thuyết cảm biến đo vận tốc góc cài răng lược, từ đó mô phỏng, xác lập các đặc trưng hoạt động của cảm biến bằng phần mềm ANSYS. Từ kết quả mô phỏng, đề xuất chế tạo các cấu trúc cảm biến phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước. Nội dung luận văn bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về cảm biến đo vận tốc góc MEMS. Chương 2: Xây dựng cấu trúc cảm biến. Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc MEMS cấu trúc cài răng lược dựa trên phần mềm ANSYS. Chương 4: Kết quả và thảo luận. LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m Trần Đức Thành 9 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS 1.1. Giới thiệu Hệ thống vi cơ điện tử (Micro Mechanical System) gọi tắt là MEMS ra đời vào những năm 50 của thế kỷ XX, là lĩnh vực phát triển nhanh trong thời gian qua, nó đã tạo ra một cuộc cách mạng về công nghệ và hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho tất cả các ngành công nghiệp. Sự bùng nổ của công nghệ MEMS trong khoảng hai thập niên qua đã và đang kích thích sự phát triển mạnh mẽ các vi cảm biến dựa trên công nghệ vi điện tử. Công nghệ này cho phép giảm kích thước bộ cảm biến nhiều bậc về độ lớn, giảm đáng kể về giá thành chế tạo và cho phép tích hợp nhiều phần điện tử trên cùng một Silic. Dù thời gian phát triển ngắn, nhưng những sản phẩm của nó đã đem lại những lợi ích to lớn cho xã hội và đã khẳng định được tầm quan trọng trong thời đại khoa học và công nghệ hiện nay. Sản phẩm của công nghệ MEMS được ứng dụng vào rất nhiều các lĩnh vực như: Viễn thông, y học, rôbôt, điều khiển tự động, ô tô, máy quay video, dụng cụ thể thao v.v MEMS có các lĩnh vực ứng dụng rộng lớn, không chỉ trong công nghiệp mà còn trong các sản phẩm gia đình thiết yếu với khả năng trở thành một hệ thống toàn diện – SOC (System - on Chip), nhiều chức năng, an toàn, tin cậy và giá rẻ. Lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thiết bị MEMS chính là ngành công nghiệp ô tô với thiết bị đầu tiên ứng dụng công nghệ MEMS là gia tốc kế túi khí với kích thước chỉ bằng tinh thể hạt đường. Ngoài lợi thế về kích thước, gia tốc kế túi khí còn làm giảm đáng kể giá thành. Gia tốc kế túi khí đang được sản xuất với số lượng trên 40 triệu thiết bị mỗi năm và không chỉ dừng ở đó, nó còn đang được nghiên cứu để có các chức năng thông minh như có đáp ứng riêng đối với các lái xe có khổ người và cân nặng khác nhau. Luận văn cao học chuyên ngành vật lý chất rắm Trn c Thnh 10 Trong lnh vc ụ tụ, cỏc thit b MEMS khỏc ch yu nhm vo ch an ton, an ninh hay theo dừi mụi trng, vớ d nh: o lng nhiờn liu, t ng ghỡm dõy bo him, h thng khoỏ ca da trờn sinh trc hc hay RFID, h thng nh v GPS. Cm bin o gia tc cú doanh s bỏn hng ln th hai trong cỏc sn phm ca MEMS, ch ng sau cm bin ỏp sut. Doanh s bỏn hng cm bin ny t ti 40 triu USD nm 2004. Cỏc cm bin ny ch yu s dng trong cụng nghip, ú chỳng c s dng kớch hot cỏc h thng an ton. Tuy nhiờn cm bin o gia tc cng c s dng trong phm vi ln do chỳng cú u th v kớch thc nh v giỏ thnh ch to thp. Chỳng c s dng trong y hc iu khin hot ng, trong cỏc h lm n nh chng rung ca cỏc mỏy quay camera, cỏc thit b th thao, ng dng trong cụng nghip nh ch to rụ bt, trong cỏc b iu khin chng rung, ng dng trong quõn s v.v Cựng vi cm bin o gia tc, cỏc cm bin o vn tc gúc MEMS l cm bin cú t phn ln trong cỏc sn phm MEMS, mt trong cỏc loi da trờn silic. Cm bin do vn tc gúc MEMS c c tớnh s to ra giỏ tr khong 800 triu USD vo nm 2010 vi phm vi ng dng rt ln [1], [12]. Chỳng cú th c s dng trong iu khin t ng, chng hn nh h thng chng xoay, h thụng tin dn nh hng trong GPS v trong cỏc h iu khin s n nh cho cỏc h in t. Ngoi ra, trong nhiu thit b dõn dng cng cú ng dng cm bin ny, chng hn trong cỏc mỏy quay xỏch tay, cỏc mỏy quay camera, trong cỏc in thoi di ng (chỳng c s dng lm cỏc b n nh cho cỏc thit b trờn), cỏc thit b in t xỏch tay v.v Cỏc ng dng quan trng khỏc ca cỏc cm bin o vn tc gúc cú th tỡm thy trong lnh vc quõn s, hng khụng v tr, rụbụt v ng dng trong y t. Trờn quan im giỏ thnh sn phm, nng lng tiờu th v hiu qu sn xut, cỏc cm bin o vn tc gúc ũi hi tớch hp cụng ngh phc tp LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m Trần Đức Thành 11 như các cảm biến vòng xuyến lase, cảm biến quang sợi là khó đáp ứng được yêu cầu sử dụng số lượng lớn của các cảm biến đo vận tốc góc [10]. Vì vậy, các nghiên cứu về các cảm biến đo vận tốc góc với rất nhiều loại cấu trúc khác nhau và nguyên lý hoạt động khác nhau được báo cáo. Hình 1.1. Thống kê về thị phần và doanh thu sản phẩm MEMS trên thế giới từ báo cáo của "Yolé Développment" tháng 04 năm 2005. Con quay vi cơ là một loại cảm biến cơ học đo vận tốc góc, dùng để nhận biết tín hiệu của sự quay, nói một cách khác nó cho phép ta đo được tốc độ quay của vật thể theo một phương nào đó trong không gian. Với một con quay ba chiều hoặc ba con quay một chiều, ta có thể xác định được gia tốc ba chiều của vật thể, từ đó ta sẽ biết được nó đang hướng đến đâu và thay đổi hướng chuyển động như thế nào trong không gian. Dụng cụ này cho phép xác Cảm biến quán tính 22% Bộ chấp hành khác 5% MEMS quay 22% Cảm biến dòng chảy 27% RF MEMS 3% Cảm biến công suất 11% Cảm biến khác 10% Cảm biến gia tốc Cảm biến vận tốc góc LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m Trần Đức Thành 12 định được tốc độ của vật thể quay đặt trong không gian quán tính, dựa trên hiệu ứng Coriolis. 1.2. Hiệu ứng Coriolis Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong hệ quy chiếu quay so với hệ quy chiếu quán tính. Khi vật đứng yên trong hệ quy chiếu quay thì chịu tác dụng của lực quán tính li tâm. Nếu vật chuyển động trong hệ quy chiếu này thì còn chịu tác dụng của một lực quán tính khác nữa, lực quán tính Coriolis hay gọi tắt là lực Coriolis (Fc). Lực Coriolis phụ thuộc vào vận tốc góc  của hệ quy chiếu quay, vào vận tốc 'v của vật đối với hệ quy chiếu quay và luôn vuông góc với vectơ vận tốc đó. Ta có thể hình dung lực Coriolis thông qua một mô hình như sau: Một bàn xoay có thể xoay quanh một trục thẳng đứng đi qua tâm, một quả bóng được đặt tại tâm của bàn xoay. Vạch trên đĩa một bán kính OA, theo hướng từ O đến A. Ta cho quả cầu lăn với vận tốc v’. Nếu bàn không quay thì quả cầu lăn dọc theo bán kính OA (hình 1.2). Nếu bàn quay theo hướng mũi tên chẳng hạn, thì quả cầu lăn theo đường cong OA’ (đường chấm chấm) nghĩa là vận tốc 'v thay đổi hướng đối với bàn quay. Chuyển động cong của quả cầu trên mặt bàn xảy ra phải là do một lực nào đó gây ra tác dụng vuông góc với vận tốc 'v . Lực này là lực quán tính Coriolis. Hình 1.2. Khi đĩa quay, quỹ đạo của bóng lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu . Bóng Tâm của bàn xoay Bàn xoay Hướng chuyển động của bóng Quỹ đạo của bóng trên bàn xoay Hướng xoay của bàn O A A' [...]... Cụng ngh v linh kin MEMS ó c quan tõm, nghiờn cu, phỏt trin Vit Nam trong khong hn 10 nm gn õy Cỏc quan tõm, nghiờn cu tp trung vo c phỏt trin cu trỳc mi, mụ phng thit k, ci tin cụng ngh v phỏt trin ng dng Hin nay, ó hỡnh thnh mt s nhúm nghiờn cu v MEMS thuc cỏc vin nghiờn cu, cỏc trng i hc: Vin ITIMS HBK H Ni, Vin vt liu, i hc Cụng Ngh H Ni, HSP H Ni 2 v.v Cỏc nghiờn cu trc õy v MEMS ó c cụng b trong... chuyên ngành vật lý chất rắm cu trỳc tng t v cm bin o vn tc gúc MEMS, cú th tham kho cỏc ti liu [10], [11], [15] Bn in cc cm ng Lũ xo cm ng Hỡnh rng lc truyn ng Lũ xo truyn ng Cht Khung cm ng Phng truyn ng Hỡnh 1.10 Cu trỳc ci rng lc 1.5 t vn nghiờn cu Trong nhng nm gn õy, vi s h tr mnh m ca cụng ngh in t v cụng ngh tin hc, cụng ngh MEMS ó cú nhng bc phỏt trin to ln Cụng ngh ch to cỏc cm bin núi... cụng ngh n mũn t Vi cỏc h thit b n mũn khụ hin i mi c u t thi gian gn õy, cỏc cu trỳc linh kin MEMS phc tp ó c cỏc nhúm nghiờn cu trong nc quan tõm Cm bin o vn tc gúc cu trỳc ci rng lc, mt loi cu trỳc ch cú th phỏt trin trờn cụng ngh n mũn khụ, ln u tiờn c phỏt trin nghiờn cu Vit Nam Phi hp vi cỏc nghiờn cu v MEMS Vin ITIMS HBK H Ni, da trờn iu kin cụng ngh hin cú Vin ITIMS, chỳng tụi thc hin vic... Phỏt trin cu trỳc ti ny l mt trong nhng nghiờn cu u tiờn v cm bin o vn tc gúc cu trỳc ci rng lc Vit Nam, ch cú th phỏt trin trờn cụng ngh n mũn khụ ch to linh kin chỳng tụi ó phi hp vi nhúm nghiờn cu MEMS Vin ITIMS HBK H Ni Nhng yờu cu t ra cho nghiờn cu th nghim: Loi cu trỳc: Khụng quỏ phc tp cú th thun li hn trong cụng ngh ch to Cu trỳc cú th d dng ci tin cho phự hp vi iu kin cụng ngh Cu trỳc . giáo dục và đào tạo Trờng đại học s phạm hà nội 2 Trần Đức Thành Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc mems cấu trúc cài răng lợc. giáo dục và đào tạo Trờng đại học s phạm hà nội 2 Trần Đức Thành Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc mems cấu trúc cài răng lợc. 1: Tổng quan về cảm biến đo vận tốc góc MEMS. Chương 2: Xây dựng cấu trúc cảm biến. Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc MEMS cấu trúc cài răng lược dựa trên phần