Mô phỏng đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện của cảm biến áp suất MEMs kiểu điện dung dưới tải áp suất

Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khoá luận tốt nghiệp với đề tài: “ Mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dụng tải áp suất”, tác giả thường xuyên nhận giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi bảo tận tình thầy cô khoa vật lý, đặc biệt thầy giáo- tiến sỹ Đinh Văn Dũng giáo viên hướng dẫn trực tiếp Tác giả khoá luận xin bày tỏ biết ơn giửi lời cảm ơn trân trọng tới thầy cô Do lực nghiên cứu có hạn khoá luận chắn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong bảo, góp ý thầy cô giáo bạn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 19 tháng năm 2009 Tác giả khoá luận Nguyễn Thị Trà My Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết nghiên cứu khoá luận trung thực Khoá luận chưa công bố công trình Nếu lời cam đoan sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 19 tháng năm 2009 Tác giả khoá luận Nguyễn Thị Trà My Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Thế giới phát triển theo xu hướng quốc tế hoá, toàn cầu hoá nên cần phải không ngừng học tập, nâng cao trình độ Việt Nam nước phát triển không nằm vòng xoáy phát triển khoa học công nghệ Là sinh viên Việt Nam, cần phải nhạy bén nắm bắt thời không bị tụt hậu so với nước phát triển giới, có đủ hành trang để bước vào đời Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật mang lại nhiều thành tựu, hàng loạt nguyên liệu đời thay cho nguyên vật liệu thô sơ Đặc biệt đời thiết bị điện tử coi phát minh quan trọng người Trong sống đại thời nay, thiết bị điện tử thiết bị thiếu được, góp phần làm cho sống ngày tiện lợi, hoàn thiện Gần đây, công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện linh kiện điện phát triển mạnh, thường gọi công nghệ chế tạo vi điện tử- MEMS Công nghệ MEMS có nhiều ứng dụng thực tế, ứng dụng quan trọng chế tạo cảm biến có kích thước ngày thu nhỏ Là sinh viên khoa Vật lý, nhận thấy tiềm lớn công nghệ MEMS muốn sâu vào tìm hiểu nó, hướng dẫn thầy Đinh Văn Dũng, ủng hộ thầy cô khoa, tác giả khoá luận lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ Mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung tải áp suất” Mục đích nghiên cứu Mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung tải áp suất Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp Đối tượng nghiên cứu Cảm biến áp suất MEMS Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung - Mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến - Kết thảo luận Phạm vi nghiên cứu Mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung tải áp suất Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tra cứu tài liệu, mô phỏng, thảo luận đánh giá Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS 1.1 Việc đo tín hiệu áp suất kỹ thuật Áp suất tác động biến số tượng liên quan đến chất lỏng chất khí, thông số quan trọng nhiều lĩnh vực nhiệt động học, khí động lực học, âm học, học chất lỏng v.v Trong số ngành công nghiệp khác nhau, cảm biến áp suất ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp lượng Vì thiết bị cung cấp lượng thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân cần phải đo theo dõi áp suất cách liên tục, áp suất vượt giới hạn ngưỡng làm hỏng bình chứa đường ống dẫn, thập chí gây nổ làm thiện hại nghiêm trọng đến sở vật chất tính mạng người Áp suất thông số quan trọng can thiệp vào việc kiểm tra điều khiển phận máy móc tự động người điều khiển Ví dụ hoạt động người máy việc đo áp suất đóng vai trò quan trọng Trong trường hợp này, áp suất đo trực tiếp khiên chế đo gián tiếp để thay cho xúc giác người ( da nhân tạo ) cần xác định hình dạng hay lực cần nắm vật Tất hoạt động cần đến nhiều công cụ có cảm biến áp suất mắt xích Các cảm biến cung cấp liệu liên quan đến áp suất khí nén, nước, dầu nhờn chất lỏng khác nhằm xác định vận hành cấu, hệ thống, máy móc Trên thực tế, nhu cầu đo áp suất đa dạng đòi hỏi cảm biến đo áp suất phải đáp ứng cách tốt cho trường hợp cụ thể Chính cảm biến đo áp suất chất lưu đa dạng Với phát triển khoa học công nghệ, đặc biệt công nghệ vi điện tử giúp cho công Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp nghệ MEMS có bước phát triển mạnh mẽ mở nhiều kỹ thuật đạt thành tựu đáng kể Công nghệ MEMS không bó hẹp loại cảm biến mà phát triển ứng dụng nhiều lĩnh vực cảm biến khác Vì cảm biến áp suất chế tạo dựa công nghệ MEMS 1.2 Giới thiệu cảm biến đo áp suất dựa công nghệ MEMS Các vi cảm biến sử dụng silic làm vật liệu đế chế tạo kỹ thuật công nghệ vi Với khả đặc biệt công nghệ chế tạo cho phép chế tạo linh kiện có kích thước ngày nhỏ, độ xác cao, có quy mô hàng loạt với chất lượng tương đối đồng phiến silic Có nhiều hệ chủng loại cảm biến phát triển sử dụng dùng để đo áp suất chất lưu cảm biến áp điện, cảm biến áp từ, cảm biến áp trở, cảm biến điện dung v.v… Các cảm biến thực theo nguyên lý chuyển đổi tín hiệu cơ- điện Dưới tác dụng tải học đầu vào, phần tử nhạy sensor bị biến dạng Một cấu trúc điện thích hợp tích hợp phần tử nhạy để cảm nhận biến dạng chuyển đổi thành tín hiệu điện lối Như vậy, ta xem cấu trúc sensor áp suất gồm hai phần: phần học phần điện tử  Cấu trúc học: thường có dạng màng đồng phẳng, màng có tâm cứng  Phần điện tử: dựa hiệu ứng vật lý hiệu ứng áp điện trở, hiệu ứng áp điện, phương pháp điện - Hiệu ứng áp điện trở thay đổi điện trở vật liệu có tác dụng vào vật liệu Dựa vào hiệu ứng này, người ta chế tạo cảm biến áp suất kiểu điện trở Thông thường việc chuyển đổi thực dạng hiệu điện chênh lệch thu qua cầu điện trở biến cầu điện trở Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp - Một số vật liệu có tính chất đặc biệt bị biến dạng, bề mặt đối diện xuất diện tích trái dấu Đó hiệu ứng áp điện ứng dụng để sản xuất cảm biến áp suất kiểu áp điện Lượng điện tích lớn vật liệu chịu biến dạng học nhiều Một mạch khuếch đại điện tích kết hợp cho phép khuếch đại tín hiệu lối dạng hiệu điện thế, thu sử lý dễ dàng tín hiệu - Dựa vào phương pháp điện dung phần tử nhạy bị uốn cong làm cho điện dung thay đổi Hoàn toàn thu xử lý tín hiệu nhờ mạch tích hợp đế silic 1.3 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung 1.3.1 Cấu trúc d Đ? c? d?nh Màng m?ng Tâm c? ng C Màng m?ng Cảm biến áp suất có cấu trúc gồm màng silic mỏng có tâm cứng có biên gắn cố định với chân đế Màng mỏng dễ bị uốn cong có tác dụng áp suất ( phần tử nhạy ) Trên mặt phẳng màng có cấy điện cực đế cố định có gắn điện cực tương ứng, hai điện cực có khe hẹp để tạo thành tụ điện Như vậy, tụ điện có cố định ( đế ) dịch chuyển chịu tác dụng áp suất 1.3.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến đo áp suất kiểu điện dung Khi chịu tác dụng áp suất, phần tử nhạy bị uốn cong làm cho khoảng cách hai tụ thay đổi, điện dung tụ thay đổi theo Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp Một tụ điện phẳng gồm hai cực diện tích S, cách khoảng cách d, điện môi hai cực có số điện môi ε có điện dung là: C S (1.1) k 4d (k=9.109 m/F ) Δd: Khoảng cách hai tụ Với áp suất định, màng cảm biến bị uốn cong tới vị trí xác định Độ dịch chuyển cực động tụ điện dung tụ điện có giá trị xác định tương ứng với áp suất Thông qua việc xác định điện dung C tụ, hoàn toàn xác định áp suất tác dụng lên màng Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG ĐẶC TRƯNG CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU ĐIỆN 2.1 Giới thiệu ANSYS ANSYS (Analysis Systems ) gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ( Finite Element Analysis, FEA ) hoàn chỉnh dùng để mô phòng, tính toán thiết kế công nghiệp, sử dụng giới hầu hết lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện tử, tương tác môi trường, hệ vật lý Trong hệ tính toán đa ANSYS, toán kỹ thuật giải phương pháp PTHH lấy chuyển vị làm gốc (phương pháp chuyển vị) Để có nhìn toàn cảnh cấu trúc tính ANSYS, ta diễn đạt sơ đồ: Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp Tạo mô hình tính Khai thác thuộc tính vật liệu: E, Nu, K… Tạo mô hình hình học: thể tích, diện tích, đường, điểm Tạo mô hình PTHH: chia lưới nào? Tính toán Đặt tải: tải tập trung, tải bề mặt, tải vật thể, tải quán tính Giải Xử lý kết Khai thác: -Kết thông thường -Kết theo thời gian Kiểm tra đánh giá kết quả: - Vị trí ứng suất cực đại đâu? - Giá trị ứng suất có vượt giới hạn đàn hồi? Sơ đồ cho ta nhìn tổng quát cấu trúc tính ANSYS, gồm ba phần chính: tạo mô hình tính, tính toán xử lý kết Ngoài ba bước tính trên, trình phân tích toán ANSYS phải kể đến trình chuẩn bị trình định hướng cho tính Trong qua trình này, ta cần định hướng xem toán ta giải dùng kiểu phân tích ( kết cấu, nhiệt hay điện từ ), mô hình hoá (đối Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 10 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp - Phương pháp ứng suất ( phương pháp tĩnh học ): ứng suất ( lực, mômen ) ẩn số Hàm xấp xỉ biểu diễn gần trường ứng suất, dùng nguyên lý công bù - Phương pháp hỗn hợp: số đại lượng chuyển vị số đại lượng ứng suất ẩn Phương pháp PTHH lấy chuyển vị làm gốc đáp ứng xác điều kiện (1), (2) thoả mãn tương đối ràng buộc (3) Phương pháp PTHH lấy ứng suất làm gốc đáp ứng xác điều kiện (1), (3) thoả mãn tương đối ràng buộc (2)  Trình tự phân tích toán theo phương pháp phần tử hữu hạn: - Bước 1: Rời rạc hoá miền khảo sát:     e , số điểm nút lấy tuỳ thuộc yêu cầu độ xác theo hàm xấp xỉ chọn Các phần tử chia thành: phần tử chiều, hai chiều, ba chiều - Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp, đơn giản dễ tính toán máy tính: dùng dạng đa thức Biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị ( đạo hàm ) nút phần tử - Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử ( xác định ma trận độ cứng [K]e phần tử), vectơ tải {F}e dựa vào nguyên lý lượng dừng (công khả dĩ) [K]e {q}e = {F}e - Bước 4: Lắp ghép phần tử: Hệ phương trình toàn kết cấu: [K] {q} = {F} [K]- Ma trận độ cứng tổng thể {q}- Vectơ bậc tự (vectơ chuyển vị nút tổng thể) {F}- Vectơ tải tổng thể Áp dụng điều kiện biên, ta được: [K*]* {q*}* = {F*}* → hệ phương trình hệ thống: [K*] {q* } = {F* } Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 14 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp - Bước 5: Giải hệ phương trình hệ thống tìm chuyển vị nút tổng thể q → Bảng ghép nối phần tử → chuyển vị nút qe phần tử - Bước 6: Tiếp tục tìm trường (ứng suất, biến dạng) lại toán Sơ đồ tính toán phương pháp PTHH: - Đọc, kiểm tra, tổ chức liệu Toạ độ nút Thông tin ghép nối phần tử Tải trọng tác dụng Điều kiện biên Xây dựng ma trận độ cứng K vectơ tải trung F - Xây dựng ma trận k vectơ f phần tử - Thực ghép nối để K F cho hệ Giải hệ phương trình Kq = F - Nhập điều kiện biên (biến đổi K F) - Giải hệ phương trình PTHH để tìm q In kết - Tính toán đại lương khác - In kết (bảng số, đồ thị…) 2.3 Xây dựng chương trình mô 2.3.1 Tính chất vật liệu silic Ở nhiệt độ 8000C, vật liệu silic biến dạng dư dão mỏi Các sensor silic hoạt động với tần số lên đến hàng trăm triệu chu kì mà không kèm theo trễ học Bởi cấu trúc nhạy sử dụng silic làm phần tử tích cực đặc biệt hiệu trường hợp Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 15 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp tải tuần hoàn Về phương diện vật liệu silic xem “siêu vật liệu” Người ta giải thích khả đặc biệt silic hấp thụ lượng sinh nhiệt silic nhiệt độ phòng Tuy nhiên, đơn tinh thể silic giòn, nên có ứng suất vượt giới hạn đàn hồi đặt vào nhanh chóng chuyển sang miền biến dạng dư đứt gãy Như mặt biến dạng, thép có khả tạo biến dạng lớn so với silic kích thước Ở nhiệt độ phòng, vật liệu có modun đàn hồi lớn Si, SiO2, Si3N4 thường thể tính đàn hồi tốt có biến dạng nhỏ chuyển nhanh đến đứt gãy có biến dạng lớn Biến dạng dư kim loại xuất phát sinh lệch mạng gây ứng suất biên hạt chuyển lệch mạng đó, dẫn tới dịch chuyển nội hạt bên vật liệu tạo độ lệch vĩ mô vật liệu Nhưng biên hạt tồn đơn tinh thể silic Vì vậy, biến dạng dư silic xuất di chuyển khuyết tật có mặt mạng tinh thể, khuyết tật xuất bề mặt Trong đơn tinh thể silic, số lượng khuyết tật thấp, nên vật liệu xem hoàn toàn đàn hồi phạm vi nhiệt độ phòng Tính chất đàn hồi hoàn hảo kéo theo tỉ lệ thuận ứng suất biến dạng, tải độ lệch loại bỏ tính trễ học vật liệu Ở nhiệt độ lớn 8000C, độ linh động khuyết tật tăng lên đáng kể, vật liệu silic thể tính chất dẻo Ngoài ra, vật liệu silic có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ Vì xem ảnh hưởng nhiệt độ đến giãn nở mạng silic không đáng kể Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 16 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp 2.3.2 Các thông số kích thước Bảng 1: Các thông số vật lý Hằng số điện môi không khí F/m  3,14 Hằng số k 9.109 m/F Số Bảng 2: Các thông số hình học cảm biến áp suất Chiều rộng màng 3000 micromet Bề dày màng 20 micromet Bề dày tâm cứng 100 micromet Chiều dài tâm cứng 2000 micromet Chiều rộng tâm cứng 2000 micromet Xác định độ lệch màng chịu tác dụng áp suất có giá trị khoảng từ  10 với bước nhảy Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 17 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Phần mềm ANSYS cho phép mô cấu trúc cảm biến áp suất với tham số đầu vào bảng bảng 2, xác định tham số vật lý khác ta đặt điều kiện biên cho cấu trúc Theo công thức (1.1) ta xác định điện dung tụ điện biết diện tích tụ, khoảng cách hai tụ giá trị áp suất, với số điện môi Từ đó, ta tìm mối liên hệ điện dung với áp suất Trong luận văn này, điều xây dựng mô hình cảm biến, đặt thông số đầu vào, điều kiện biên, áp suất (dựa ANSYS) Rồi dựa ANSYS để tìm độ lệch cực đại tác dụng áp suất khác nhau, sau tính giá trị điện dung tương ứng cảm biến chịu tác dụng áp suất (được mô tả đồ thị) 3.1 Độ lệch màng tải áp suất 3.1.1 Đồ hoạ độ lệch, phân tích (Hình 2.a) Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 18 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp ( Hình 2.b ) Khi chịu tác dụng áp suất, màng bị biến dạng Áp suất tác dụng lớn độ lệch cực đại màng tăng Dựa vào phương pháp điện dung phần tử nhạy bị uốn cong làm cho điện dung thay đổi, người ta cấy lên màng điện cực điện cực tương ứng khác đế cố định để tạo thành tụ điện Với giá trị khác áp suất tác dụng cho giá trị độ lệch cực đại màng khác Vì vậy, với giá trị áp suất khoảng cách hai tụ có giá trị tương ứng, dựa vào công thức (1.1) ta có giá trị tương ứng điện dung Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 19 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp 3.1.2 Đồ thị phụ thuộc độ lệch cực đại vào áp suất DMX (m) 779,187 623,35 467,52 311,675 155,837 10 p (atm) Kết mô phụ thuộc độ lệch cực đại với áp suất tác dụng pz minh hoạ hình 2.a hình 2.b Từ đồ thị, ta thấy độ lệch cực đại áp suất có mối quan hệ tuyến tính Điều có nghĩa kết mô phù hợp với lý thuyết Dưới tác dụng áp suất p= 10atm, độ lệch cực đại 779,187micromet nên chế tạo khoảng cách giũa hai tụ 1000micromet, nghĩa cảm biến áp suất không bị đánh thủng khoảng áp suất khoảng từ (atm) đến 10 (atm) Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 20 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp -8 Cx 10 (F) 3.2 Đặc trưng độ biến thiên điện dung tải áp suất 16,0 9,39 6,65 5,14 4,19 3,54 10 p (atm) Đồ thị biểu diễn mối quan hệ p C có dạng đường hypebol Như ta biết, áp suất tác dụng tăng độ lệch màng tăng Theo công thức (1.1), ta thấy điện dung C phụ thuộc vào khoảng cách hai tụ Δd Mà Δd = - dmax → Khi dmax tăng Δd giảm, theo công thức (1.1) ta có điện dung C tăng Nếu dmax tăng đến giá trị tụ bị chập Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 21 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp KẾT LUẬN Kết đạt từ đề tài cho phép ta rút số kết luận sau: - Đã tìm hiểu hệ thống hoá kiến thức cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung tải áp suất - Đã mô độ lệch màng làm sở cho việc xác định thay đổi điện dung chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất - Đã mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 22 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Đinh Văn Dũng (2004), Nghiên cứu chế tạo cảm biến vi sở hiệu ứng áp trở, Luận văn thạc sĩ Vật lý Đinh Quang Hà (2004), Nghiên cứu mô hoạt động vi cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở xác trình xây dựng công nghệ chế tạo thử nghiệm, Luận văn thạc sĩ Vật lý chất rắn Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS mô số công nghệ phần tử hữu hạn, NXB Khoa học- Kỹ thuật Hà Nội Phạm Văn So (2004), Thiết kế chế tạo tensơr áp suất kiểu áp trở sở công nghệ vi hệ thống điện tử MEMS, Đồ án tốt nghiệp Đinh Bá Trụ (2000), Hướng dẫn sử dụng ANSYS, NXB Khoa học- Kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 23 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp PHỤ LỤC MÃ NGUỒN CỦA TRƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG /title,pressure sensor /units, user_micromet !chieu dai theo micromet *SET,p11,6.5E-5 *SET,p12,-1.1E-5 *SET,p44,138.1E-5 *set,c11,1.674e5 *set,c12,0.652e5 *set,c44,0.796e5 Dpoly=2.329e-15 /prep7 LOCAL,11 LOCAL,12,,,,,45 ! Vat lieu Si ap tro et,1,solid226,101 si1=1 mp,dens,si1,Dpoly mp,rsvx,1,7.8e-8 mp,rsvy,1,7.8e-8 mp,rsvz,1,7.8e-8 TB,PZRS,1 TBDATA,1,p11,p12,p12 TBDATA,7,p12,p11,p12 TBDATA,13,p12,p12,p11 Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 24 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp TBDATA,22,p44 TBDATA,29,p44 TBDATA,36,p44 tb,anel,1,1 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 ! Vat lieu Si de et,2,solid186 si2=2 mp,dens,si2,Dpoly !mp,rsvx,si2,7.8 !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=3000 !chieu rong mang ( ) la=a wa=a d=20 d1=100 !be day mang !be day tam cung Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 25 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp !tam cung a1=2000 a2=a1 !chieu dai !chieu rong CSYS,11 !Ve mang co tam cung rectng,-la/2,la/2,-wa/2,wa/2 !Mat chinh cua mang y (1) rectng,-a1/2,a1/2,-a2/2,a2/2 !Tam cung cua mang x (2) !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) !Lam trung cac the tich giao vovlap,all !(chu y, ten cac the tich co the bi thay doi) vsel,all !Chia luoi esys,12 !Chia luoi mang type,2 mat,2 mshape,1,3-D esize,2*d/1 !phan mang vmesh,5,5,1 esize,2*d/1 !phan mang tren tam cung vmesh,3,3,1 esize,(d1-d)/1 !phan tam cung vmesh,4,4,1 Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 26 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp ksel,all nsel,all esel,all nummrg,kp,5e-8 nummrg,elem,5e-8 nummrg,node,5e-8 nummrg,all fini !============================================= /solu antype,stat,new !dieu kien bien ! nsel,s,loc,x,-a/2,-a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 nsel,s,loc,x,a/2,a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 nsel,s,loc,y,-a/2,-a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 nsel,s,loc,y,a/2,a/2 d,all,ux,0 Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 27 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp d,all,uy,0 d,all,uz,0 ksel,all nsel,all esel,all vsel,all allsel,all !Dat tai ap suat asel,s,loc,z,0,0 sfa,all,,pres,6 !giai bai toan allsel,all solve fini /post1 Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 28 [...]... việc xác định sự thay đổi điện dung trong chuyển đổi tín hiệu cơ điện của cảm biến áp suất - Đã mô phỏng được đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện của cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 22 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Đinh Văn Dũng (2004), Nghiên cứu chế tạo cảm biến vi cơ trên cơ sở hiệu ứng áp trở, Luận văn thạc sĩ... suất Trong luận văn này, điều đầu tiên là xây dựng mô hình của cảm biến, đặt các thông số đầu vào, điều kiện biên, áp suất (dựa trên ANSYS) Rồi dựa trên ANSYS để tìm độ lệch cực đại dưới tác dụng của áp suất khác nhau, sau đó tính được giá trị điện dung tương ứng khi cảm biến chịu tác dụng của áp suất (được mô tả bằng đồ thị) 3.1 Độ lệch màng dưới tải áp suất 3.1.1 Đồ hoạ độ lệch, phân tích (Hình 2.a)... tác dụng của áp suất, màng sẽ bị biến dạng Áp suất tác dụng càng lớn thì độ lệch cực đại của màng càng tăng Dựa vào phương pháp điện dung là khi phần tử nhạy bị uốn cong sẽ làm cho điện dung thay đổi, người ta cấy lên trên màng một điện cực và một điện cực tương ứng khác trên đế cố định để tạo thành một tụ điện Với giá trị khác nhau của áp suất tác dụng sẽ cho các giá trị của độ lệch cực đại của màng... phép mô phỏng cấu trúc cơ bản của cảm biến áp suất với các tham số đầu vào bảng 1 và bảng 2, và xác định các tham số vật lý khác khi ta đặt điều kiện biên cho cấu trúc Theo công thức (1.1) ta xác định được điện dung của tụ điện khi biết được diện tích của bản tụ, khoảng cách giữa hai bản tụ tại mỗi giá trị áp suất, cùng với hằng số điện môi Từ đó, ta tìm được mối liên hệ giữa điện dung với áp suất. .. đại với áp suất tác dụng pz được minh hoạ trên hình 2.a và hình 2.b Từ đồ thị, ta thấy độ lệch cực đại và áp suất có mối quan hệ tuyến tính Điều này có nghĩa kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết Dưới tác dụng của áp suất p= 10atm, độ lệch cực đại là 779,187micromet nên có thể chế tạo khoảng cách giũa hai bản tụ là 1000micromet, nghĩa là cảm biến áp suất sẽ không bị đánh thủng trong khoảng áp suất trong... giảm, theo công thức (1.1) ta có điện dung C sẽ tăng Nếu dmax tăng đến giá trị do thì tụ sẽ bị chập Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 21 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp KẾT LUẬN Kết quả đạt được từ đề tài cho phép ta rút ra một số kết luận sau: - Đã tìm hiểu và hệ thống hoá kiến thức về cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung dưới tải áp suất - Đã mô phỏng được độ lệch màng làm cơ... cứu mô phỏng hoạt động của vi cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở và xác quá trình xây dựng công nghệ chế tạo thử nghiệm, Luận văn thạc sĩ Vật lý chất rắn 3 Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS và mô phỏng số trong công nghệ bằng phần tử hữu hạn, NXB Khoa học- Kỹ thuật Hà Nội 4 Phạm Văn So (2004), Thiết kế và chế tạo tensơr áp suất kiểu áp trở trên cơ sở công nghệ vi hệ thống cơ điện tử MEMS, ... Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp -8 Cx 10 (F) 3.2 Đặc trưng độ biến thiên điện dung dưới tải áp suất 16,0 9,39 6,65 5,14 4,19 3,54 0 2 4 6 8 10 p (atm) Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa p và C có dạng đường hypebol Như ở trên ta đã biết, khi áp suất tác dụng tăng thì độ lệch của màng cũng tăng Theo công thức (1.1), ta thấy điện dung C phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai bản tụ Δd Mà Δd = do... kích thước Bảng 1: Các thông số vật lý Hằng số điện môi của không khí 1 F/m  3,14 Hằng số k 9.109 m/F Số Bảng 2: Các thông số hình học của cảm biến áp suất Chiều rộng màng 3000 micromet Bề dày màng 20 micromet Bề dày tâm cứng 100 micromet Chiều dài tâm cứng 2000 micromet Chiều rộng tâm cứng 2000 micromet Xác định độ lệch của màng khi chịu tác dụng của áp suất có giá trị trong khoảng từ 0  10 với bước... giá trị của áp suất thì khoảng cách giữa hai bản tụ sẽ có giá trị tương ứng, dựa vào công thức (1.1) ta sẽ có giá trị tương ứng của điện dung Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm Vật lý 19 Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp 3.1.2 Đồ thị sự phụ thuộc độ lệch cực đại vào áp suất DMX (m) 779,187 623,35 467,52 311,675 155,837 0 2 4 6 8 10 p (atm) Kết quả mô phỏng về sự phụ thuộc của độ lệch ... thức cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung tải áp suất - Đã mô độ lệch màng làm sở cho việc xác định thay đổi điện dung chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất - Đã mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu. .. hiệu điện cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung tải áp suất Mục đích nghiên cứu Mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung tải áp suất Nguyễn Thị Trà My- K31A Sư Phạm... luận Phạm vi nghiên cứu Mô đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung tải áp suất Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tra cứu tài liệu, mô phỏng, thảo luận đánh giá