Mô phỏng đặc trưng đáp ứng cơ của cảm biến áp suất mems màng chữ nhật phẳng dưới tải áp suất

Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang mở đầu Lý chọn đề tài Ngày khoa học công nghệ phát triển, đặc biệt khoa học Vật lý ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: Kinh tế - xã hội, giáo dục, phương tiện dạy học đại áp dụng ngày phổ biến giáo dục - đào tạo, phương tiện dạy học đưa vào cấp học từ: phổ thông, cao đẳng, đại học Đặc biệt giai đoạn phát triển kinh tế hội nhập, giáo dục hiểu phúc lợi xã hội, sản phẩm kéo theo kinh tế - xã hội Giáo dục chìa khoá mở cửa cho đất nước vào tương lai Việc ứng dụng khoa học công nghệ, khoa học Vật lý vào phương tiện dạy học đại giúp nâng cao chất lượng dạy học Vì vậy, hướng phát triển khoa học giáo dục đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng khoa học công nghệ khoa học Vật lý Nghiên cứu vấn đề khoa học công nghệ khoa học Vật lý phục vụ cho mục tiêu phát triển nghiệp giáo dục định hướng chung cho phát triển nghiên cứu giáo dục nước ta Nghiên cứu hoàn thiện vấn đề khoa học giáo dục đảm bảo tiếp cận với xu phát triển mẻ đa dạng giáo dục khoa học thời kỳ Trong Vật lý học ngành khoa học công nghệ giữ vai trò quan trọng, việc nghiên cứu phát triển công nghệ vi điện tử (MEMS) có nhiều ứng dụng Vật lý học, ứng dụng quan trọng chế tạo cảm biến dựa công nghệ vi điện tử MEMS để đo áp suất nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu, lượng mặt trời trọng quan tâm Bởi thực ngành công nghệ phục vụ đắc lực cho người giáo dục xã hội đại Những năm gần đây, nhờ phát triển công cụ toán với phát triển máy tính điện tử thiết lập hoàn thiện phần mềm công nghệ, sử dụng để giải Khoa vật lý K31B_Lý Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang tập học vật rắn, tập động lực học, tập trường điện từ, toán đa trường vật lý Trong ANSYS phần mềm mạnh phát triển rộng rãi giới đáp ứng yêu cầu nói học Từ lý với mong muốn góp phần hiểu thêm phần mềm công nghệ điện tử, chọn đề tài: Mô đặc trưng đáp ứng cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng tải áp suất Mục đích nghiên cứu Mô đặc trưng đáp ứng cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng tải áp suất Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng chương trình mô phỏng, chạy chương trình lấy kết quả, phân tích kết Khoa vật lý K31B_Lý Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Chương cảm biến áp suất MEMS phần mềm mô ANSYS 1.1 Cảm biến áp suất MEMS 1.1.1 vài nét cảm biến áp suất MEMS Ngày với phát triển khoa học công nghệ, nhiều ngành khoa học Vật lý đời mang lại nhiều thành tựu to lớn sống Vào năm 1960 kỷ XX cách mạng hóa công nghệ MEMS đời MEMS (Micro - Electro - Mechanical - System) công nghệ tạo linh kiện tích hợp thành phần thành phần điện tử có kích thước từ vài m đến vài mm Khi đời công nghệ vi MEMS ứng dụng để chế tạo đầu đo áp suất với độ nhạy cảm cao xác Các vi cảm biến áp suất dựa hiệu ứng áp trở nghiên cứu phát triển Các vi cảm biến loại sử dụng màng silic vuông màng chữ nhật loại n, định hướng bề mặt (100), kích thước cạnh màng khoảng vài m đến vài mm, bề dày màng khoảng vài chục m tuỳ theo áp suất cần đo phạm vi khác 1.1.2 Cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng áp suất tác động biến số tượng liên quan đến biến dạng mẫu vật liệu màng phẳng mỏng đàn hồi, áp suất thông số quan trọng nhiều lĩnh vực ngành công nghệ chế tạo Trong ngành công nghệ khác nhau, cảm biến áp suất ứng dụng nhiều vào mục đích khác Và có nhiều phương pháp để đo áp suất, thông thường áp suất cần đo chuyển thành thay đổi chiều dài, chiều rộng mẫu vật liệu phần tử đàn hồi Sự thay đổi kích cỡ cảm nhận phần tử nhạy ví dụ đầu đo áp điện trở Khoa vật lý K31B_Lý Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Điều minh hoạ hình Ap suất đầu vào Phần tử đàn hồi Biến dạng Cấu tử nhạy Tín hiệu điện đầu Hình Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất Nhiều phân biệt phần tử nhạy phần tử đàn hồi, phần tử nhạy tự phần tử đàn hồi, nhiều hệ thống phức tạp kết hợp phần tử nhạy phần tử đàn hồi thành mạch phản hồi điện tử để cân áp suất bên áp suất trái chiều Lợi rõ ràng hệ thống việc phần tử đàn hồi bỏ đi, bỏ vấn đề độ tuyến tính, dão, dẻo, mỏi liên quan đến phần tử đàn hồi Tuy nhiên việc áp dụng hệ thống giới hạn cho áp suất tương đối nhỏ Cảm biến áp suất vi Silic thường dựa vào kỹ thuật nói trên, phần tử đàn hồi cấu tử nhạy phân biệt rõ ràng Như vậy, cảm biến áp suất chế tạo vật liệu Silic dựa hiệu ứng áp trở công nghệ MEMS bao gồm: màng phẳng đàn hồi cấu tử nhạy (áp điện trở) đặt màng để cảm nhận biến dạng màng Bằng cách cấy áp điện trở nhạy phần tử đàn hồi (màng phẳng), chuyển đổi tín hiệu (uốn cong) thành tín hiệu điện lối (dòng điện, hiệu điện thế) qua biến đổi giá trị áp điện trở Thông thường việc chuyển đổi thực dạng hiệu điện chênh lệch thu qua cầu điện trở Wheatstone [1] Như ta xem cấu trúc cảm biến vi bao gồm hai phần, phần cấu trúc phần cấu trúc điện, cấu thành nên cảm biến áp suất Khoa vật lý K31B_Lý Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Cấu trúc học: Trong vi cảm biến, phần tử nhạy tín hiệu phần tử có khả thay đổi dễ dàng trạng thái có tín hiệu đại lượng cần đo tác dụng vào biết đến phần tử cấu trúc cảm biến Đối với vi cảm biến học, tác dụng tín hiệu đầu vào dạng học áp suất, phần tử nhạy tín hiệu phải chuyển sang trạng thái biến dạng vật liệu bị lệch, từ chuyển thành tín hiệu lối Như chênh lệch áp suất hai bề mặt màng mỏng làm uốn cong bề mặt màng Vì vậy, dùng màng mỏng làm phần tử nhạy áp suất Các phần tử nhạy tín hiệu học có dạng màng phẳng đồng Hình Cấu trúc cảm biến vi màng phẳng đồng Hình mô tả màng phẳng đồng giá đỡ cứng cố định Do tính chất phẳng đồng màng, cấu trúc cho phép đo tín hiệu học tác dụng phân bố màng cấu trúc thông thường sử dụng làm phần tử nhạy áp suất vi cảm biến áp suất Tuỳ theo kích thước bề dày màng, phần tử nhạy nhạy cảm với áp suất phạm vi khác Trong đề tài màng chọn dạng hình chữ nhật với chiều rộng màng 1000 àm, chiều dài màng 2000 àm bề dày màng 20 àm Khoa vật lý K31B_Lý Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Phần điện tử dựa hiệu ứng vật lý như: hiệu ứng áp điện trở, hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện trở thay đổi điện trở vật liệu có ứng suất học đặt vào vật liệu Và thay đổi thực dạng hiệu điện chênh lệch thu qua cầu điện trở Wheatstone (hình 3) Một số vật liệu bị biến dạng, bề mặt xuất điện tích trái dấu lượng điện tích xuất lớn vật liệu chịu biến dạng học nhiều ngược lại hiệu ứng áp điện Hình Cầu điện trở Wheatstone màng đàn hồi điện áp lối Cầu gồm điện cực có giá trị tĩnh đặt vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại màng silic Vì cầu có giá trị tĩnh điện trở nhau, nên phần tử nhạy chưa biến dạng, cầu điện trở cân hiệu lối Khi phần tử nhạy bị uốn cong, áp điện trở thay đổi giá trị làm cầu cân Theo hiệu ứng áp điện trở, thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc cách định lượng vào biến dạng vật liệu, tức phụ thuộc cách định lượng vào tác dụng học Khoa vật lý K31B_Lý Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang 1.2 Phn mm ANSYS v ng dng mụ phng hot ng ca cm bin 1.2.1 Gii thiu phn mềm ANSYS: Cỏc dũng sn phn ca ANSYS cụng ty ANSYS ó thit lp nờn mt chun mc mt phng k thut, cụng ty ANSYS xõy dng, phỏt trin, cung cp phn mm v h tr ton cu cho cỏc gii phỏp mụ phng k thut nhm d oỏn cỏc ng x ca sn phm mụi trng xn xut v s dng thc t Cụng ty ANSYS l cụng ty hàng u vic phỏt trin c cụng c v cụng ngh CAE (computer-Aided Engineering) Cỏc gii phỏp ANSYS giỳp doanh nghip khụng ch bit c cỏc tớnh nng hot ng ca sn phm v ca cht lng thit k ca nú ANSYS c ng dng rng rói cỏc ngng cụng ngh Cỏc sn phm v quy trỡnh cụng ngh cht lng cao v luụn c i mi, gim s lng mu th cng nh thi gian kim tra sn phm; Nhanh chúng thu hi gim c thi gian xõy dựng sản phẩm mi, quy trỡnh mm v ỏp ng nhanh hn, cho phộp thay i thit k cỏc giai on sau ca cỏc quỏ trỡnh xõy dng sn phm chin lc mụ phng ún ầu to mt phng phỏp hiu qu a sn phm vo th trng nhanh hn vi giỏ thnh thp hn ANSYS trc õy cú c cỏc kh nng mụ phng (cn thit cho cỏc bi toỏn phc v kt hp nhiu trng vt lý) cn cú mt kch bn rt phc v thng ũi hi phi kt hp nhiu phn mm khỏc Phn mm ANSYS cung cp mt cụng c phõn tớch c lc kt hp vi cỏc mụdun tớnh toỏn kt cu, nhit ng lc hc dũng chy (CPD) õm hc v trng in t mt mt phng thớch hp nht Vi gúi phn mm ANSYS ngi s dng s cm thy thc s tho v cú c mt chui kh nng mụ phng tuyt vi ca ANSYS Khoa vật lý K31B_Lý 10 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang 1.2.2 ng dng mụ phng hot ng ca cm bin Với tính ưu việt ANSYS ngày sử dụng nhiều khoa học kỹ thuật, đặc biệt công nghệ công nghệ mô thiết kế vi cảm biến Ngày với xu hướng nghiên cứu tìm tòi để mô loại cảm biến, từ tìm quy tắc thiết kế tối ưu Cùng với giúp đỡ đắc lực công nghệ thông tin, công việc trở nên đơn giản Với cảm biến áp suất MEMS nói riêng ANSYS giúp mô cấu trúc cơ, cấu trúc điện cảm biến Và đặc biệt mô tính cảm biến tác dụng tải học đặt vào ANSYS sử dụng giao diện đồ hoạ nên việc mô trở nên tinh vi xác, mang lại hiệu cao cho người sử dụng a Mụ phng cu trỳc c: Mụ hỡnh cu trỳc c ca cm bin ỏp sut MEMS l mt mng phẳng silic (hình 2) Mc ớch ca vic mụ phng ny l: - xỏc nh ng x ca mng silic cú ti c hc ỏp sut t vo - Tỡm v trớ thớch hp t phn t nhy cm (áp điện trở ) để lấy tín hiệu - Định hướng ngưỡng áp suất tối đa màng chịu cho loại màng có kích thước khác c Mô cấu trúc điện: Cấu trúc điện hình thành từ dây, áp điện trở hình thành nên cầu điện trở Wheatstone để chuyển tín hiệu vào áp suất thành tín hiệu lối cầu điện trở điện áp Mô hình minh hoạ (hình 3) Điện áp lối cầu điện trở Wheatstone tính dễ dàng qua phép phân tích mạch (hình sơ đồ mạch điện) V out ( R1 R2 ) V in R1 R R2 R4 Khoa vật lý K31B_Lý 11 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Tuy nhiên, để sử dụng kết mô toán (sự thay đổi ứng suất làm thay đổi điện trở) ta dùng phần mềm ANSYS dựa phép phân tích phần tử hữu hạn cho mạch điện để mô độ nhạy cảm biến R1 R3 R2 R4 Hình Cầu điện trở Wheatstone sơ đồ Mạch điện Mô hình phần tử hữu hạn Từ phần đề xuất toán xây dựng chương trình mô dựa ANSYS để mô cấu trúc cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật kích thước màng: chiều rộng màng 1000àm, chiều dài màng 2000àm, bề dày màng 20 àm, đáp ứng cấu trúc tải áp suất từ 0atm đến 10atm Khoa vật lý K31B_Lý 12 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Chương Xây dựng chương trình mô 2.1 Cấu trúc toán ANSYS Tạo mô hình tính (Preprocessor ) Khai báo thuộc tính vật liệu: E Tạo mô hình hình học: thể tích, diện tích, đường,điểm Tạo mô hình PTHH: chia lưới nào? Tính toán (Solution) Đặt tải: tải tập trung, tải bề mặt, tải vật thể, tải quán tính (Inertia load) Giải Xử lý kết (Postprocessor) Khai thác: - Kết thông thường: /POST1 - Kết theo thời gian: /POST26 Kiểm tra, đánh giá kết quả: - Vị trí ứng suất cực đại đâu? - Giá trị ứng suất ? Để có nhìn toàn cảnh cấu túc tính ANSYS, ta diễn đạt sơ đồ: Sơ đồ cho ta nhìn tổng quát cấu trúc tính ANSYS , gồm phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) xử lý kết (postprocessor) Khoa vật lý K31B_Lý 13 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Hình 3.1b Phân bố độ lệch màng 1000 àm x 2000 àm x 20 àm tải áp suất 4atm (một chiều) Hình 3.1a 3.1b biểu diễn độ lệch theo phương Z (độ võng màng theo Uz) Ta thấy độ võng màng đạt giá trị lớn tâm màng đặt tải áp suất nhỏ lên màng phẳng chữ nhật cho độ lệch màng tất điểm màng nhỏ so với độ dày màng, độ lệch màng w điểm mô tả phương trình: [2] 4w 4w 4w p x x y y D Trong D độ cứng chống uốn màng định nghĩa sau: Ed D= 12(1 v ) E mô đun Young, tỉ số Poison, d độ dày màng, P áp suất Khoa vật lý K31B_Lý 21 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Tại cạnh màng x = a/2 y = b/2 điều kiện biên ngàm chọn là: độ võng góc xoay theo phương vuông góc với ngàm không: (w) x a / 0, ( w ) x a / x (w) y b / 0, ( w ) y b / y Khi đặt tải áp suất lớn lên màng phẳng chữ nhật màng có độ võng lớn Kết tính toán cho thấy độ võng lớn tâm màng mô tả bởi: [1] 12.(1 v ).p.a b Wc = 1,4x10 x E.d3 tróng đó, hệ số 1,4x10-3 tìm từ chương trình mô áp suất tác dụng, độ lệch lớn có giá trị xác định Chương trình mô ANSYS cho phép đưa độ lệch cực đại Kết độ lệch cực đại màng theo tải áp suất đưa bảng 3.1c hình 3.1d Bảng 3.1c Bảng so sánh độ lệch cực đại theo áp suất khác Độ lệch cực đại Uz (DMX) áp suất P(atm) ( àm ) 0 50.45 100.9 151.349 201.779 10 252.249 Khoa vật lý K31B_Lý 22 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Đồ thị phụ thuộc độ lệch cực đại theo áp suất: Độ lệch cực đại Uz (Dmax (m) 300 252.249 250 201.799 200 151.349 150 100 100.9 50 50.45 10 P (atm) Hình 3.1d Khảo sát độ lêch cực đại theo áp suất tác dụng lên màng Thay đổi áp suất từ 0atm đến 10atm tiến hành khảo sát thay đổi độ lệch màng kết cho ta thấy với giá trị áp suất định có giá trị độ lệch màng định, với áp suất cao độ lệch cao phía tâm màng với áp suất khác độ lệch có giá trị khác nhau, kết giá trị biểu thị bảng 3.1c.và từ ta có đồ thị hình 3.1d Và áp suất 10atm độ lệch màng đạt giá trị lớn 3.2 Phân bố ứng suất Khi đặt tải áp suất lên màng, màng cảm biến bị uốn cong xuất ứng suất theo hướng khác nhau, gồm ba thành phần ứng suất thẳng góc x, Khoa vật lý K31B_Lý 23 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang y,z dọc theo ba chục toạ độ x, y, z, ba thành phần ứng suất trượt xy, yz, xz, mô tả hình 3.2 z yz xz yz xz xy x xy y O y x Hình 3.2 Các thành phần ứng suất thẳng góc ứng suất trượt uốn cong cấu trúc Ta xét thành phần ứng suất quan trọng ứng suất cấu trúc màng theo x, y, ứng suất trượt xy, xác định biểu thức sau [1]: x= Ed w 2w 2(1 2) x y y= Ed w 2w 2(1 2) y x xy = dGxy 2w xy Đối với vật liệu silic có bề mặt hướng (100), tham số vật liệu sử dụng là: E = 1.689x1012dyn/cm2, Gxy = 0.622x1012 dyn/cm2, = 0.28 [1] Chương trình mô ANSYS cho phép tính ứng suất tất vị trí màng Từ đó, đồ hoạ ANSYS cho phép mô hình dạng màng tải áp suất Hình 3.3a 3.3b đồ hoạ màng phân bố ứng suất theo X theo Y, hình 3.3c phân bố ứng suất theo Z Khoa vật lý K31B_Lý 24 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang a phân bố ứng suất theo trục X b phân bố ứng suấtt theo trục Y Khoa vật lý K31B_Lý 25 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang c phân bố ứng suất theo trục Z Hình 3.3 phân bố ứng suất màng 1000 àm x 2000àm x 20àm theo áp suất 4atm Hình 3.3 biểu diễn trường phân bố ứng suất X, ứng suất Y, ứng suất Z, Trong trường hợp ứng suất X, ứng suất Y đạt cực trị tâm màng trung điểm cạnh màng, chúng trái dấu giá trị tuyệt đối trung điểm cạnh lớn tâm màng ứng suất theo Z đạt cực trị tâm màng bốn cạnh màng cảm biến ứng suất nhỏ kết tính toán cho thấy phân bố ứng suất làm màng cảm biến bị biến dạng xuất khu vực tâm màng trái dấu với biến dạng khu vực trung điểm cạnh màng: biến dạng tâm màng biến dạng giãn biến dạng trung điểm cạnh màng biến dạng nén ngược lại Vì thế, ứng suất thẳng góc xuất khu vực trái dấu nhau: tâm màng phân bố ứng suất âm điểm cạnh màng lại phân bố ứng Khoa vật lý K31B_Lý 26 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang suất dương (hình 3.3a phân bố ứng suất thẳng góc x) (hình 3.3b phân bố ứng suất thẳng góc y) (hình 3.3c phân bố ứng suất thẳng góc z) Từ vùng biến dạng nén sang biến dạng giãn, quan sat thấy khu vực chuyển tiếp có phân bố ứng suất nhỏ ứng suất Miền nằm miền cực trị ứng suất tâm màng lân cạn trung điểm cạnh màng Đối với thành phần ứng suất trượt, tồn bốn cực trị nằm gần bốn góc màng (hình 3.4) trường hợp màng cảm biến có độ võng lớn tâm màng Trong ứng suất thẳng góc đạt cực trị tâm màng trung điểm cạnh màng, ứng suất trượt lại nhỏ khu vực hình 3.4 Phân bố ứng suất trượt xy mô phần mềm ANSYS Từ chương trình mô phần mềm ANSYS tính toán cho thấy ứng với áp suất tác dụng lên màng cảm biến cho giá trị ứng Khoa vật lý K31B_Lý 27 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang suất cực đại định kết đưa bảng 3.4 đồ thị 3.5 Bảng 3.5 Bảng so sánh ứng suất cực đại theo áp suất khác ứng suất cực đại (Smm) áp suất P( atm) (N/àm2 ) 0 50.449 100.899 151.348 201.798 10 252.247 Đồ thị phân bố ứng suất cực đại theo áp suất: ứng suất lớn (N/m2) 300 252.247 250 201.798 200 151.348 150 100 100.899 50 50.449 10 P (atm) Hình 3.6 Khảo sát ứng suất màng theo áp suất Khoa vật lý K31B_Lý 28 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Thay đổi áp suất từ 0atm đến 10atm tác dụng lên màng ứng với áp suất tác dụng tìm giá trị ứng suất lớn ứng suất lớn đạt đến ngưỡng giới hạn phá huỷ vật liệu silic, giá trị giới hạn tâm đo mà màng cảm biến chịu 3.3 Các vị trí tối ưu để đặt áp điện trở màng cảm biến Qua phần vị trí để đặt áp điện trở vào tối ưu phần màng có ứng suất lớn nhất, qua mô phân tích toán ta thấy hiệu ứng áp điện trở lớn nơi có ứng suất pháp đạt cực trị tâm màng trung điểm cạnh màng từ đạt độ nhạy cao vi cảm biến Khi tối ưu hoá cách xếp điện trở nhạy (áp điện trở) Và điểm ứng suất lớn tiến đến gần đến giá trị ứng suất phá huỷ vật liệu (Fracture strength) giá trị áp suất đặt vào giới hạn tâm đo màng xét Khoa vật lý K31B_Lý 29 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Kết luận Đề tài Mô đặc trưng đáp ứng cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng tải áp suất" thực đạt kết sau: Đã tìm hiểu cấu trúc nguyên lý làm việc cảm biến áp suất MEMS dạng màng chữ nhật Đã xây dựng chương trình mô đáp ứng màng cảm biến tải áp suất dựa phần mềm ANSYS Đã tiến hành mô cấu trúc có kích thước màng 1000 àm x 2000àm x 20àm Đã khảo sát thay đổi phụ thuộc độ lệch cực đại theo áp suất ứng suất cực đại theo áp suất Đã tìm vị trí tối ưu để đặt áp điện trở vào Khoa vật lý K31B_Lý 30 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Tài liệu tham khảo [1] Đinh Văn Dũng (2004), Nghiên cứu chế tạo cảm biến vi sở hiệu ứng áp trở, Luận án Tiến Sĩ Vật Lý [2] Phạm Văn So (2004), Thiết kế chế tạo sensor áp suất kiểu áp trở sở công nghệ vi hệ thống điện tử (MEMS), Đồ án tốt nghiệp trường ĐH Bách Khoa Hà Nội [3] Đinh Quang Hoà (2008), Nghiên cứu mô hoạt động vi cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở xây dựng quy trình công nghệ chế tạo thử nghiệm, Luận văn thạc sĩ Vật lý chất rắn [4] Đinh Bá Trụ (2000), Hướng dẫn sử dụng ANSYS, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Khoa vật lý K31B_Lý 31 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Lời cảm ơn Trc ht cho phộp tụi c by t lũng bit n sõu sc n Thy Giỏo TS inh Vn Dng Thy ó nh hng, hng dn tụi tng bc hỡnh thnh c t nghiờn cu khoa hc v hon thnh cỏc nhim v t lun Xin chõn thnh cm n Trng HSP H Ni 2, Khoa Vt Lý ó to iu kin, giỳp tụi thi gian hc ti trng v nht l thi gian tụi thc hin lun Xin chõn thnh cm n thy cụ, bn bố ó giỳp tn tỡnh sut thi gian tụi lm khoỏ lun tt nghip Thnh qu ny khụng th cú c nu khụng cú s dy d, ch bo, ng viờn, cm thụng v s vt v ca B M quờ nh.Tỏc gi mun c chia s thnh qu ny vi tt c Xin chõn thnh cm n H Ni, ngy 20 thỏng 04 nm 2009 Sinh viờn HONG TH TRANG Khoa vật lý K31B_Lý 32 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Lời cam đoan Luận văn thực hướng dẫn TS Đinh Văn Dũng Tụi xin cam oan õy l cụng trỡnh ca chớnh tụi, kết nghiên cứu tài liệu công sức thân tôi, kết không trùng với kết tác giả công bố Một số dẫn liệu đề tài xin phép tác giả trích dẫn để bổ sung cho khoá luận Nếu sai hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2009 Tác giả Hoàng Thị Trang Khoa vật lý K31B_Lý 33 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Mục lục Trang Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Mở đầu Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 1 2 Phương pháp nghiên cứu Chương cảm biến áp suất mems phần mềm mô ansys 1.1 Cảm biến áp suất MEMS 1.1.1 Vài nét cảm biến áp suất MEMS 1.1.2 Cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng 1.2 Phần mềm ANSYS ứng dụng để mô hoạt động cảm biến 1.2.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 1.2.2 ứng dụng để mô hoạt dộng cảm biến 3 Chương Xây dựng chương trình mô 10 2.1 Cấu trúc chung toán mô ANSYS 10 2.2 Các thông số đầu vào toán mô 11 2.3 Xây dựng chương trình mô 12 Chương Kết mô thảo luận 17 3.1 Phân bố độ lệch màng tải áp suất 17 3.2 Phân bố ứng suất 20 3.3 Các vị trí tối ưu để đặt áp điện trở màng cảm biến 26 Kết luận 27 Tài liệu tham khảo 28 Khoa vật lý K31B_Lý 34 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Khoa vật lý K31B_Lý 35 [...]... Mô phỏng đặc trưng áp ứng cơ của cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng dưới tải áp suất" đã được thực hiện và đạt kết quả sau: 1 Đã tìm hiểu được cấu trúc và nguyên lý làm việc của cảm biến áp suất MEMS dạng màng chữ nhật 2 Đã xây dựng được chương trình mô phỏng áp ứng cơ của màng cảm biến dưới tải áp suất dựa trên phần mềm ANSYS 3 Đã tiến hành mô phỏng cấu trúc cơ có kích thước màng 1000 àm... Trang Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Mở đầu 1 Lí do chọn đề tài 2 Mục đích nghiên cứu 1 1 2 2 3 Phương pháp nghiên cứu Chương 1 cảm biến áp suất mems và phần mềm mô phỏng 3 ansys 1.1 Cảm biến áp suất MEMS 1.1.1 Vài nét về cảm biến áp suất MEMS 1.1.2 Cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng 3 1.2 Phần mềm ANSYS và ứng dụng để mô phỏng hoạt động của cảm biến 1.2.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 7 1.2.2 ứng dụng... Kết quả mô phỏng và thảo luận 3.1 Phân bố độ lêch màng dưới tải áp suất Khi đặt tải áp suất lên màng, màng cảm biến sẽ bị uốn cong Chương trình mô phỏng ANSYS cho phép tính độ lệch cực đại của tất cả các vị trí trên màng Từ đó, đồ hoạ ANSYS cho phép mô phỏng hình dạng của màng dưới tải áp suất Hình 3.1a và 3.1b là các đồ hoạ về độ lệch màng ở các góc nhìn khác nhau Hình 3.1a Phân bố độ lệch màng 1000... bố ứng suất theo trục Z Hình 3.3 phân bố ứng suất màng 1000 àm x 2000àm x 20àm theo áp suất 4atm Hình 3.3 biểu diễn trường phân bố ứng suất X, ứng suất Y, ứng suất Z, Trong trường hợp ứng suất X, ứng suất Y đạt cực trị tại tâm màng và trung điểm cạnh màng, chúng trái dấu nhau và giá trị tuyệt đối tại trung điểm cạnh lớn hơn tại tâm màng ứng suất theo Z đạt cực trị tại tâm màng bốn cạnh của màng cảm biến. .. để mô phỏng hoạt dộng của cảm biến 8 3 3 Chương 2 Xây dựng chương trình mô phỏng 7 10 2.1 Cấu trúc chung của một bài toán mô phỏng trong ANSYS 10 2.2 Các thông số đầu vào của bài toán mô phỏng 11 2.3 Xây dựng chương trình mô phỏng 12 Chương 3 Kết quả mô phỏng và thảo luận 17 3.1 Phân bố độ lệch màng dưới tải áp suất 17 3.2 Phân bố ứng suất 20 3.3 Các vị trí tối ưu để đặt các áp điện trở trên màng cảm. .. = 0.28 [1] Chương trình mô phỏng ANSYS cho phép tính ứng suất đó của tất cả các vị trí trên màng Từ đó, đồ hoạ ANSYS cho phép mô phỏng hình dạng của màng dưới tải áp suất Hình 3.3a và 3.3b đồ hoạ màng phân bố ứng suất theo X và theo Y, còn hình 3.3c phân bố ứng suất theo Z Khoa vật lý K31B_Lý 24 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang a phân bố ứng suất theo trục X b phân bố ứng suấtt theo trục Y Khoa... phá huỷ của vật liệu silic, giá trị này chính là giới hạn trên của tâm đo mà màng cảm biến có thể chịu được 3.3 Các vị trí tối ưu để đặt các áp điện trở trên màng cảm biến Qua phần trên vị trí để đặt các áp điện trở vào là tối ưu nhất là phần trên màng có ứng suất lớn nhất, qua mô phỏng và phân tích bài toán ta thấy rằng hiệu ứng áp điện trở lớn nhất tại nơi có ứng suất pháp đạt cực trị là tâm màng và... phân bố ứng suất cực đại theo áp suất: ứng suất lớn nhất (N/m2) 300 252.247 250 201.798 200 151.348 150 100 100.899 50 0 50.449 2 4 6 8 10 P (atm) Hình 3.6 Khảo sát ứng suất màng theo áp suất Khoa vật lý K31B_Lý 28 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Thay đổi áp suất từ 0atm đến 10atm tác dụng lên màng khi đó ứng với mỗi áp suất tác dụng sẽ tìm được giá trị ứng suất lớn nhất và tại đó ứng suất lớn... trượt xy mô phỏng bằng phần mềm ANSYS Từ chương trình mô phỏng bằng phần mềm ANSYS và tính toán cho thấy ứng với mỗi áp suất tác dụng lên màng cảm biến sẽ cho một giá trị về ứng Khoa vật lý K31B_Lý 27 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang suất cực đại nhất định kết quả được đưa ra ở bảng 3.4 và đồ thị 3.5 Bảng 3.5 Bảng so sánh ứng suất cực đại theo áp suất khác nhau ứng suất cực đại (Smm) áp suất P(... àm x 20 àm dưới tải áp suất 4atm (ba chiều) Khoa vật lý K31B_Lý 20 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Hình 3.1b Phân bố độ lệch màng 1000 àm x 2000 àm x 20 àm dưới tải áp suất 4atm (một chiều) Hình 3.1a và 3.1b biểu diễn độ lệch theo phương Z (độ võng màng theo Uz) Ta thấy rằng độ võng màng đạt giá trị lớn nhất tại tâm màng khi đặt tải áp suất nhỏ lên màng phẳng chữ nhật sao cho độ lệch màng tại tất ... rãi giới áp ứng yêu cầu nói học Từ lý với mong muốn góp phần hiểu thêm phần mềm công nghệ điện tử, chọn đề tài: Mô đặc trưng áp ứng cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng tải áp suất Mục... suất Mục đích nghiên cứu Mô đặc trưng áp ứng cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng tải áp suất Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng chương trình mô phỏng, chạy chương trình... trị áp suất đặt vào giới hạn tâm đo màng xét Khoa vật lý K31B_Lý 29 Khoá luận tốt nghiệp Hoàng Thị Trang Kết luận Đề tài Mô đặc trưng áp ứng cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng tải áp suất"