BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ Đề Tài :Thiết kế cảm biến lưu lượng sử dụng hiệu ứng điện dung trong đo vận tốc dòng khí trong ống dẫn khí tự nhiên Để tài chúng em chọn là về thiết kế, chế tạo, và các kết quả thực nghiệm của một tấm điện dung trong cảm biến lưu lượng MEMS mà sử dụng áp suất động tạo nên sự dịch chuyển của một mô hình vi cơ dạng tấm (Paddle) từ đó đo vận tốc của dòng khí. Quá trình chế tạo rất đơn giản: thiết bị được chế tạo trên các tấm lót Silic cách điện chỉ sử dụng ba mặt quang khắc. Một mô hình vi cơ được sử dụng làm đầu dò cho các cảm biến dòng chảy khí . Cơ chế tạo điện dung này hầu như không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh. Với tính đơn giản trong chế tạo, kết hợp việc gần như không ảnh hưởng bởi các biến thể trong nhiệt độ môi trường xung quanh làm cho cảm biến này lý tưởng cho việc triển khai rộng rãi trong các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên. Chi phí hiện nay là yếu tố cản trở việc triển khai rộng rãi các thiết bị đo lưu lượng khí tự nhiên, và do đó việc phát triển các giải pháp giảm tốn kém là rất quan trọng. Cảm biến lưu lượng MEMS thường được thiết kế để sử dụng nguyên lý dẫn nhiệt không đối xứng. Tuy nhiên, việc đặt một điện dung sợi nung bị làm nóng trong hỗn hợp khí có khả năng dễ cháy trái với yêu cầu an toàn nội tại của đường ống dẫn khí tự nhiên.Cảm biến lưu lượng dựa trên áp suất động đã được thiết kế để đo lực gây ra tác dụng vào cấu trúc của tấm điện dung trong luồng khí xung quanh .Tuy nhiên, việc chế tạo các cấu trúc như vậy thường đòi hỏi quá trình chế tạo ngoài tấm phức tạp. Các cảm biến lưu lượng dựa trên áp lực động trong tấm đã được chế tạo trước đó .Tuy nhiên, họ đã sử dụng truyền dẫn qua cảm biến áp điện trở rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh và do đó mô hình vi cơ không thích hợp cho các ứng dụng ngoài trời. Trong mô hình này, một cảm biến lưu lượng MEMS dựa trên cơ sở áp suất động của dòng khí được tạo ra và được thể hiện qua thiết bị ghi, đọc. Chế tạo đơn giản cộng với đặc tính nhiệt tốt hơn của cơ chế thu nạp điện dung so với thiết bị áp điện trở dẫn đến chi phí tổng thể của thiết bị giảm bớt rất nhiều.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC
*****
BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ
Đề Tài :Thiết kế cảm biến lưu lượng sử dụng hiệu ứng điện dung trong đo vận tốc dòng khí
trong ống dẫn khí tự nhiên
Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Xuân Khải Sinh viên thực hiên: Nguyễn Văn Sơn -20143861
Đồng Tuấn Anh -20140055 Nguyễn Đức Tiến -20144474
Trang 21 TÓM TẮT
Để tài chúng em chọn là về thiết kế, chế tạo, và các kết quả thực nghiệm của một tấm điện dung trong cảm biến lưu lượng MEMS mà sử dụng áp suất động tạo nên sự dịch chuyển của một mô hình vi cơ dạng tấm (Paddle) từ đó đo vận tốc của dòng khí Quá trình chế tạo rất đơn giản: thiết bị được chế tạo trên các tấm lót Silic cách điện chỉ sử dụng ba mặt quang khắc Một mô hình vi cơ được sử dụng làm đầu dò cho các cảm biến dòng chảy khí Cơ chế tạo điện dung này hầu như không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh Với tính đơn giản trong chế tạo, kết hợp việc gần như không ảnh hưởng bởi các biến thể trong nhiệt độ môi trường xung quanh làm cho cảm biến này lý tưởng cho việc triển khai rộng rãi trong các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên
2 GIỚI THIỆU
Chi phí hiện nay là yếu tố cản trở việc triển khai rộng rãi các thiết bị đo lưu lượng khí tự nhiên, và do đó việc phát triển các giải pháp giảm tốn kém là rất quan trọng Cảm biến lưu lượng MEMS thường được thiết kế để sử dụng nguyên lý dẫn nhiệt không đối xứng Tuy nhiên, việc đặt một điện dung sợi nung bị làm nóng trong hỗn hợp khí có khả năng dễ cháy trái với yêu cầu an toàn nội tại của đường ống dẫn khí tự nhiên.Cảm biến lưu lượng dựa trên
áp suất động đã được thiết kế để đo lực gây ra tác dụng vào cấu trúc của tấm điện dung trong luồng khí xung quanh Tuy nhiên, việc chế tạo các cấu trúc như vậy thường đòi hỏi quá trình chế tạo ngoài tấm phức tạp Các cảm biến lưu lượng dựa trên áp lực động trong tấm đã được chế tạo trước đó Tuy nhiên, họ đã sử dụng truyền dẫn qua cảm biến áp điện trở rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh và do đó mô hình vi cơ không thích hợp cho các ứng dụng ngoài trời Trong mô hình này, một cảm biến lưu lượng MEMS dựa trên cơ sở áp suất động của dòng khí được tạo ra và được thể hiện qua thiết bị ghi, đọc Chế tạo đơn giản cộng với đặc tính nhiệt tốt hơn của cơ chế thu nạp điện dung so với thiết bị
áp điện trở dẫn đến chi phí tổng thể của thiết bị giảm bớt rất nhiều
3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
111Equation Chapter 1 Section 1Hình 1 cho ta thấy sơ đồ của hệ thống vi cảm biến hoạt động dựa trên sự biến thiên lưu lượng điện dung Một tấm dạng ván được hỗ trợ bởi hai dầm congxon sẽ có chuyển vị khỏi mặt phẳng dưới áp lực động tạo ra bởi luồng khí xung quanh Các bản tụ điện đặt song song với điện cực di động, gắn với tấm sẽ thay đổi điện dung khi cấu trúc bị lệch Bằng cách đo sự thay đổi điện dung, vận tốc dòng khí có thể được tính toán Để tăng độ nhạy của thiết bị, nhưng vẫn giữ kích thước tới hạn lớn (10 μm),m), các thông
số kỹ thuật của ba hàng tụ điện cần được thiết kế
Trang 3Hình 1
Hình 2: Sơ đồ mặt cắt của cảm biến lượng điện dung
Trang 4Đơn giản hóa mô hình:
Áp lực động của dòng khí được coi như một dải lực phân bố tác dụng lên dầm
giản hóa bằng một lực tập chung:
2 1
2
d D
F C v A
22\* MERGEFORMAT () Trong đó:
C là hệ số kéo địa phương được tính bằng công thức thực nghiệm phụ thuộc D
vào cấu trúc của vật liệu Dựa vào hàng loạt các hằng số Reynolds thì xác định được xấp xỉ C =1,28 D
là mật độ khí
v là vận tốc trung bình dòng khí
Alà diện tích của tấm ván, các bản tụ và dầm có hướng tiếp xúc với dòng khí
Nhận xét: v2 là áp lực của khí trên một đơn vị diện tích
Hình 2 cho thấy sơ đồ dầm ở trạng thái tự do tự do của mặt cắt của cảm biến lưu lượng với
sự phân bố lực và độ võng Sự dịch chuyển do lực kéo tại cuối các dầm (cantilevers), tấm và các bản tụ được biểu hiện tương ứng là z , b z , và p z Bằng cách bỏ qua lực kéo trên dầm, f
vì diện tích tổng hợp về bằng 0,25% diện tích tấm , tổng lực kéo có thể là được thay bằng một lực tập trung F ở khoảng cách d L từ đầu tự do của dầm Giả định rằng tấm và các bản1
tụ có cùng một hệ số kéo, dựa vào định luật Xác định khối tâm của cơ hệ, ta có thể tìm được
vị trí đặt lực F tại d L được tính như sau:1
1
f
f p
A
d f
Trong đó:
d là khoảng cách giữa hai bản tụ gối lên nhau
f là độ rộng của khung tụ điện
A là diện tích tấm p
A là tổng diện tích các bản tụ di động, được xác định bởi f A f Nf d 44\* MERGEFORMAT ()
Trang 5Với N là số bản tụ, flà bề rộng bản tụ.
Đặt
f
f p
A
d f c
Công thức số (2) trở thành:
1
1 2
L c L
Bởi vìA là rất nhỏ so với f A nên c cũng khá là nhỏ 0.077 p c
Góc xoay và độ võng tại điểm cuối của dầm do lựcF gây ra được xác định từ phương trình d
vi phân đàn hồi:
2 2
( )
d y z
dz EI
Lấy tích phân lần thứ nhất với các điều kiện đầu ta thu được góc xoay
2
1 2 1 2
d b
EI l
Lấy tích phân lần thứ hai với các điều kiện đầu ta thu được chuyển vị
3
1 3 1
d b
z
Trong đó: l, E và I lần lượt là chiều dài, modun đàn hồi và momen quán tính của thanh dầm.
Tại thời điểm ban đầu, độ võng và góc xoay của chúng bằng với độ võng và góc xoay tại phía đầu dầm cố định Và độ võng phía cuối tấm được xác định bởi:
p b b
Điện dung do độ võng z gây ra được xác định bởi: p
p
Trang 6Trong đó:
t là độ dày của thiết bị
C và 0 C là giá trị điện dung ban đầu (không có độ lệch)1
C là điện dung kí sinh p
D và D’ là các hệ số điều chỉnh do sự khác nhau trong khu vực gối lên nhau của các
bản tụ ở các hàng khác nhau
Chúng được xác định như sau:
g
99\* MERGEFORMAT ()
f r
tw
C N
1010\* MERGEFORMAT ()
p d
do
A
C
t
1111\* MERGEFORMAT () 1
2
4
L
d f l
D
l
1
2
'
2
L
d f l
D
l
Trong đó:
r, 0, dlần lượt là các hằng số điện môi trong không khí, chân không và CO2
A e là tổng diện tích miếng đệm điện (khoảng 0.415 mm2)
t do là độ dày của lớp oxit buric, t do= 2 μm),m
2
2
l l
Biến đổi công thức số (7) ta có
'
C C C D C D
t
1414\* MERGEFORMAT ()
Trang 7Từ công thức (4), (5) và (6) ta có
p b b
2
l l L L LL
Mặt khác, từ công thức số (1):
2 1
2
d D
F C v A
Kết hợp với công thức (13) và (14) ta nhận được:
2
2
D p
C C C D C D C Al l L L LL
Đặt a C 0C1C p và
2
D
C C C D C D C Al l L L LL b
Ta thu được phương trình quan hệ giữa điện dung và vận tốc dòng khí như sau:
2
C a bv 1616\* MERGEFORMAT ()
Bảng: Các thông số
Khoảng cách giữa bản tụ và
Trang 8Khoảng cách xếp chồng giữa các
Khoảng cách giữa các khung tụ
Hình 3 cho thấy chuyển vị của tấm và điện cực di động tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Dựa vào chuyển vị của tấm, biến điện dung so với vận tốc dòng khí có thể được tính toán
Hình 3
Trang 9Hình 5 Hình 5 cho thấy quá trình chế tạo của các cảm biến lưu lượng bằng cách sử dụng các tấm Silic trên nền cách điện (SOI) Quá trình chế tạo đơn giản và chỉ cần ba mặt nạ quang khắc Đầu tiên, 200 nm Cr / Au bị bốc hơi bằng cách bốc hơi bằng cách sử dụng tia điện trong môi trường chân không và được tạo mẫu để tạo miếng đệm điện (Hình 5a) Tiếp theo, một phản ứng khắc sâu bằng ion (DRIE) được sử dụng ở cả hai mặt của tấm lót SOI để xác định dầm,
tụ điện kỹ thuật số, và tấm (Hình 5b và 5c) Một lớp mặt lạ cực tím SPR-220 được sử dụng làm mặt nạ trong suốt các bước DRIE Cuối cùng, các bộ phận động được giải phóng bằng cách ngâm dưới axit ướt FloHidric (HF) đệm (Hình 5d)
Trang 10Hình 6 cho thấy một bức xạ quang học (trung tâm) của thiết bị sau khi chế tạo Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử (SEM), các bộ phận cụ thể của cảm biến được hiển thị trong các mặt nạ Các bản tụ điện được xếp lại theo dạng răng lược và khung của chúng được thể hiện trong Hình 6a và 6b Để bảo vệ độ cứng vững của dầm trong DRIE, cấu trúc giả có vai trò như gân tăng cứng được thêm vào dọc theo dầm ( hình 6c) Điểm dừng động học để tránh các chuyển động không mong muốn của phao hướng về phía bên được thể hiện trong hình bên trong 6d Khoảng cách giữa tấm và điểm dừng cuối được thiết kế nhỏ hơn khoảng cách giữa các bản tụ điện để tránh chúng va chạm vào nhau theo hướng ngang
4 XƯ LÝ TÍN HIỆU VÀ THỬ NGHIỆM
Các cảm biến đo được bằng cách sử dụng đặc trưng luồng không khí trong ống kính đường kính 150 mm ở áp suất không khí tiêu chuẩn Hệ số Reynolds được cho bởi V là vận tốc
trung bình của dòng khí, d là đường kính ống, và v là độ nhớt động học (tại phòng nhiệt độ
và áp suất khí quyển ) Hệ số Reynolds lớn hơn 2300 khi V lớn hơn 0,24 m/s, cho thấy dòng không khí hỗn độn Thiết lập thí nghiệm cho phép đo dòng chảy được thể hiện trong hình 7
Trang 11Hình 8.Đo điện dung biến thiên so với vận tốc không khí
ở áp suất khí quyển (14,7 psi) và nhiệt độ 25 C0
Trang 12Vận tốc không khí được đo bằng một máy đo nhiệt độ TPI 575C1 Công cụ BK Precision 890C được sử dụng để đo điện dung giữa hai điện cực của cảm biến lưu lượng Một quạt không khí có thể điều chỉnh tốc độ được sử dụng để tạo ra dòng không khí Hình 8 thể hiện dung lượng đầu ra của cảm biến lưu lượng so với vận tốc dòng không khí ở nhiệt độ phòng
Dữ liệu phù hợp nhất được thể hiện bằng đồ thị của một đường cong bậc hai bao gồm thứ tự đầu tiên và thứ tự thứ hai của vận tốc Điều quan trọng cần lưu ý là tất cả các cảm biến dòng chảy đều nhạy cảm với sự thay đổi mật độ của khí, và do đó là một hàm của nhiệt độ Sẽ là không mong muốn nếu cơ chế chuyển đổi bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh Lợi ích của điện dung (ví dụ so với áp điện trở) là sự chuyển đổi là không nhạy cảm với sự dao động nhiệt độ
Hình 9 cho thấy một thiết lập thử nghiệm để kiểm tra phản ứng của dòng chảy cảm biến dưới nhiệt độ thay đổi Hình 10 cho thấy điện dung so với nhiệt độ trên thiết bị cho khác nhau của tấm là khác nhau, tương ứng với khác nhau áp lực năng động Đối với không có độ lệch, tương đương với không có dòng chảy, dung lượng đầu ra vẫn không thay đổi cho một phạm vi nhiệt độ rộng Đối với một độ lệch tương đương với luồng không khí 15,6 m / s,
Trang 13dung lượng dao động khoảng 2% khi nhiệt độ từ 200 oC đến 1400 oC Lưu ý rằng 2% sự thay đổi có thể được giảm đáng kể bởi đo và hiệu chuẩn, nhiệt độ môi trường xung quanh
5 ƯỚC TÍNH CHI PHÍ
Hình 11 Hình 11 cho thấy một bản vẽ sơ đồ ba chiều của một cảm biến lưu lượng MEMS Bộ cảm biến được thiết kế để đo lượng dòng khí tối đa khoảng 15 ( m/s) gấp đôi tốc độ dòng chảy bình thường của dòng khí ống dẫn ( 8 m/s) Một tấm được treo bởi hai thanh dầm có chuyển
vị do lực kéo dưới tác dụng bởi một dòng khí ở hướng vuông góc Các bản tụ di chuyển được nối vào cuối tấm (paddle) Điện dung giữa các bản tụ di dộng và cố định luôn thay đổi khi tấm di chuyển do dòng khí tác động vào
Dưới tác động của lực thay đổi tấm ( Paddle) đã được mô hình hóa để tính toán dịch chuyển Lực tác động được thay đổi để gây áp suất tại mỗi vị trí để áp dụng thực tế cho tấm
Kết quả thể hiện độ phân giải của cảm biến là 0.3 m/s hoặc 2% của phạm vi
Trang 14Cảm biến dung lượng mems được thực nghiệm ở tấm SIO sử dụng kỹ thuật vi cơ điện tử.
Ưu điểm của thiết kế là quá trình thử nghiệm đơn giản Yêu cầu với 3 tấm chắn với 1 tấm là mang điện, một tấm kết cấu ở trên cùng và tấm ở mặt dưới lỗ hổng
Chi phí chế tạo cảm biến lưu lượng được ước tính bởi bộ phận kiểm tra là chi phí nằm trong vùng ổn định Kết quả chi phí trên cảm biến ước tính là khoảng 18 đô trên mỗi cảm biến Tuy nhiên, chi phi này có thể giảm xuống dưới 2 đô bằng cách sử dụng lớp nền trong công nghệ MEMS-ON-GLASS (sử dụng tấm Silic đặt giữa hai tấm kính)
6.PHẦN KẾT LUẬN
Tấm cảm biến dung lượng MEMS đã được thiết kế, mô phỏng, và chế tạo bằng cách sử dụng một số lượng lớn công nghệ vi mô với chỉ ba mặt nạ Kết quả thử nghiệm với luồng không khí cho thấy dung lượng ra của thiết bị là hàm bậc hai của vận tốc không khí Thử nghiệm cũng cho thấy rằng các cơ chế đọc điện dung là không bị ảnh hưởng với sự thay đổi nhiệt độ Một lá chắn để bảo vệ thiết bị từ các hạt trong dòng khí, cũng như một lớp phủ ăn mòn, được coi là công việc trong tương lai