Đang tải... (xem toàn văn)
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.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC ***** BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ Đề Tài :Thiết kế cảm biến lưu lượng sử dụng hiệu ứng điện dung đo vận tốc dòng khí ống dẫn khí tự nhiên Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Xuân Khải Sinh viên thực hiên: Nguyễn Văn Sơn -20143861 Nguyễn Tài Trưởng - 20144821 Đồng Tuấn Anh - 20140055 Nguyễn Đức Tiến -20144474 Page THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ TÓM TẮT Để tài chúng em chọn thiết kế, chế tạo, kết thực nghiệm điện dung cảm biến lưu lượng MEMS mà sử dụng áp suất động tạo nên dịch chuyển mơ hình vi dạng (Paddle) từ đo vận tốc dòng khí Q trình chế tạo đơn giản: thiết bị chế tạo lót Silic cách điện sử dụng ba mặt quang khắc Một mô hình vi sử dụng làm đầu dò cho cảm biến dòng chảy khí Cơ chế tạo điện dung không bị ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh Với tính đơn giản chế tạo, kết hợp việc gần không ảnh hưởng biến thể nhiệt độ môi trường xung quanh làm cho cảm biến lý tưởng cho việc triển khai rộng rãi đường ống dẫn khí đốt tự nhiên GIỚI THIỆU Chi phí yếu tố cản trở việc triển khai rộng rãi thiết bị đo lưu lượng khí tự nhiên, việc phát triển giải pháp giảm tốn quan trọng Cảm biến lưu lượng MEMS thường thiết kế để sử dụng nguyên lý dẫn nhiệt không đối xứng Tuy nhiên, việc đặt điện dung sợi nung bị làm nóng hỗn hợp khí có khả dễ cháy trái với yêu cầu an toàn nội đường ống dẫn khí tự nhiên.Cảm biến lưu lượng dựa áp suất động thiết kế để đo lực gây tác dụng vào cấu trúc điện dung luồng khí xung quanh Tuy nhiên, việc chế tạo cấu trúc thường đòi hỏi q trình chế tạo phức tạp Các cảm biến lưu lượng dựa áp lực động chế tạo trước Tuy nhiên, họ sử dụng truyền dẫn qua cảm biến áp điện trở nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh mơ hình vi khơng thích hợp cho ứng dụng ngồi trời Trong mơ hình này, cảm biến lưu lượng MEMS dựa sở áp suất động dòng khí tạo thể qua thiết bị ghi, đọc Chế tạo đơn giản cộng với đặc tính nhiệt tốt chế thu nạp điện dung so với thiết bị áp điện trở dẫn đến chi phí tổng thể thiết bị giảm bớt nhiều TÍNH TỐN THIẾT KẾ 111Equation Chapter Section 1Hình cho ta thấy sơ đồ hệ thống vi cảm biến hoạt động dựa biến thiên lưu lượng điện dung Một dạng ván hỗ trợ hai dầm congxon có chuyển vị khỏi mặt phẳng áp lực động tạo luồng khí xung quanh Các tụ điện đặt song song với điện cực di động, gắn với thay đổi điện dung cấu trúc bị lệch Bằng cách đo thay đổi điện dung, vận tốc dòng khí tính toán Để tăng độ nhạy thiết bị, giữ kích thước tới hạn lớn (10 μm), thơng số kỹ thuật ba hàng tụ điện cần thiết kế Page THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ Hình Hình 2: Sơ đồ mặt cắt cảm biến lượng điện dung Page THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ Đơn giản hóa mơ hình: Áp lực động dòng khí coi dải lực phân bố tác dụng lên dầm Trong điều kiện hỗn loạn với hệ số Reynolds lớn, lực kéo ván đơn giản hóa lực tập chung: Fd = CD ( ρ v ) A 22\* MERGEFORMAT () Trong đó: CD • hệ số kéo địa phương tính cơng thức thực nghiệm phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu Dựa vào hàng loạt số Reynolds xác CD định xấp xỉ =1,28 ρ • mật độ khí v • vận tốc trung bình dòng khí A • diện tích ván, tụ dầm có hướng tiếp xúc với dòng khí ρv2 • Nhận xét: áp lực khí đơn vị diện tích Hình cho thấy sơ đồ dầm trạng thái tự tự mặt cắt cảm biến lưu lượng với phân bố lực độ võng Sự dịch chuyển lực kéo cuối dầm (cantilevers), zf zb z p tụ biểu tương ứng , , Bằng cách bỏ qua lực kéo dầm, diện tích tổng hợp 0,25% diện tích , tổng lực kéo thay Fd L1 lực tập trung khoảng cách từ đầu tự dầm Giả định tụ có hệ số kéo, dựa vào định luật Xác định khối tâm hệ, ta tìm Fd L1 vị trí đặt lực tính sau: 9d + f + 19δ A f L1 = + + L ÷ ÷ 2 2 ÷ L A + A f p Trong đó: Page 33\* MERGEFORMAT () THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ δ khoảng cách tụ khung chúng d khoảng cách hai tụ gối lên f độ rộng khung tụ điện Ap diện tích Af tổng diện tích tụ di động, xác định MERGEFORMAT () ωf Với N số tụ, bề rộng tụ Af = N ω f ( d + δ ) 44\* 9d + f + 19δ Af c= + ÷ 6L 2 A f + Ap Đặt Công thức số (2) trở thành: 1 L1 = + c ÷L 2 Af Bởi Ap nhỏ so với nên c nhỏ Góc xoay độ võng điểm cuối dầm lực vi phân đàn hồi: c ≈ 0.077 Fd gây xác định từ phương trình M ( z) d y( z) =− x dz EI Lấy tích phân lần thứ với điều kiện đầu ta thu góc xoay Fd l L1 θb = 1 + ÷ EI l 55\* MERGEFORMAT () Lấy tích phân lần thứ hai với điều kiện đầu ta thu chuyển vị Page THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ zb = Fd l 3L1 1 + ÷ 3EI 2l 66\* MERGEFORMAT () Trong đó: l, E I chiều dài, modun đàn hồi momen quán tính dầm Tại thời điểm ban đầu, độ võng góc xoay chúng với độ võng góc xoay phía đầu dầm cố định Và độ võng phía cuối xác định bởi: z p = zb + θb L 77\* MERGEFORMAT () zp Điện dung độ võng gây xác định bởi: z z C = C0 1 − p ( + D ) + C1 1 − p ( + D ') + C p t t 88\* MERGEFORMAT () Trong đó: t độ dày thiết bị C0 C1 giá trị điện dung ban đầu (khơng có độ lệch) Cp điện dung kí sinh D D’ hệ số điều chỉnh khác khu vực gối lên tụ hàng khác Chúng xác định sau: td g C0 = N ε 0ε r 99\* MERGEFORMAT () C1 = N ε 0ε r C p = ε 0ε d tw f δ Ae tdo 1010\* MERGEFORMAT () 1111\* MERGEFORMAT () Page THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ D= 1+ D' = L1 1+ l 9d + f + 18δ ÷ β 4l 1212\* MERGEFORMAT () L1 l 6d + f + 9δ ÷ β 2l 1313\* MERGEFORMAT () Trong đó: εr ε0 εd , , số điện môi khơng khí, chân khơng CO2 Ae tổng diện tích miếng đệm điện (khoảng 0.415 mm2) tdo độ dày lớp oxit buric, tdo= μm L1 L12 β = 1+ + l l Biến đổi công thức số (7) ta có C = C0 + C1 + C p − C0 + C1 + C0 D + C1D ' zp t 1414\* MERGEFORMAT () Từ công thức (4), (5) (6) ta có z p = zb + θ b L = Fd l 3L1 Fd l L1 + + L ÷ 1 + ÷ 3EI 2l EI l l l L + L1 LL1 zp = + + ÷Fd EI l 1515\* MERGEFORMAT () Mặt khác, từ công thức số (1): Fd = CD ( ρ v ) A Kết hợp với công thức (13) (14) ta nhận được: Page THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ C = C0 + C1 + C p − a = C0 + C1 + C p Đặt (C0 + C1 + C0 D + C1D ')CD ρ Al l L + L1 LL1 + + ÷v 2tEI l 3 (C0 + C1 + C0 D + C1D ')CD ρ Al l L + L1 LL1 b= + + ÷ 2tEI l 3 Ta thu phương trình quan hệ điện dung vận tốc dòng khí sau: C = a − bv 1616\* MERGEFORMAT () Bảng: Các thông số Thông số Cỡ chip Chiều dài Chiều rộng Chiều dày thiết bị Chiều dài dầm Chiều rộng dầm Chiều rộng tụ Khoảng cách hai tụ Khoảng cách tụ khung Khoảng cách xếp chồng tụ Khoảng cách khung tụ điện Số lượng tụ điện Kí hiệu A0 L w t l wb wf g δ Kích thước 30.25 mm2 mm mm 100 μm mm 95 μm 10 μm 10 μm d 280 μm f 100 μm N 287 10 μm Hình cho thấy chuyển vị điện cực di động tính phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Dựa vào chuyển vị tấm, biến điện dung so với vận tốc dòng khí tính tốn Page THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ Hình Hình Hình cho thấy trình chế tạo cảm biến lưu lượng cách sử dụng Silic cách điện (SOI) Quá trình chế tạo đơn giản cần ba mặt nạ quang khắc Đầu tiên, 200 nm Cr / Au bị bốc cách bốc cách sử dụng tia điện môi trường chân không tạo mẫu để tạo miếng đệm điện (Hình 5a) Tiếp theo, phản ứng khắc sâu ion (DRIE) sử dụng hai mặt lót SOI để xác định dầm, Page THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ tụ điện kỹ thuật số, (Hình 5b 5c) Một lớp mặt lạ cực tím SPR-220 sử dụng làm mặt nạ suốt bước DRIE Cuối cùng, phận động giải phóng cách ngâm axit ướt FloHidric (HF) đệm (Hình 5d) Hình cho thấy xạ quang học (trung tâm) thiết bị sau chế tạo Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử (SEM), phận cụ thể cảm biến hiển thị mặt nạ Các tụ điện xếp lại theo dạng lược khung chúng thể Hình 6a 6b Để bảo vệ độ cứng vững dầm DRIE, cấu trúc giả có vai trò gân tăng cứng thêm vào dọc theo dầm ( hình 6c) Điểm dừng động học để tránh chuyển động không mong muốn phao hướng phía bên thể hình bên 6d Khoảng cách điểm dừng cuối thiết kế nhỏ khoảng cách tụ điện để tránh chúng va chạm vào theo hướng ngang XƯ LÝ TÍN HIỆU VÀ THỬ NGHIỆM Các cảm biến đo cách sử dụng đặc trưng luồng khơng khí ống kính đường kính 150 mm áp suất khơng khí tiêu chuẩn Hệ số Reynolds cho V vận tốc v trung bình dòng khí, d đường kính ống, độ nhớt động học (tại phòng nhiệt độ áp suất khí ) Hệ số Reynolds lớn 2300 V lớn 0,24 m/s, cho thấy dòng khơng khí hỗn độn Thiết lập thí nghiệm cho phép đo dòng chảy thể hình Page 10 THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ Hình 8.Đo điện dung biến thiên so với vận tốc khơng khí áp suất khí (14,7 psi) nhiệt độ Page 11 250 C THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ Vận tốc không khí đo máy đo nhiệt độ TPI 575C1 Công cụ BK Precision 890C sử dụng để đo điện dung hai điện cực cảm biến lưu lượng Một quạt khơng khí điều chỉnh tốc độ sử dụng để tạo dòng khơng khí Hình thể dung lượng đầu cảm biến lưu lượng so với vận tốc dòng khơng khí nhiệt độ phòng Dữ liệu phù hợp thể đồ thị đường cong bậc hai bao gồm thứ tự thứ tự thứ hai vận tốc Điều quan trọng cần lưu ý tất cảm biến dòng chảy nhạy cảm với thay đổi mật độ khí, hàm nhiệt độ Sẽ không mong muốn chế chuyển đổi bị ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh Lợi ích điện dung (ví dụ so với áp điện trở) chuyển đổi khơng nhạy cảm với dao động nhiệt độ Hình cho thấy thiết lập thử nghiệm để kiểm tra phản ứng dòng chảy cảm biến nhiệt độ thay đổi Hình 10 cho thấy điện dung so với nhiệt độ thiết bị cho khác khác nhau, tương ứng với khác áp lực động Đối với khơng có độ lệch, tương đương với khơng có dòng chảy, dung lượng đầu không thay đổi cho phạm vi nhiệt độ rộng Đối với độ lệch tương đương với luồng khơng khí 15,6 m / s, Page 12 THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ dung lượng dao động khoảng 2% nhiệt độ từ 200 oC đến 1400 oC Lưu ý 2% thay đổi giảm đáng kể đo hiệu chuẩn, nhiệt độ môi trường xung quanh ƯỚC TÍNH CHI PHÍ Hình 11 Hình 11 cho thấy vẽ sơ đồ ba chiều cảm biến lưu lượng MEMS Bộ cảm biến thiết kế để đo lượng dòng khí tối đa khoảng 15 ( m/s) gấp đơi tốc độ dòng chảy bình thường dòng khí ống dẫn ( m/s) Một treo hai dầm có chuyển vị lực kéo tác dụng dòng khí hướng vng góc Các tụ di chuyển nối vào cuối (paddle) Điện dung tụ di dộng cố định thay đổi di chuyển dòng khí tác động vào Dưới tác động lực thay đổi ( Paddle) mơ hình hóa để tính tốn dịch chuyển Lực tác động thay đổi để gây áp suất vị trí để áp dụng thực tế cho Kết thể độ phân giải cảm biến 0.3 m/s 2% phạm vi Page 13 THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ Cảm biến dung lượng mems thực nghiệm SIO sử dụng kỹ thuật vi điện tử Ưu điểm thiết kế trình thử nghiệm đơn giản Yêu cầu với chắn với mang điện, kết cấu mặt lỗ hổng Chi phí chế tạo cảm biến lưu lượng ước tính phận kiểm tra chi phí nằm vùng ổn định Kết chi phí cảm biến ước tính khoảng 18 đô cảm biến Tuy nhiên, chi phi giảm xuống cách sử dụng lớp công nghệ MEMS-ON-GLASS (sử dụng Silic đặt hai kính) 6.PHẦN KẾT LUẬN Tấm cảm biến dung lượng MEMS thiết kế, mô phỏng, chế tạo cách sử dụng số lượng lớn công nghệ vi mô với ba mặt nạ Kết thử nghiệm với luồng khơng khí cho thấy dung lượng thiết bị hàm bậc hai vận tốc khơng khí Thử nghiệm cho thấy chế đọc điện dung không bị ảnh hưởng với thay đổi nhiệt độ Một chắn để bảo vệ thiết bị từ hạt dòng khí, lớp phủ ăn mòn, coi cơng việc tương lai Page 14