Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất mems kiểu áp trở độ nhạy cao

-1- Lời cam đoan Tôi xin cam đoan với Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ đề tài tự nghiên cứu, tìm hiểu dới hớng dẫn, góp ý bảo tận tình thầy hớng dẫn PGS.TS Đinh Văn Dũng Kết đề tài trung thực không trùng hợp với kết đề tài khác Nếu sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả luận văn Trần Đức Tiến -2- Lời cảm ơn Đầu tiên, cho phép đợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Đinh Văn Dũng định hớng, hớng dẫn, giúp đỡ suốt trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trờng, phòng Sau đại học, thầy cô Bộ môn Vật lý chất rắn Trờng Đại học S phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn ngời thân gia đình, bạn bè giúp đỡ động viên suốt trình học tập hoàn thiện luận văn Tác giả luận văn Trần Đức Tiến -3- Mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu Chơng Tổng quan cảm biến áp suÊt MEMS kÝch thíc nhá .5 1.1 áp suất cảm biến áp suất 1.2 C¸c dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu 1.3 VËt liƯu vµ công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS .8 1.4 Cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông kiểu áp trở 23 Chơng Phát triển cấu trúc cảm biến Xây dựng chơng trình mô cấu trúc đặc trng hoạt động cảm biến dựa phần mềm ANSYS 26 2.1 Phát triển cấu trúc cảm biÕn 26 2.2 Xây dựng chơng trình mô 27 Ch¬ng Kết mô thảo luận 36 3.1 Độ nhạy cảm biến .36 3.2 Sự phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a1 góc làm mỏng 3.3.Sù phơ thc cđa độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a1 gãc lµm máng 3.4 KÝch thíc tèi u cđa gãc lµm máng 38 3.5 Sù cải thiện độ lệch màng 38 3.6 Sù c¶i thiƯn vÒ øng suÊt 40 3.7 Sù phơ thc cđa ®iƯn áp vào tải áp suất 43 3.8 Khảo sát phụ thuộc độ nhạy vào điện áp nguồn nuôi 44 KÕt luËn 45 Tài liệu tham khảo 46 Phô lôc .48 -3- Mở ĐầU Công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) hứa hẹn cách mạng hoá loại sản phẩm cách tích hợp yếu tố vi điện lại với Silic theo công nghệ vi cơ, cách tạo hệ thống chíp hoàn chỉnh (systems on a chip) MEMS đợc dùng để tạo cấu trúc, linh kiện hệ thống phức tạp theo đơn vị micro, công nghệ có khả cho phép phát triển sản phẩm thông minh, tăng khả tính toán yếu tố vi điện tử với vi cảm biến vi kích hoạt có khả nhận biết điều khiển Ngoài ra, MEMS mở rộng khả thiết kế ứng dụng Nghiên cứu mô đặc trng hoạt động linh kiện MEMS hớng nghiên cứu ứng dụng thành tựu công nghệ tin học vào việc xác lập lí thuyết đặc trng hoạt động linh kiện trớc tiến hành thực nghiệm Đây công việc quan trọng hỗ trợ đắc lực cho công nghệ nhằm tìm thiết kế tối u linh kiện phù hợp với điều kiện công nghệ điều kiện làm việc linh kiện, nhờ tiết kiệm đợc thời gian chi phí cho nghiên cứu công nghệ khảo sát thực nghiệm tốn Đề tài Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở độ nhạy cao đợc đặt cho luận văn Trªn cë së nghiªn cøu cÊu tróc, vËt liƯu chÕ tạo cảm biến áp suất MEMS truyền thống, đề tài phát triển cấu trúc cảm biến áp suất Dựa phần mềm ANSYS , mô cấu trúc cảm biến, đặc trng hoạt động cảm biến nh mô độ lệch, ứng suất, độ nhạy cảm biến đợc thực hiƯn Tõ ®ã rót kÕt ln vỊ cÊu tróc cảm biến Nội dung luận văn đợc trình bày chơng Chơng Tổng quan cảm biến áp suất MEMS kích thớc nhỏ Chơng tìm hiểu loại cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu cấu trúc, nguyên lý hoạt động, vật liệu công nghệ để chế tạo chúng Từ chọn cấu trúc phù hợp để phát triển -4- Chơng Phát triển cấu trúc cảm biến - xây dựng chơng trình mô cấu trúc đặc trng hoạt động cảm biến dựa phần mềm ANSYS Cảm biến áp suất màng vuông dày kiểu áp trở đợc lựa chọn để phát triển cấu trúc Từ viết chơng trình cho toán mô ANSYS Chơng Kết mô thảo luận Trong chơng tìm thông số cạnh làm mỏng tối u, kết mô độ nhạy, độ lệch, ứng suất ba cấu trúc cảm biến màng dày đều, mµng cã gãc máng vµ mµng gãc máng tối u đợc so sánh rút kết luận -5- Chơng Tổng quan cảm biến O ¸p st MEMS KIĨU ¸P TRë 1.1 ¸p st vµ cảm biến áp suất 1.1.1 áp suất Một chất lỏng hay chất khí đợc chứa bình chứa, chuyển động nhiệt hỗn loạn, phần tử chất lỏng hay chất khí va chạm vào thành bình chứa gây áp lực lên thành bình chứa áp lực vuông góc đơn vị diện tích thành bình chứa áp suất Ta có công thức sau: -6- p  F S (1.1) Trong ®ã F lực tác dụng, có đơn vị Newton (N), S diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị mét vuông (m2) Trong hệ SI áp suất có đơn vị N/m2, đơn vị dẫn xuất áp suất Pascal (Pa) (1Pa = 1N/1m2) Một số đơn vị dẫn xuất thờng dùng áp suÊt: dyn/cm2 = 0.1 N/m2 = 10-5N/cm2 = 10-7N/mm2 bar = 105 N/m2 = 105 Pa = 1,0197 kG/cm2 = 0.9869 atm atm = 1.01325 bar = 760 mmHg (0oC) = 0.101325 N/mm2 = 1,033 kf/cm2 1.1.2 Cảm biến đo áp suất Cảm biến đo áp suất đợc quan tâm nghiên cứu nhiều trung tâm giới Đã có nhiều loại thành phẩm cảm biến đo áp suất chế tạo dựa công nghệ khác đợc thơng mại hóa thị trờng Trong số đó, cảm biến đo áp suất chế tạo dựa công nghệ MEMS giành đợc thị phần đáng kể thể đợc u điểm trội khả đặc biệt công nghệ nh giá thành sản phẩm Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, nhiều loại cảm biến áp suất ®· ®êi Phỉ biÕn nhÊt lµ sư dơng mµng Màng (diaphragm) mỏng (thờng chất bán dẫn) có khả bị biến dạng có áp suất đặt lên Khi áp suất bên tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào chênh lệch áp suất cần đo áp suất chuẩn so sánh mà màng bị biến dạng, độ biến dạng màng phụ thuộc vào độ lớn áp suất tác dụng vào Bằng nhiều cách khác ngời ta biến đổi độ biến dạng màng thành tín hiệu điện thông qua biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung sử dụng hiệu ứng áp điện, dao động điện, dùng phơng pháp transistor áp điện v.v 1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu Trong công nghệ MEMS có hai phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi cảm biến kiểu áp trở cảm biến kiểu tụ đợc trình bày dới 1.2.1 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở Cấu trúc cảm biến sử dụng thờng màng vuông có cấy áp điện trở kiểu cầu Wheatstone kiểu điện trở điện cực Cầu điện trở Wheatstone: Mô hình phổ biến ứng dụng hiệu ứng áp điện trở việc chuyển đổi tín hiệu - điện sử dụng cầu điện trở Wheatstone nh mô tả hình R1 R2 Vout R4 R3 Vin Cầu gồm bốn điện trở có giá trị tĩnh nh đợc đặt vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại màng silic Trong phơng pháp lấy hiệu lối ra, nguồn nuôi cầu điện trở khoảng vài vôn đợc cấp cho cầu qua điểm 3, hiệu lối đợc lấy điểm Các điện trở R1, R2, R3, R4 đợc tạo phơng pháp cấy tạp chất phần tử nhạy Vì giá trị tĩnh điện trở nh nhau, nên phần tử nhạy cha 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 Do cách bố trí điện trở, biến đổi hai điện trở R1 R3 ngợc chiều với hai điện trở lại R2 R4 Nếu R1 R3 tăng giá trị R2 R4 giảm giá trị ngợc lại Điện điểm tăng điện điểm lại giảm Sự chênh lệch vi sai gữa nhánh tăng gấp đôi so với nhánh Đây phơng pháp vi sai đo chênh lệch điện nhánh cầu điện trở Theo hiệu ứng áp điện trở, thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc cách định lợng vào biến dạng vật liệu, tức phụ thuộc cách định lợng vào tác dụng học, nên hiệu lối phụ thuộc cách định lợng vào tác dụng học Đo hiệu lối ra, hoàn toàn xác định đợc tác dụng học đặt lên phần tử nhạy Nguyên lý làm việc dựa biến dạng màng hay cấu trúc dầm (gọi chung phần tử nhạy) đợc chuyển thành tín hiệu điện tơng ứng nhờ áp điện trở cấy phần tử nhạy Khi phần tử nhạy cảm biến bị uốn cong, áp điện trở thay đổi giá trị Độ nhạy nh vùng làm việc tuyến tính vi cảm biÕn phơ thc rÊt nhiỊu vµo kÝch thíc cÊu tróc cơ, dạng kích thớc áp điện trở, vị trí áp điện trở phần tử nhạy Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng bị biến dạng áp lực phân bố màng bị thay đổi Do hiệu ứng áp trở, giá trị điện trở thay đổi từ chuyển đổi thành tín hiệu điện lối 1.2.2 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu tụ Cấu trúc cảm biến gồm màng gọi phần tử nhạy đợc phủ lớp kim loại mỏng làm cực tụ điện, lớp kim loại khác đợc phủ lên đế cố định làm cực thứ hai, gắn phần tử nhạy với đế cách thích hợp cho hai cực nằm đối diện nhau, ta ®· t¹o mét tơ cã ®iƯn dung thay ®ỉi đợc Nguyên lí hoạt động cảm biến trình bày nh sau: Khi có áp suất tác động vào phần tử nhạy, uốn cong phần tử nhạy làm cho khoảng cách hai tụ thay ®ỉi, ®ã ®iƯn dung cđa tơ còng thay đổi theo Đó nguyên lí chuyển đổi tín hiệu sang điện kiểu điện dung Hoàn toàn ta thu xử lí dễ dàng tín hiệu nhờ mạch đợc tích hợp đế silic 1.3 Vật liệu công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS 1.3.1 Vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS MEMS bao gồm cấu trúc vi điện hoạt động cách hòa hợp, thống Mỗi phận linh kiện MEMS thờng cấu tạo vật liệu khác ví dụ: dây dẫn làm từ kim loại, điện trở làm từ bán dẫn pha tạp Tính chất vật liệu phận ảnh hởng đến đặc tính linh kiện Vì thế, việc tạo nên linh kiện MEMS đòi hỏi kiến thức vững vàng loại vật liệu để kết hợp chúng cách tốt thiết kế xây dựng quy trình chế tạo hợp lý Trên thực tế, công nghệ MEMS tập hợp chung kỹ thuật chế tạo khác Vì vậy, vật liệu đợc sử dụng công nghệ MEMS réng r·i : silic, thđy tinh, gèm, polymer… Tuy nhiªn vật liệu chủ yếu đợc sử dụng để chế tạo cảm biến dựa công nghệ MEMS silic Vật liệu silic đợc biết đến vật liệu công nghệ vi điện tử, đợc sử dụng để chế tạo điện trở, tụ điện, transitor, chíp vi mạch tổ hợp v.v Các linh kiện MEMS đợc phát triển trớc hết dựa công nghệ vi điện tử để tạo mạch điện tử tổ hợp sử dụng kỹ thuật ăn mòn để tạo cấu trúc cơ, dựa đặc điểm đặc biệt cấu trúc mạng tinh thể để ăn mòn cấu trúc Với phẩm chất trội vật liệu silic tính chất cơ, tính chất điện, vật liệu silic trở thành vật liệu chủ yếu c«ng nghƯ MEMS 1.3.1.1 VËt liƯu Silic (a) (b) (c) Hình 3.6 Đồ hoạ ứng suất cảm biến áp suất, màng có dạng phẳng đều, dới tải áp suất 1atm: (a) Thành phần ứng suất x; (b) Thành phần ứng suất y; (c) Thành phần ứng suất trợ txy (a) (b) (c) Hình 3.61 Đồ hoạ ứng suất cảm biến áp suất, màng có dạng góc mỏng, dới tải áp suất 1atm: (a) Thành phần ứng suất x; (b) Thành phần ứng suất y; (c) Thành phần ứng suất trợt xy (a) (b) (c) Hình 3.62 Đồ hoạ ứng suất cảm biến áp suất, màng có dạng góc mỏng tối u, dới tải áp suất 1atm: (a) Thành phần ứng suất x; (b) Thành phần ứng suất y; (c) Thành phần ứng suất trợt xy Biến dạng xuất tâm màng trái dấu so 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 ngợc lại Vì ứng suất thẳng góc xuất khu vực trái dấu nhau, tâm màng phân bố ứng suất âm cạnh màng lại quan sát đợc dơng Phân bố ứng suất thẳng góc có hai cực trị trái dấu, cực trị tâm màng cực trị điểm cạnh màng Đây vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại Tuy nhiên ứng suất tâm màng nhỏ so với trung điểm cạnh màng áp điện trở đợc đặt trung điểm sát cạnh màng Trên đồ hoạ chiều cho thấy từ vïng biÕn d¹ng nÐn sang biÕn d¹ng gi·n, ta quan sát thấy khu vực chuyển tiếp có phân bố ứng suất nhỏ ứng suất Miền nằm miền cực trị ứng suất tâm màng lân cận trung điểm cạnh màng Xét thành phần ứng suất trợt ta thấy xuất hiƯn ë gãc mµng Trong øng st thẳng góc đạt cực trị tâm màng trung điểm cạnh màng, ứng suất trợt lại nhỏ khu vực Tuy nhiên thành phần ứng suất trợt nhỏ thành phần ứng suất vuông góc khác Vì thay đổi cấu trúc màng không ảnh hởng nhiều tới độ bền cảm biến mà vùng ứng suất trung điểm cạnh màng đợc mở rộng làm tăng vùng làm việc tuyến tính nơi đặt áp điện trở vuông góc với cạnh màng Kết mô r»ng øng st theo trơc Oy cđa cđa mµng góc mỏng tối u lớn so với màng dày màng góc mỏng Cụ thể tải áp suất đặt vào màng 1atm øng st cđa mµng gãc máng tèi u 0.4 x 10-3 N/m2 màng góc mỏng 0.1 x 10-3 N/m2, màng dày 0.09 x 10-3 N/m2 3.7 Sù phơ thc cđa điện áp vào tải áp suất Cầu điện trở Wheatstone đợc thiết kế gồm điện trở có giá trị tĩnh nh nhau, đặt khu vực trung điểm cạnh màng Hai điện trở đặt song song với cạnh màng chiều dài là: 100 m, hai điện trở thiết kế kiểu chữ đặt vuông góc với cạnh màng chiều dài điện trở đợc chọn là: 50 m, chiều rộng điện trở là: 10 m, độ sâu lớp khuếch tán điện trở đợc chọn là: m Với thông số này, áp điện trở có giá trị tĩnh khoảng 500 , cầu điện trở đợc thiết kế nh phù hợp với điện áp nguồn nuôi V chiều [1] Kết vỊ sù phơ thc cđa thÕ hiƯu lèi theo áp suất phạm vi tải áp suất mô cho thấy áp suất đặt vào ta có giá trị hiệu lối xác định Sù phơ thc cđa thÕ hiƯu lèi theo ¸p suất xem nh tuyến tính (hình 3.7) Từ việc xác định hiệu lối ta biết đợc áp suất tác dụng vào màng M ng dy đề u m àng góc m ỏng tối ưu 100 90 80 Điện áp (mV/V) 70 60 50 40 30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 atm ¸p suÊt (atm) Hình 3.7 Điện áp cầu Wheatstone cảm biến chịu tải áp suất So sánh kết đầu toán mô ta nhận thấy thay đổi cấu trúc màng phẳng truyền thống màng bốn góc mỏng tối u điện lối màng bốn góc mỏng tối u chênh lệch so với màng phẳng áp suất 2atm 11.42 mV/V Điều cho thấy thay đổi cấu trúc màng vùng ứng suất trung điểm cạnh màng tăng Nó làm tăng vùng làm việc tuyến tính cho áp điện trở, nhờ mà tín hiệu điện lối tăng 3.8 Khảo sát phụ thuộc độ nhạy vào điện áp nguồn nuôi Với kích thớc góc làm mỏng nh trên, dới tải áp suất 1atm Ta khảo sát phụ thuộc độ nhạy vào điện áp nguồn nuôi cách thay giá trị điện áp nguồn nuôi vào toán mô Chơng trình mô ANSYS cho phép xác định độ nhạy với kết nh sau : Độ nhạy 250 200 150 100 50 V Hình 3.8 Độ nhạy cảm biến điện áp nguồn nuôi thay đổi Kết cho thấy, vùng khảo sát điện áp độ nhạy không thay đổi đạt giá trị 221 mV/Vatm ta thay đổi điện áp nguồn nuôi KếT LUậN Các kết đạt đợc từ luận văn Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở độ nhạy cao cho phép rút số kết luận sau: - Đã phát triển đợc cấu trúc cảm biến áp suất dựa cấu trúc màng cảm biến áp suất MEMS dạng phẳng màng góc mỏng Đó cấu trúc màng có góc mỏng tối u Trên cấu trúc màng cảm biến áp suất phẳng hay góc mỏng, khu vực góc màng nơi xuất ứng suất học nhỏ khu vực tâm màng khu vực trung điểm cạnh màng, bề dày đợc thiết kế nhỏ phần khác Điều làm cho khu vực đặt áp điện trở có phân bố ứng suất vừa lớn vừa Đã khảo sát lựa chọn đợc kích thớc cạnh a1 a2 góc làm mỏng giá trị tối u Đó a1 = 400 m a2 = 370 m ứng với cảm biến có kích thớc màng x mm2 - Đã mô đặc trng tính màng cảm biến dới tải áp suất nh phân bố độ lệch, phân bố ứng suất màng vùng làm việc tuyến tính dựa phần mềm ANSYS So với cấu trúc màng phẳng hay màng góc mỏng, màng cảm biến góc mỏng tối u có đặc trng đáp ứng học dới tải áp suất đợc cải thiện tốt Dới tải áp suất, màng có góc làm mỏng tối u có độ lệch màng cao hơn, có phân bố ứng uất vùng đặt áp điện trở đồng hơn, có độ nhạy cao so với cấu trúc lại - Dựa thiết kế tối u, nhóm thực nghiệm triển khai quy trình công nghệ chế tạo cảm biến với đặc trng linh kiện đợc xác định cải thiện tốt so với cấu trúc tơng tự Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Đinh Văn Dũng(2004), Nghiên cứu chế tạo cảm biến vi sở hiệu ứng áp trở, Luận án tiến sĩ Vật lý, Th viện Trờng ĐHSP Hà Nội [2] § V Dòng, V N Hïng, L V D Khơng , T Q Thông, N Đ Chiến (6/ 2000), Kỹ thuật giải toán độ lệch màng khảo sát số thông số vật lý sensor áp suất kiểu áp trở phơng pháp số, Tạp chí Khoa học công nghệ, số 25 +26/2002, tr 23 – 27 [3] § V Dòng, V N Hùng, T Q Thông, N Đ Chiến (12/ 2001), Nghiên cứu thiết kế sensor áp suất kiểu cầu điện trở, Hội nghị Khoa học lần thứ 19 Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội, Tuyển tập Công trình Khoa häc 2001, Ph©n ban VËt lý Kü thuËt, tr 33 37 [4] Đinh Văn Dũng (2010), Cải thiện phân bố ứng suất nâng cao độ nhạy cảm biến áp suất MEMS kiểu áp trở dựa giải pháp màng góc mỏng, Tạp chí Khoa học Công nghệ, ISSN 0868 3980, Các trờng Đại học Kĩ thuật [5] Nguyễn Văn Phái, Trơng Tích Thiện, Nguyễn Tờng Long, Nguyễn Định Giang (2006), Giải toán kỹ thuật chơng trình ANSYS, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà nội [6] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến (2008), Giáo trình cảm biến, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [7] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi(2003), Hớng dẫn sử dụng ANSYS, NXB Giáo dục, Hà Nội [8] Nguyễn Thành Long (2009) Nghiên cứu mô hình hóa cấu trúc mô đặc trng hoạt động cảm biến áp suất MEMS kích thớc nhỏ, Th viện Trờng ĐHSP Hà Nội TiÕng Anh [9] Alavi M, Buttgenbach S, Schumacher A, and Wagner H J (1992), “Fabrication of Microchannels by Laser Manchining and Anisotropic Etching of Silicon”, Sensors and Actuators, vol A 32, pp 299 – 302 [10] Boukabache A, Pons P, Blasquez G and Dibi Z (2000), “Characterization and modeling of the mismatch of TCRs and their effects on the drift of the offset voltage of piezoresistive pressure sensors”, Sensors and Actuators, vol A 84, pp 292 – 296 [11] D V Dung, T Q Thong , V N Hung and N D Chien (9/2001), “Design and fabrication of four – terminal silicon pressure sensor”, Communications in Physics, ISSN 0868 – 3166, vol 11, no 3, pp 169174 [12] D V Dung, T Q Thong, V N Hung and N D Chien (11/1999), “Using finitedifference method to calculate distribution and pressure membrane deflection, stress sensitivity of piezoresistive sensors”, Proceedings of the Third International Wordshop on Materials Science (IWOMS’99), Ha noi, pp 853 – 856 [13] Dzung Viet Dao (2003), Study on Silicon Piezoresistive Six – Degree of Freedom Micro Force – Moment Sensors and Application to Fluid Mechanics, Doctoral Program in Science and Engineering Ritsumeikan University [14] Kloeck B, Collins S D, de Rooij N F and Smith R L (1989), “Study of electronchemical etch – stop for high precision thickness control of silicon membranes”, IEEE Transaction Electron Devices, vol 36, no 4,pp 663 – 669 [15] Marc Madou (1997), Fundamentals of Microfabrication, CRC Press LLC, USA Phô lôc Chơng trình mô cảm biến áp suất! Phụ lục /title,pressure sensor /units,user_micromet !chieu dai theo micromet /prep7 !Cac hang so ve tinh chat dien cua silic p11=6.6e-5 !don vi micromet2/(micromet.kg/s2) p12=-1.1e-5 ! p44=138.1e-5 ! c11=1.66e+5 !(micromet.kg/s2)/micromet2 c12=0.64e+5 ! c44=0.8e+5 ! !Khoi luong rieng cua silic dens_silic=2.329e-15 !kg/micromet3 E_silic=1.7e+5 !(micromet.kg/s2)/micromet2 Poi_silic=0.28 !he so poisson ! Khai bao ansys ve vat lieu Si ap tro -cac dien tro si1=1 et,1,solid226,101 mp,dens,si1,dens_silic !mp,ex,si1,E_silic !mp,ey,si1,E_silic !mp,ez,si1,E_silic !mp,nuxy,si1,Poi_silic mp,rsvx,si1,7.8e+16 !don vi (micromet2.kg/s3A2).micromet mp,rsvy,si1,7.8e+16 mp,rsvz,si1,7.8e+16 TB,PZRS,1 TBDATA,1,p11,p12,p12 TBDATA,7,p12,p11,p12 TBDATA,13,p12,p12,p11 TBDATA,19,0,0,0,p44,0,0 TBDATA,25,0,0,0,0,p44,0 TBDATA,36,p44 tb,anel,Si1,1 !tinh chat nhiet o mot nhiet 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 ! Khai bao ansys ve Vat lieu Si de - phan mang cam bien si2=2 et,Si2,solid186 mp,dens,si2,dens_silic !mp,ex,si2,E_silic !mp,ey,si2,E_silic !mp,ez,si2,E_silic !mp,nuxy,si2,Poi_silic tb,anel,Si2,1 !tinh chat nhiet o mot nhiet 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=1000 !chieu rong mang h=10 !be day mang h1=h-5 !be day mang ghep c=2 !be day dien tro !Dien tro l1=100 !chieu dai dien tro truc x l2=50 !chieu dai dien tro truc y w=10 !chieu rong dien tro kc=10 !khoang cach tu mep mang den dau dien tro kc1=20 !cach y m=50 !cach x !mang ghep a1= 400 !chieu dai a2=370 !chieu rong !Mo hinh bo tri cac dien tro ! -! y1-y2 ! -! x1 x2 -! -! y3-y4 ! -LOCAL,11 LOCAL,12,,,,,45 CSYS,11 !Ve mang co day phan vung rectng,-a/2+a1,a/2-a1,a/2,-a/2 ! rectng,-a/2,a/2,a/2-a2,-a/2+a2 ! rectng,a/2,a/2-a1,a/2,a/2-a2 ! rectng,-a/2,-a/2+a1,-a/2,-a/2+a2 ! rectng,-a/2,-a/2+a1,a/2,a/2-a2 ! rectng,a/2,a/2-a1,-a/2,-a/2+a2 ! !Ve than cac dien tro rectng,-w-kc1,-kc1,a/2-kc-w,a/2-kc-w-l2 ! rectng,kc1,kc1+w,a/2-kc-w,a/2-kc-w-l2 ! rectng,-(w+kc1),-kc1,-a/2+kc+w,-a/2+kc+w+l2 ! rectng,kc1,kc1+w,-a/2+kc+w,-a/2+kc+w+l2 ! rectng,-a/2+kc,-a/2+kc+w,m,-m ! rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,m,-m ! !Ve dau cua cac dien tro rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,a/2-kc,a/2-kc-2*w rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,a/2-kc-l2,a/2-kc-l2-2*w rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),a/2-kc,a/2-kc-2*w rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),a/2-kc-l2,a/2-kc-l2-2*w rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,-a/2+kc,-a/2+kc+2*w rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,-a/2+kc+l2,-a/2+kc+l2+2*w rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),-a/2+kc,-a/2+kc+2*w rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),-a/2+kc+l2,-a/2+kc+l2+2*w rectng,-a/2+kc-w/2,-a/2+kc+3*w/2,m+w,m-w rectng,-a/2+kc-w/2,-a/2+kc+3*w/2,-m+w,-m-w rectng, a/2-kc+w/2,a/2-kc-3*w/2,m+w,m-w rectng, a/2-kc+w/2,a/2-kc-3*w/2,-m+w,-m-w !Cac diem tiep xuc rectng,-(w+kc1),-kc1,a/2-kc-w/2,a/2-kc-3*w/2 ! rectng,-(w+kc1),-kc1,a/2-kc-l2-w/2,a/2-kc-l2-3*w/2 ! rectng,kc1,w+kc1,a/2-kc-w/2,a/2-kc-3*w/2 ! rectng,kc1,w+kc1,a/2-kc-l2-w/2,a/2-kc-l2-3*w/2 ! rectng,-(w+kc1),-kc1,-a/2+kc+w/2,-a/2+kc+3*w/2 ! rectng,-(w+kc1),-kc1,-a/2+kc+l2+w/2,-a/2+kc+l2+3*w/2 ! rectng,kc1,w+kc1,-a/2+kc+w/2,-a/2+kc+3*w/2 ! rectng,kc1,w+kc1,-a/2+kc+l2+w/2,-a/2+kc+l2+3*w/2 ! rectng,-a/2+kc,-a/2+kc+w,m-w/2,m+w/2 ! rectng,-a/2+kc,-a/2+kc+w,-m+w/2,-m-w/2 ! rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,m-w/2,m+w/2 ! rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,-m+w/2,-m-w/2 ! !Ghep cac than va tiep xuc dien tro aadd,7,13,14 ! aadd,8,15,16 ! aadd,9,17,18 ! aadd,10,19,20 ! aadd,11,21,22 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! aadd,12,23,24 ! !Ghep mat chinh de aadd,1,2 ! !Tao the tich khoi vext,3,6,1,0,0,-d1 ! vext,12,,,,,-d ! vext,7,11,1,0,0,-c ! vext,37,37,1,0,0,-c ! vext,25,36,1,0,0,-c ! !Lam trung cac the tich giao vovlap,all ! vsel,all !Chia luoi !Su dung he toa toan cuc esys,12 type,1 mat,1 !Chia khoi cac diem tiep xuc o dau dien tro esize,2*c/1 mshape,1,3-D vmesh,12,23,1 !Chia luoi than dien tro esize,2*c/1 mshape,1,3-D vmesh,24,29,1 !Chia luoi de type,2 mat,2 mshape,1,3-D esize,2*h1/1 vmesh,30,30,1 esize,2*h1/1 vmesh,1,4,1 ! -ksel,all nsel,all esel,all nummrg,kp,5e-10 nummrg,elem,5e-10 nummrg,node,5e-10 nummrg,all ! fini !============================================= /solu antype,stat,new ! !Noi cau dien tro, dat diue kien bien ve dien asel,s,area,,29 asel,a,area,,34 nsla,s,1 cp,1,volt,all *get,V_in,node,0,num,min d,V_in,volt,5*(1e+12) !micromet2.kg/s3A ! asel,s,area,,27 asel,a,area,,35 nsla,s,1 cp,2,volt,all ! *get,V_G,node,0,num,min d,V_G,volt,0 ! asel,s,area,,36 asel,a,area,,31 nsla,s,1 cp,3,volt,all *get,V_Out_Neg,node,0,num,min ! asel,s,area,,33 asel,a,area,,25 nsla,s,1 cp,4,volt,all *get,V_Out_Pos,node,0,num,min ! asel,s,area,,26 asel,a,area,,28 nsla,s,1 cp,4,volt,all ! asel,s,area,,30 asel,a,area,,32 nsla,s,1 cp,4,volt,all ! - !Dat dieu kien bien ve co 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 d,all,uy,0 d,all,uz,0 ! -Phô lôc !dat tai ap suat pres_p_in=0.8 ! pres_p=pres_p_in*(1.01325e-7)*(1e+6) asel,s,loc,z,0,0 sfa,all,,pres,pres_p ! -!giai bai toan nsel,all esel,all vsel,all allsel,all solve fini Phô lôc /post1 Pressure=pres_p_in V1=volt(V_out_Pos) V2=volt(V_out_Neg) V_output=abs(V1-V2)*1000/(1e+12) ! !dien ap tinh bang milivolt ... phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi cảm biến kiểu áp trở cảm biến kiểu tụ đợc trình bày dới 1.2.1 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở Cấu trúc cảm biến sử dụng thờng màng vuông có cấy áp điện trở kiểu. .. tạo cảm biến áp suất MEMS truyền thống, đề tài phát triển cấu trúc cảm biến áp suất Dựa phần mềm ANSYS , mô cấu trúc cảm biến, đặc trng hoạt động cảm biến nh mô độ lệch, ứng suất, độ nhạy cảm biến. .. gian chi phí cho nghiên cứu công nghệ khảo sát thực nghiệm tốn Đề tài Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở độ nhạy cao đợc đặt cho luận văn Trên cở sở nghiên cứu cấu trúc, vật