Nghiên cứu thiết kế cảm biến ba bậc tự do kiểu áp điện trở (3DOF)

Nghiên cứu thiết kế cảm biến gia tốc ba bậc tự do kiểu áp điện trở. Trình bày chi tiết các nội dung nghiên cứu: tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử, đề xuất ý tưởng, nghiên cứu thiết kế các thông số, lắp đặt áp điện trở, tính toán và kiểm nghiệm gia tốc, đề xuất quy trình chế tạo cảm biến.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ CẢM BIẾN GIA TỐC ÁP TRỞ BẬC TỰ DO Nhóm 1- KT.CĐT-02 Giảng Viên Hướng Dẫn PGS Phạm Hồng Phúc Thuyết Trình Nguyễn Phương Linh(*) Hà Nội, ngày tháng năm 2020 NỘI DUNG ĐỀ TÀI I TỔNG QUAN II THIẾT KẾ MƠ HÌNH III MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN IV QUY TRÌNH CHẾ TẠO V KẾT LUẬN PHẦN I: TỔNG QUAN MEMS gì? TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN I: TỔNG QUAN Cảm biến gia tốc Định nghĩa: Cảm biến gia tốc thiết bị tiếp nhận tín hiệu đầu vào gia tốc chuyển đổi thành tín hiệu điện để đo lường Phân loại: • Cảm biến gia tốc kiểu tụ điện • Cảm biến gia tốc kiểu áp điện • Cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở Hiệu ứng áp điện trở: • Là tượng thay đổi vật liệu tinh thể tác động ngoại lực • Ứng dụng rộng rãi TỔNG QUAN THIẾT KẾ Cảm biến gia tốc áp trở bậc tự MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN I: TỔNG QUAN Cảm biến gia tốc Thành phần: • Khối gia trọng • Bộ phận giảm chấn (lò xo, cản nhớt) • Phần tử cảm ứng •Phương   trình động lực học: • • • • • • k hệ số độ cứng lò xo c hệ số giảm chấn m khối lượng khối gia trọng a gia tốc hệ x chuyển vị tổng ngoại lực tác dụng lên hệ Nguyên lý đo TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN I: TỔNG QUAN Một số báo tham khảo ‘’ Simulation, fabrication and characterization of a three-axis piezoresistive accelerometer ’’ Ranjith Amarasinghe, Dzung Viet Dao, Toshiyuki Toriyama and Susumu Sugiyama Bài báo nghiên cứu cảm biến gia tốc áp trở bậc siêu nhỏ chế tạo công nghệ gia công vi khối Ưu điểm • Cấu trúc đơn giản • Dễ chế tạo TỔNG QUAN Nhược điểm • Kích thước chip lớn • Khoảng đo khoảng THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN I: TỔNG QUAN Một số báo tham khảo ‘’A Mathematical Model of a Piezo-Resistive EightBeam Three-Axis Accelerometer with Simulation and Experimental Validation.’’ Jinlong Song, Changde He, Renxin Wang, Chenyang Xue and Wendong Zhang Bài báo nghiên cứu mô hình tốn học tồn diện cảm biến gia tốc áp trở bậc với cấu tạo gồm dầm ngang, khối gia trọng khung đỡ Ưu điểm Nhược điểm • Cấu trúc đơn giản • Dễ chế tạo • Độ nhạy cao TỔNG QUAN • Kích thước lớn so với thiết bị THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN I: TỔNG QUAN Một số báo tham khảo “Fabrication and Characteristics of a Three-Axis Accelerometer with Double L-Shaped Beams.” Ying Wang, Xiaofeng Zhao and Dianzhong Wen Phân tích cấu tạo đặc tính cảm biến gia tốc trục với cấu tạo dầm chữ L Ưu điểm • Độ xác cao TỔNG QUAN Nhược điểm • Kết cấu phức tạp THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO 10 PHẦN II: THIẾT KẾ Dầm nhạy Khung đỡ Quả nặng TỔNG QUAN THIẾT KẾ Cấu trúc Kích thước (DàixRộngxCao) µm Quả nặng 620x620x630 Dầm L1=480, L2=840, w=80, h=10 Kích thước tổng thể 2000x2000x700 MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 14 Ứng suất chuyển vị • Chuyển vị lớn theo phương Z Gia tốc (g) Chuyển vị (m) 0.486 0.972 1.458 1.944 2.43 2.916 3.402 3.887 4.437 10 4.859 TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 15 Ứng suất chuyển vị • Mơ ứng suất chuyển vị theo phương Z TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 16 Ứng suất chuyển vị • Ứng suất lớn theo phương X Gia tốc (g) Ứng suất (MPa) 2.3 4.6 6.9 9.2 11.5 13.8 16.1 18.4 20.7 10 23.0 TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 17 Ứng suất chuyển vị • Chuyển vị lớn theo phương X Gia tốc (g) Chuyển vị (m) 0.414 0.828 1.241 1.655 2.069 2.483 2.897 3.31 3.724 10 4.138 TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 18 Ứng suất chuyển vị • Mơ ứng suất chuyển vị theo phương X TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO 19 PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN Tính tốn điện áp • Tenxo áp điện trở silic đơn tinh thể: � � � d1 � �Δρ1 � �π11 π12 π12 � � � � Δρ � d π12 π11 π12 �2 � � � � � d3 � �Δρ3 � � π12 π12 π11 � � = � �= � d4 � ρ Δρ4 �0 0π � � � � d5 � �Δρ � �0 0 � � � 5� � d6 � 0 � � � � � � � Δρ � 6� 0 44 0π 0 0 44 0π σ xx � �� � �� σ �� yy � � �� σ zz � � � ��τ xy � ��τ � �� yz � � � 44 � ��τ xz � 0 • Cơng thức liên hệ độ biến thiên điện trở ứng suất: ΔR = π11.σ xx +π12.σ yy +π12.σ zz =π11.σ xx R TỔNG QUAN (σ xx >>σ yy ,σ zz ) THIẾT KẾ � π11=6,6.105 MPa1 �� KTADT 20x1.5x0.4  m � MÔ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 20 Tính tốn điện áp • Cơng thức điện áp đầu ra: ΔR1 ΔR2 ΔR3 ΔR4 Vout = ( + + + ).Vin R R R R ΔR Vout = Vin =π11σ xx Vin R TỔNG QUAN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 21 Tính tốn điện áp • Mạch cầu Wheatstone: TỔNG QUAN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 22 Điện áp theo gia tốc R3X R3Y R1Z R1Y R4Z R1X R2X R3Z R2Y R2Z R4Y R4X Vị trí lắp đặt áp điện trở để đo gia tốc theo phương TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO 23 PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN Điện áp theo gia tốc • Điện áp đầu theo phương Z Gia tốc (g) Vout (mV) 0.60 7.00 1.27 6.00 1.90 5.00 2.54 4.00 3.17 3.00 3.81 2.00 4.44 5.08 1.00 5.71 0.00 10 6.35 TỔNG QUAN THIẾT KẾ Đồ thị điện áp đầu Vout - gia tốc theo phương Z MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 10 12 QUY TRÌNH CHẾ TẠO 24 PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN Điện áp theo gia tốc • Điện áp đầu theo phương X Gia tốc (g)  Vout (mV) 0.46 5.00 4.50 0.91 4.00 1.37 3.50 1.82 3.00 2.28 2.50 2.00 2.73 1.50 3.19 1.00 3.64 0.50 4.10 0.00 10 4.55 TỔNG QUAN THIẾT KẾ Đồ thị điện áp đầu Vout - gia tốc theo phương X MÔ PHỎNG – TÍNH TỐN 10 12 QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN 25 •5.  Độ nhạy • Là khoảng gia tốc nhỏ cảm biến đo (dải đo nhóm thực từ 1-10g, Điệp áp vào ) Vout 6,35 mV   �0,211( ) Vin g 3.10 V.g TỔNG QUAN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO 26 PHẦN IV: QUY TRÌNH CHẾ TẠO TỔNG QUAN Chuẩn bị wafer Quang khắc tạo khn cho ăn mịn DRIE Ăn mịn hoạt hóa sâu DRIE mặt Oxi hóa nhiệt Quang khắc tạo khn cho ăn mịn DRIE Ăn mịn hoạt hóa sâu DRIE mặt Quang khắc tạo lỗ hổng để khuếch tán Hủy bỏ lớp SiO2 ăn mòn ướt BHF Khuếch tán Boron Ăn mòn thủy tinh Pyrex Hình thành dây dẫn nhơm Anodic bonding – tạo liên kết Wafer silic thủy tinh Pyrex THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PHẦN V: KẾT LUẬN • Nhóm nghiên cứu, phân tích tính tốn đưa kích thước mơ hình cảm biến gia tốc phù hợp với ý tưởng đề xuất • Cải tiến độ nhạy giảm kích thước mơ hình so với báo tham khảo • Cấu trúc mơ hình cảm biến đơn giản, độ ổn định làm việc cho tín hiệu rõ ràng tính đối xứng cao • Hướng phát triển: nghiên cứu đưa mơ hình tối ưu cho cảm biến với độ nhạy cao 27 ... nghĩa: Cảm biến gia tốc thiết bị tiếp nhận tín hiệu đầu vào gia tốc chuyển đổi thành tín hiệu điện để đo lường Phân loại: • Cảm biến gia tốc kiểu tụ điện • Cảm biến gia tốc kiểu áp điện • Cảm biến. .. Cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở Hiệu ứng áp điện trở: • Là tượng thay đổi vật liệu tinh thể tác động ngoại lực • Ứng dụng rộng rãi TỔNG QUAN THIẾT KẾ Cảm biến gia tốc áp trở bậc tự MƠ PHỎNG –... R4X Vị trí lắp đặt áp điện trở để đo gia tốc theo phương TỔNG QUAN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN QUY TRÌNH CHẾ TẠO 23 PHẦN III: MƠ PHỎNG – TÍNH TỐN Điện áp theo gia tốc • Điện áp đầu theo phương