Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng vi cảm biến lực áp trở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VŨ MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HUẾ - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VŨ MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH HUẾ - 2014 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS.TS Chử Đức Trình, người hướng dẫn tơi tận tình, chu đáo trình thực luận văn Sự bảo tận tâm thầy mang lại cho hệ thống phương pháp, kiến thức kỹ q báu để hồn thiện đề tài cách tốt Tôi xin chân thành cảm ơn phịng Đào tạo, thầy giáo, giáo khoa Điện tử viễn thông, trường đại học Công nghệ, đặc biệt thầy giáo Bộ môn , khoa Điện tử viễn thông - người mà thời gian qua dạy dỗ, truyền thụ kiến thức khoa học, giúp bước trưởng thành Tôi xin trân trọng cảm ơn phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học, Đại học Huế hỗ trợ thời gian học tập thực luận văn Xin chân thành cảm ơn người thân, gia đình bạn bè - người hỗ trợ nhiều vật chất lẫn tinh thần để tơi học tập đạt kết tốt thực thành công luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2014 Trần Vũ Minh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực Những kết từ tác giả trước mà sử dụng luận văn trích dẫn rõ ràng, cụ thể Khơng có khơng trung thực kết tính tốn Nếu có sai trái, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2014 Học viên Trần Vũ Minh TĨM TẮT Nhiệm vụ luận văn tìm hiểu vi cảm biến, cụ thể tìm hiểu vi cảm biến lực đa chiều áp trở Trên sở lý thuyết tìm hiểu được, thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở nhận biết đo lực theo nhiều chiều Luận văn vào tìm hiểu mơ hình vi cảm biến lực, mơ hình vi cảm biến lực đa chiều, cấu trúc dầm cantilever cho vi cảm biến lực đa chiều, sở hiệu ứng áp trở vi cảm biến lực áp trở Dựa sở lý thuyết nghiên cứu được, luận văn thực việc thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở Luận văn xây dựng công thức liên quan cho cấu trúc Cuối cùng, luận văn thực việc mô phần mềm COMSOL để khảo sát thiết kế vi cảm biến đồng thời trình bày kết đạt để từ xây dựng hướng phát triển MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG GIỚI THIỆU 10 CHƯƠNG 1: VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU 10 1.1 1.2 1.3 1.4 Mơ hình vi cảm biến lực đa chiều 11 1.1.1 Mơ hình vi cảm biến 11 1.1.2 Mơ hình vi cảm biến lực 13 1.1.3 Mơ hình vi cảm biến lực chiều 13 Vi cảm biến lực đa chiều dạng dầm cantilever 14 1.2.1 Thanh dầm cantilever chữ I 14 1.2.2 Thanh dầm cantilever chữ L 17 Các tiêu chí cho việc thiết kế vi cảm biến lực đa chiều 17 1.3.1 Đường cong chuẩn cảm biến 17 1.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến 18 1.3.3 Độ nhạy 19 1.3.4 Độ tuyến tính 20 1.3.5 Sai số độ xác 20 Kết luận chương 21 CHƯƠNG 2: VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ 2.1 2.2 21 Phân loại vi cảm biến lực 22 2.1.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ 22 2.1.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện 22 2.1.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở 23 2.1.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang 25 Vi cảm biến lực áp trở 26 2.2.1 Đặc tính học Silic đơn tinh thể 26 2.2.2 Hiệu ứng áp điện trở 28 2.3 Mạch cầu Wheatstone 32 2.4 Nhiễu 33 2.5 2.4.1 Nhiễu Johnson 33 2.4.2 Nhiễu flicker 33 Kết luận chương 34 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU ÁP TRỞ 34 3.1 Mơ hình cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở 35 3.2 Cấu hình ngang 3.3 Cấu hình dọc 40 3.4 Cấu hình dài 43 3.5 Kết luận chương 37 46 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 46 4.1 Thiết kế thơng số hình học vi cảm biến 47 4.2 Mô 47 4.2.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL 48 4.2.2 Mô dầm cantilever chữ L 48 4.2.3 Cấu hình ngang 48 4.3 4.2.4 Cấu hình dọc 49 4.2.5 Cấu hình dài 50 Kết luận chương 50 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Mơ hình vi cảm biến 12 1.2 Mơ hình vi cảm biến lực 13 1.3 Mơ hình vi cảm biến lực chiều 14 1.4 Thanh dầm cantilever chữ I 15 1.5 Phân bố ứng suất dầm 16 1.6 Thanh dầm cantilever chữ L 17 1.7 Đường cong chuẩn cảm biến tuyến tính 18 2.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ 23 2.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện 24 2.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở 24 2.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang 25 2.5 Các thành phần ứng suất 27 2.6 Mạch cầu Wheatstone 32 2.7 Mật độ phổ công suất nhiễu flicker 34 3.1 Vi cảm biến lực chiều áp trở 3.2 Khối đặt lực tác dụng 37 3.3 Sơ đồ cấu hình : a) Cấu hình ngang b) Cấu hình dọc c) Cấu hình dài d) 36 Bố trí cầu Wheatstone với cơng tắc chuyển từ a) sang b) 38 3.4 Cấu hình ngang 39 3.5 Điện áp cấu hình ngang 40 3.6 Cấu hình dọc 41 3.7 Điện áp cấu hình dọc 42 3.8 Cấu hình dài 43 3.9 Cấu hình dài 44 3.10 Điện áp cấu hình ngang 45 4.1 Giao diện phần mềm COMSOL 49 4.2 Thanh dầm cantilever chữ L 50 4.3 Phân bố ứng suất cấu hình ngang 51 4.4 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình ngang 51 4.5 Phân bố ứng suất cấu hình dọc 52 4.6 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dọc 52 4.7 Phân bố ứng suất cấu hình dài 53 4.8 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dài 53 41 Hình 3.6: Cấu hình dọc : ρ điện trở suất ban đầu, ∆ρ độ biến thiên điện trở suất áp điện trở, πl πt hai hệ số áp điện trở dọc ngang, σl σt ứng suất dọc ứng suất ngang, x tọa độ điểm cần tính Đối với dầm độ lệch vị trí có lực tác dụng nhỏ nhiều so với chiều dài dầm nên bỏ qua σt [6] ∆ρ |x = πl σl |x ρ (3.52) Điện trở áp điện trở tính bằng: Ls R= ρ dx S : ρ điện trở suất áp điện trở, Ls chiều dài áp điện trở, S tiết diện áp điện trở (3.53) 42 Hệ số áp trở dọc điện trở xác định [6]: πl = (π11 + π22 + π44 ) : π11 , π22 , π44 hệ số độc lập tenxơ áp trở Kết hợp (3.51), (3.52), (3.53) ta có độ biến thiên điện trở áp điện trở phụ thuộc vào lực tác dụng xác định bằng: ∆Rv R0 = Ls Ls −πl Fy H2 /2 + H2 /2 (L2 − x) dx = I2z −πl Fy I2z L2 − Ls H2 (3.54) : Ls chiều dài áp điện trở, L2 chiều dài dầm I2 , I2z = 1/12 W2 H2 , H2 chiều cao dầm I2 Hình (3.7) trình bày điện áp cấu hình dọc mạch cầu Wheatstone Hình 3.7: Điện áp cấu hình dọc Ta thấy hai áp điện trở nằm đối xứng qua trục ngang trung tâm nên sau lực Fy tác dụng, áp điện trở RL1 , RL2 thay đổi giá trị điện trở tăng R0 + ∆Rl giảm R0 − ∆Rl Ta có điện áp cấu hình dọc là: y Vout = Vin ∆Rv R0 v + ∆R R0 ≈ ∆Rv Vin R0 : R0 điện trở áp điện trở RL1 , RL2 khơng có ứng suất (3.55) 43 3.4 Cấu hình dài Hình 3.8: Cấu hình dài Lực Fx vng góc với mặt phẳng Oyz tác động lên đầu dầm I2 tạo ứng suất dọc áp điện trở RG1 , RG2 dầm I1 Ta khảo sát ứng suất x RG1 , RG2 để tìm điện áp Vout tương ứng Hình (3.8) trình bày cấu hình dài vi cảm biến lực chiều áp trở Ta thấy cách tính cấu hình dài cho lực Fx tương tự cách tính cấu hình ngang áp dụng cho lực Fz Hình (3.9) mơ tả việc đặt lại trục tọa độ Đề để tính tốn Một cách tương tự ta có ứng suất dọc áp điện trở RG1 , RG2 là: σx (z, x) = −xFx (L11 − z) I1y : x, z tọa độ điểm hệ trục tọa độ Oxyz, I1y moment quán tính dầm I1 trục y, L11 chiều dài dầm I1 tính tới điểm đặt lực Fx (3.56) 44 Hình 3.9: Cấu hình dài Do hiệu ứng áp điện trở, độ biến thiên điện trở suất điểm tính cơng thức (2.37): ∆ρ |z = πl σl + πt σt |z ρ (3.57) : ρ điện trở suất ban đầu, ∆ρ độ biến thiên điện trở suất áp điện trở, πl πt hai hệ số áp điện trở dọc ngang, σl σt ứng suất dọc ứng suất ngang z tọa độ điểm cần tính Đối với dầm độ lệch vị trí có lực tác dụng nhỏ nhiều so với chiều dài dầm nên bỏ qua σt [6] ∆ρ |z = πl σl |z ρ (3.58) 45 Điện trở áp điện trở tính bằng: Ls R= ρ dx S (3.59) : ρ điện trở suất áp điện trở, Ls chiều dài áp điện trở, S tiết diện áp điện trở Hệ số áp trở dọc điện trở xác định [6]: πl = (π11 + π22 + π44 ) : π11 , π22 , π44 hệ số độc lập tenxơ áp trở Kết hợp (3.56), (3.58), (3.59) ta có độ biến thiên điện trở áp điện trở phụ thuộc vào lực tác dụng xác định bằng: Ls ∆Rl = R0 Ls −πl Fx −πl Fx x1 + x2 (L11 − z) dz = I1y I1y L11 − Ls x1 + x2 (3.60) : Ls chiều dài áp điện trở, L11 chiều dài dầm I1 tính đến điểm đặt lực I1y = 1/12 W1 H1 , x1 , x2 khoảng cách từ mặt trục ngang trung tâm dầm I1 đến đường biên đường biên ngồi áp điện trở hình (3.9) Hình (3.10) trình bày điện áp cấu hình ngang mạch cầu Wheatstone Ta Hình 3.10: Điện áp cấu hình ngang 46 thấy hai áp điện trở nằm đối xứng qua trục ngang trung tâm nên lực Fx tác dụng áp điện trở RG1 , RG2 thay đổi giá trị điện trở R0 + ∆Rl R0 − ∆Rl Ta có điện áp cấu hình dài là: l ∆R R0 x = Vin Vout 4− ∆Rl R0 ≈ ∆Rl Vin R0 (3.61) : R0 điện trở áp điện trở RL1 , RL2 khơng có ứng suất 3.5 Kết luận chương Chương luận văn thực công việc thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở với cấu hình cấu hình ngang, cấu hình dọc, cấu hình dài Chương hồn thành mục tiêu xây dựng mơ hình vi cảm biến chiều áp trở đặt Nguyên tắc hoạt động vi cảm biến lực đa chiều áp trở dựa nguyên tắc lực tác dụng bên vào dầm làm thanhh dầm biến dạng nên áp điện trở cấy dầm thay đổi giá trị dẫn đến cầu Wheastone từ áp điện trở cân tạo điện áp xác định lối Mối liên hệ tỷ lệ thuận lực điện áp vi cảm biến áp điện trở thiết lập 47 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Chương thực việc thiết kế chi tiết, mô đánh giá kết tìm Phần 4.1 trình bày thơng số hình học vi cảm biến Phần 4.2 trình bày kết mơ cho cấu hình 4.1 Thiết kế thơng số hình học vi cảm biến Từ cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở, thơng số hình học vi cảm biến thiết kế bảng (4.1) Bảng 4.1: Thơng số hình học vi cảm biến lực chiều áp trở Kí hiệu L1 W1 H1 L2 W2 H2 L3 W3 H3 Ls Ws Hs 4.2 Thơng số hình học Đại lượng chiều dài dầm chiều rộng dầm chiều cao dầm chiều dài dầm phụ chiều rộng dầm phụ chiều cao dầm phụ chiều dài khối đặt lực chiều rộng khối đặt lực chiều cao khối đặt lực chiều dài áp điện trở chiều rộng áp điện trở chiều cao áp điện trở Giá trị µm 500 60 30 800 60 30 10 50 30 50 Mô Phần mềm COMSOL với phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để nghiên cứu mô vi cảm biến Tư tưởng phương pháp phần tử hữu hạn chia cấu trúc thành tập hữu hạn miền liền không liên kết hoàn toàn với khắp mặt biên chúng Độ dịch chuyển vị trí, biến dạng, ứng suất xác định miền Mỗi miền gọi phần tử hữu hạn Mơ hình phần tử hữu hạn cảm biến chia lưới dày đặc dầm nhằm xác định 48 xác phân bố ứng suất Điều có ý nghĩa lớn định tới vị trí cấy áp điện trở cho tín hiệu đưa lớn 4.2.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL Phần mềm mô COMSOL công ty COMSOL phát triển (www.comsol.com) cho phép mơ hình hóa dựa phân tích phần tử hữu hạn giải nhiều ứng dụng khác nhau, từ công nghệ nano đến thiên văn học, với giao diện trực quan Môi trường mô COMSOL tạo điều kiện cho tất bước trình làm mẫu Từ cấu trúc hình học, chọn vật liệu xác định tính chất vật liệu, chia lưới, tới cài đặt điều kiện nguồn điều kiện biên cho hệ vật lý cụ thể sau giải kết mơ Mơ hình thiết lập nhanh chóng, nhờ vào số giao diện vật lý xác định trước cho ứng dụng khác nhau, từ dòng chảy, truyền nhiệt kết cấu khí tĩnh điện Giao diện người dùng COMSOL cung cấp tùy chọn cho phép xác định phương trình vi phân phần thông thường hệ vật lý liên kết chúng với giao diện vật lý khác Bên cạnh khả tự tùy chỉnh mơ hình, phần mềm cịn liên kết với nhiều giao diện vật lý khác Matlab, AutoCAD, Inventor, SolidWorks, Hình 4.1 mơ tả giao diện phần mềm COMSOL cửa sổ thường sử dụng: Model Builder để tạo đối tượng, Settings để thiết lập tham số Graphics để hiển thị kết mô dạng đồ họa trực quan 4.2.2 Mô dầm cantilever chữ L Các thông số hình học vi cảm biến lực định tới thông số quan trọng độ nhạy học tần số dao động tự nhiên Hình 4.2 mô tả dầm cantilever chữ L với kích thước bảng: 4.2.3 Cấu hình ngang Cho lực Fz = 2mN tác động vào dầm, hình 4.3 trình bày kết mơ ứng suất phân bố dầm Ứng suất biến thiên tuyến tính theo chiều dài dầm I2 , ứng suất có giá trị biến thiên theo chiều rộng cấy áp điện trở theo trục dọc I2 phù 49 Hình 4.1: Giao diện phần mềm COMSOL hợp Đồ thị phân bố ứng suất hình 4.4 phù hợp với kết lý thuyết cho ứng suất dọc dầm cấu hình ngang Độ biến thiên điện trở RL1 RL2 R0 − ∆R R0 + ∆R Hình 4.4 trình bày đồ thị phân bố ứng suất lực Fz tác động 4.2.4 Cấu hình dọc Cho lực Fy = 2mN tác động vào dầm, hình 4.5 trình bày kết mô ứng suất phân bố dầm Ứng suất biến thiên tuyến tính theo chiều dài dầm I2 , ứng suất có giá trị biến thiên theo chiều rộng cấy áp điện trở theo trục dọc I2 phù hợp Đồ thị phân bố ứng suất hình 4.4 phù hợp với kết lý thuyết cho ứng suất dọc dầm cấu hình ngang Độ biến thiên điện trở RL1 RL2 R0 + ∆R R0 + ∆R Hình 4.6 trình bày đồ thị phân bố ứng suất lực Fy tác động 50 Hình 4.2: Thanh dầm cantilever chữ L 4.2.5 Cấu hình dài Cho lực Fx = 2mN tác động vào dầm, hình 4.7 trình bày kết mơ ứng suất phân bố dầm Ứng suất biến thiên tuyến tính theo chiều dài dầm I1 , ứng suất có giá trị biến thiên theo chiều rộng cấy áp điện trở theo trục dọc I1 phù hợp Đồ thị phân bố ứng suất hình 4.8 phù hợp với kết lý thuyết cho ứng suất dọc dầm cấu hình ngang Độ biến thiên điện trở RL1 RL2 R0 + ∆R R0 − ∆R Hình 4.8 trình bày đồ thị phân bố ứng suất lực Fy tác động 4.3 Kết luận chương Chương thực mơ mơ hình vi cảm biến lực chiều áp trở đánh giá kết mơ cấu hình so với lý thuyết Các kết mô chứng minh tính tốn lý thuyết đắn phù hợp 51 Hình 4.3: Phân bố ứng suất cấu hình ngang Hình 4.4: Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình ngang 52 Hình 4.5: Phân bố ứng suất cấu hình dọc Hình 4.6: Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dọc 53 Hình 4.7: Phân bố ứng suất cấu hình dài Hình 4.8: Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dài 54 KẾT LUẬN Với việc thực luận văn này, tơi có kiến thức chi tiết vi cảm biến lực chiều áp trở đồng thời có cách nhìn tồn diện vi cảm biến lực đa chiều, hoàn thiện mục tiêu bước đầu tìm hiểu vi cảm biến Luận văn tập trung tìm hiểu thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực đa chiều áp trở dựa việc tìm hiểu cấu trúc dầm, cấu trúc áp trở mơ hình hệ thống vi cảm biến lực; luận văn bước đầu mô vi cảm biến lực trường hợp khảo sát ứng suất phân bố dầm Kết hợp với tìm hiểu thời gian tới, tìm hiểu việc chế tạo vi cảm biến TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hồng Minh Cơng, Giáo trình cảm biến công nghiệp, NXB Xây Dựng, 2007 Tiếng Anh C Smith, “Piezoresistance effect in germanium and silicon,” Physical Rev., vol 94, no 1, pp 42 - 49, 1962 D V Dao, T Toriyama, J Wells, and S Sugiyama, “Silicon piezoresistive sixdegreeof freedom force-moment micro sensor,” Sensors and Materials, vol 15, no 7, pp 113 - 135, 2003 Gabrielson, “Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol 40, no 3, p 903 - 909, 1993 J Wei, “Silicon mems for detection of liquid and solid fronts,” Ph.D dissertation, Delft University of Technology, 2010 S D Senturia, Microsystem Design Kluwer Academic Publishers, 2001 T C Duc, J F Creemer, and P M Sarro, “Piezoresistive cantilever beam for force sensing in two dimensions,” IEEE Sensors Journal, vol 7, pp 96 - 104, 2007 T D Tan, “Design, simulation, fabrication and performance analysis of a piezoresistivemicro accelerometer,” Ph.D dissertation, VNU - University of Engineering and Technology, 2008 T C Duc, G K Lau, J F Creemer, and P M Sarro, “Electrothermal microgripper with large jaw displacement and integrated force sensors,” J Microelectromech.Syst., vol 15, no 6, p 1546 - 1555, 2008 10 V Varadan, K J Vinoy, and S Gopalakrishnan, Smart Material Systems and MEMS: Design and Development Methodologies John Wiley & Sons Ltd, 2006 11 Y.Sun, B.J.Nelson, D.P.Potasek, and E Enikov, “A bulk microfabricated multi-axis capacitive cellular force sensor using transverse comb drives,” J Micromech Microeng., vol 12, no 6, pp 832 - 840, 2002 12 Y Shen, N Xi, K Lai, and W J Li, “A novel pvdf microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation,” Sensor Review, vol 24, no 3, pp 274 - 283, 2004 13 Y Kanda, Piezoresistance effect of silicon, Sensors and Actuators, vol A28, pp 83 - 91, 1981 ... công nghệ vi điện tử cảm biến có nhiều ứng dụng đời sống thực tiễn Một số loại vi cảm biến lực phổ biến là: vi cảm biến tụ, vi cảm biến áp điện, vi cảm biến laser quang, vi cảm biến áp trở Nhìn... loại cảm biến lực Phần 2.2 trình bày đặc tính vi cảm biến lực áp trở Phần 2.3 trình bày mạch đo phần 2.4 trình bày nhiễu vi cảm biến lực áp trở 2.1 Phân loại vi cảm biến lực Vi cảm biến lực có... chương chương 2, vi? ??c thiết kế cấu trúc vi cảm biến lực đa chiều áp trở xây dựng chương 35 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU ÁP TRỞ Cấu trúc vi cảm biến lực chiều áp trở tạo sở