THÔNG TIN TÀI LIỆU
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS Giáo viên hƣớng dẫn: ThS Nguyễn Thị Minh Sinh viên thực hiện: Bùi Xuân Sáng MSSV: 1151083803 Lớp 52K - ĐTVT : Nghệ An, 2016 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập rèn luyện trƣờng Đại học Vinh Khoa Điện tử - Viễn thông em đƣợc trang bị kiến thức đại cƣơng, kiến thức chuyên ngành nhƣ kiến thức sống để em trƣởng thành hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Nhà trƣờng, Ban lãnh đạo Khoa Điện tử - Viễn thông thầy, cô khoa tạo điều kiện môi trƣờng học tập, quan tâm, giúp đỡ bảo tận tình em suốt thời gian học làm việc Khoa Điện tử - Viễn thơng nói riêng trƣờng Đại học Vinh nói chung Đặc biệt q trình làm đồ án, em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS Nguyễn Thị Minh quan tâm hƣớng dẫn, bảo, tìm hiểu giúp đỡ em lựa chọn đề tài nhƣ thực đề tài tốt nghiệp để em hồn thành xong đồ án tốt nghiệp Thời gian làm đồ án, em cố gắng tìm hiểu đƣợc hƣớng dẫn bảo tận tình nhƣng khơng tránh khỏi sai sót Vì vậy, em mong đƣợc góp ý thầy giáo, cô giáo bạn để đồ án em hồn thiện MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC BẢNG BIỂU TÓM TẮT ĐỒ ÁN MỞ ĐẦU CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu chung .9 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại cảm biến 10 1.1.3 Đƣờng cong chuẩn cảm biến .13 1.1.4 Các đặc trƣng .15 1.2 Nguyên lý chế tạo đo cảm biến 21 1.2.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến 21 1.2.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 21 1.2.3 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động .24 1.3 Các loại cảm biến thông dụng 25 1.3.1 Cảm biến quang .25 1.3.2 Cảm biến nhiệt độ 25 1.3.3 Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 25 1.3.4 Cảm biến đo biến dạng 26 1.3.5 Cảm biến đo áp suất chất lƣu 27 1.3.6 Cảm biến đo lƣu lƣợng mức chất lƣu 27 1.3.7 Cảm biến đo lực .28 1.3.8 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc rung 28 CHƢƠNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT 30 2.1 Công nghệ vi điện tử MEMS .30 2.1.1 Tổng quan MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) 30 2.1.2 Công nghệ chế tạo sản phẩm MEMS 34 2.1.3 Ứng dụng cảm biến MEMS 36 2.2 Cảm biến áp suất 36 2.2.1 Khái niệm .36 2.2.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất .36 2.3 Vi cảm biến áp suất 39 2.3.1 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở .42 2.3.2 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ (điện dung) 43 CHƢƠNG PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG 45 3.1 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics 45 3.2 Mô cảm biến áp suất điện dung 51 3.3 Kết thảo luận .53 3.3.1 Tác động áp suất tới cảm biến 53 3.3.2 Tác động áp suất tới linh kiện cảm biến 54 3.3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới giá trị điện dung cảm biến 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Đƣờng cong chuẩn cảm biến 13 Hình 1.2: Phƣơng pháp chuẩn cảm biến 14 Hình 1.3: Xác định khoảng thời gian đặc trƣng chế độ độ 19 Hình 1.4: Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 21 Hình 1.5: Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 22 Hình 1.6: Ứng dụng hiệu ứng áp điện 22 Hình 1.7: Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 22 Hình 1.8: Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ 23 Hình 1.9: Ứng dụng hiệu ứng Hall 24 Hình 1.10: Mạch đo thƣờng dùng với cảm biến tụ điện 26 Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo đầu đo kim loại 27 Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo nguyên lý biến đổi kiểu áp vi sai 27 Hình 1.13: Cảm biến đo mức tia xạ 28 Hình 2.1: Sơ đồ khối cảm biến áp suất 37 Hình 2.2: Cảm biến áp suất 37 Hình 2.3: Cấu tạo cảm biến kiểu áp trở 38 Hình 2.4: Đo áp suất động ống Pitot 42 Hình 2.5: Đo áp suất động màng 42 Hình 2.6: Bộ chuyển đổi kiểu điện dung 44 Hình 3.1: Mơ hình hình học vi cảm biến 52 Hình 3.2: Mơ hình ¼ vi cảm biến 52 Hình 3.3: Tác động áp suất tới biến dạng màng vi cảm biến 53 Hình 3.4: Tác động áp suất tới giá trị điện dung vi cảm biến 54 Hình 3.5: Tác động áp suất tới biến dạng màng linh kiện cảm biến 54 Hình 3.6: Tác động áp suất tới giá trị điện dung linh kiện cảm biến 55 Hình 3.7: Ảnh hƣởng nhiệt độ lên điện dung linh kiện cảm biến 56 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: So sánh cảm nhận cảm biến với giác quan ngƣời Bảng 2: Quan hệ đơn vị đo áp suất 39 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Việc chế tạo vi cảm biến dựa công nghệ vi điện tử (MEMS) ngày đƣợc sử dụng phổ biến nhờ độ nhạy với áp suất cao, tƣơng thích với điện áp chiều Trong đồ án thực mô vi cảm biến áp suất điện dung chế tạo theo công nghệ vi điện tử (MEMS) phần mềm COMSOL Multiphysics cho thấy độ nhạy cảm biến điện dung 28 10-6pF/Pa cảm biến sau đƣợc đóng gói thành linh kiện 40.10-6pF/Pa Bên cạnh đó, ảnh hƣởng nhiệt độ lên giá trị điện dung đƣợc khảo sát đồ án ABSTRACT Fabricating pressure sensors base on MicroElectroMechanical Systems (MEMS) is very popular thank to sensitivity with high pressure, compatible with DC In this thesis conducting a simulation a capacitive pressure sensors which is fabricated by microelectromechanical with COMSOL Multiphysics simulation software, it show that sensitivity of capacitive pressure sensors is 28 10-6pF/Pa and packed sensors is 40.10-6pF/Pa Besides, the influence of temperature to capacitive values is considered in this thesis MỞ ĐẦU Hiện nay, việc nghiên cứu vấn đề khoa học đƣợc thực dựa phƣơng pháp khác nhau, phƣơng pháp mô phƣơng pháp thực nghiệm đƣợc sử dụng nhiều Mô công nghệ tạo mô hình hoạt động gần giống nhƣ vật, tƣợng xảy thực tế Trong thời đại khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ mô ngày đƣợc sử dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học kỹ thuật nhƣ hoạt động ngƣời Mơ đem đến lợi ích to lớn nhƣ là: tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh đƣợc rủi ro, nguy hiểm điều kiện thực, giảm tác động xấu đến môi trƣờng Bên cạnh đó, mơ cịn giải đƣợc nhiều vấn đề mà thực tế khơng thực đƣợc MEMS bao gồm cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành vi điện tử đƣợc tích hợp chip (on chip) Các linh kiện MEMS thƣờng đƣợc cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thƣờng hệ thống vi tích hợp chip mà kết hợp phần chuyển động yếu tố sinh học, hoá học, quang điện Kết linh kiện MEMS đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc gia tốc Với ƣu tạo cấu trúc học nhỏ bé tinh tế, nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cho phép tạo cảm biến (sensor), chấp hành (actuator) đƣợc ứng dụng rộng rãi sống Vì em chọn đề tài: “Mơ cảm biến áp suất điện dung sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics” làm đề tài nghiên cứu tốt nghiệp Nội dung đề tài bao gồm ba chƣơng: Chƣơng trình bày khái niệm cảm biến, phân loại ứng dụng cảm biến Chƣơng trình bày cơng nghệ vi điện tử (MEMS), cảm biến áp suất điện dung, vi cảm biến áp suất kiểu tụ vi cảm biến áp suất kiểu áp trở Chƣơng trình bày phần mềm COMSOL Multiphysics kết mô tác động áp suất lên vi cảm biến áp suất điện dung Mục đích đề tài mô cảm biến áp suất điện dung, khảo sát tác động áp suất đến điện dung cảm biến ảnh hƣởng nhiệt độ đến giá trị điện dung cảm biến Để thực đề tài em thực nhiệm vụ sau: Tìm hiểu cảm biến ứng dụng cảm biến Sau vào tìm hiểu cơng nghệ MEMS cảm biến áp suất, vi cảm biến áp suất kiểu tụ vi cảm biến áp suất kiểu áp trở Nghiên cứu kết mô cảm biến áp suất điện dung để hiểu rõ tác động áp suất lên giá trị điện dung Đề tài đƣợc thực phƣơng pháp: Nghiên cứu lý thuyết vi cảm biến thông qua sách, giáo trình, báo tạp chí Cuối thực mô phần mềm COMSOL Multiphysics Nghệ An, ngày 22 tháng 05 năm 2016 Sinh viên thực hiện: Bùi Xuân Sáng CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khái niệm Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ sense nghĩa giác quan, nhƣ giác quan thể ngƣời Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện thu nhận thơng tin từ bên ngồi Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động tự động hiển thị thông tin đại lƣợng cảm nhận hay điều khiển q trình định trƣớc có khả thay đổi cách uyển chuyển theo môi trƣờng hoạt động Để dễ hiểu so sánh cảm nhận cảm biến qua năm giác quan ngƣời nhƣ sau: Bảng 1: So sánh cảm nhận cảm biến với giác quan người giác quan Thị giác Xúc giác Vị giác Thính giác Thay đổi mơi trƣờng Thiết bị cảm biến Ánh sáng, hình dạng, kích Cảm biến thu hình, cảm thƣớc, vị trí xa gần, màu sắc biến quang Áp suất, nhiệt độ, đau, Nhiệt trở, cảm biến tiệm tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô cận, Ngọt, mặn, chua cay, béo Cảm biến độ rung động Âm trầm bổng, sóng âm, âm Đo lƣợng đƣờng lƣợng máu Cảm biến sóng siêu âm, Khứu giác Mùi chất khí, chất mi-cro lỏng Đo độ cồn, thiết bị cảm nhận khí ga Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lƣợng vật lý đại lƣợng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lƣợng điện đo xử lý đƣợc Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng khơng có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trƣng (s) mang tính chất điện (nhƣ điện tích, điện áp, dịng điện trở kháng) chứa đựng thơng tin cho phép xác định Hình 2.6: Bộ chuyển đổi kiểu điện dung 1) Bản cực động 2,3) Bản cực tĩnh 4) Cách điện 5) Dầu Silicon Hình 2.6a trình bày cấu tạo biến đổi kiểu điện dung bao gồm cực động màng kim loại (1), cực tĩnh (2) gắn với đế cách điện thạch anh (4) Sự phụ thuộc điện dung C vào độ dịch chuyển màng có dạng: C s 0 (2.6) Trong đó: - Hằng số điện mơi cách điện hai cực - Khoảng cách điện cực áp suất - Độ dịch chuyển màng Hình 2.6b biến đổi điện dung kiểu vi sai gồm hai cực tĩnh (2) (3) gắn với chất điện môi cứng (4), kết hợp với màng (1) nằm hai cực để tạo thành hai tụ điện C12 C13 Khoảng trống cực màng đƣợc điền đầy dầu silicon (5) Các áp suất p1 p2 hai môi trƣờng đo tác động lên màng, làm màng dịch chuyển hai cực tạo tín hiệu im (cung cấp nguồn ni) tỉ lệ áp suất hai môi trƣờng: im K C1 C2 K ( p1 p2 ) C1 C2 (2.7) Để biến đổi biến thiên điện dung C thành tín hiệu đo lƣờng, thƣờng dùng mạch cầu xoay chiều mạch vòng cộng hƣởng LC Bộ cảm biến kiểu điện dung đo đƣợc áp suất đến 120 MPa, sai số ± (0,2 - 5)% 44 CHƢƠNG PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG 3.1 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics Trong thời đại khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ mô số ngày đƣợc sử dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học kỹ thuật nhƣ hoạt động ngƣời Mô số đem lại lợi ích to lớn nhƣ tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh đƣợc trƣờng hợp rủi ro điều kiện thực, giảm tác động xấu tới mơi trƣờng Bên cạnh đó, mơ số cịn giải đƣợc nhiều vấn đề khoa học, mà làm điều kiện thực Trong trình q trình truyền nhiệt chất lƣu tham gia hầu hết trình vật lý thực tế tƣợng truyền nhiệt dòng chảy chất lƣu vấn đề phức tạp tự nhiên với chế khác Do nghiên cứu phát triển phƣơng pháp số học cho lời giải nhƣ hiểu biết vấn đề truyền nhiệt chất lƣu công việc quan trọng Để mô số, có nhiều phần mềm mơ số đƣợc áp dụng nhƣ MATLAB, ANSYS, CFD FLUENT, FORTRAN, COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics đƣợc biết đến nhƣ phần mềm mô số học đa vật lý Phần mềm COMSOL Multiphysics dùng để xây dựng nên mơ hình vật lý COMSOL cho lĩnh vực khoa học kỹ thuật công nghệ nhƣ: âm học, sinh học, phản ứng hóa học, khuếch tán, điện tử, động lực học chất lƣu, pin nhiên liệu điện hóa học, vật lý, truyền nhiệt điện tử micro (MEMS), kỹ thuật sóng cực ngắn, quang học, lƣợng tử ánh sáng, chuyển động không gian rỗng, học lƣợng tử, phận tần số vô tuyến, thiết bị bán dẫn, kết cấu, lan truyền sóng Các vấn đề đƣợc đề cập với phần nhƣ trình tạo lƣới cho phần tử hữu hạn, tạo biến mô tả, lời giải sau xử lý, … Sự giải thích, hƣớng dẫn ví dụ giúp đỡ nhà nghiên cứu bƣớc thực mô số theo mơ hình thiết kế Mơi trƣờng COMSOL COMSOL Multiphysics có mơi trƣờng tƣơng tác mạnh mẽ mơ hình lời giải cho nhiều tƣợng khoa học kỹ thuật dựa phƣơng trình vi phân phần Chƣơng trình sử dụng quy ƣớc quán 45 với nhau, nên dễ dàng việc tìm hiểu, sử dụng thảo luận kết mô Một số quy ƣớc đƣợc thể nhƣ sau: Font đậm kích thƣớc hình dáng đƣợc trình bày cho biết chữ xuất giao diện COMSOL Multiphysics cách xác Các nút lệnh công cụ giải công cụ tƣơng đồng vị trí Ví dụ khởi động mô COMSOL, cửa sổ tƣơng ứng hình có tên Model Navigator xuất Model Navigator có chức định hƣớng mơ hình ứng dụng Kí hiệu > mục liệu trình đơn liệu mục liệu thƣ mục Model Navigator Ví dụ nhƣ Physics > Equation System > Subdomain Settings đƣờng dẫn để trình đơn Physics, nhấn vào Equation System sau nhấn vào Subdomain Settings COMSOL Multiphysics > Head Transfer > Conduction có nghĩa mở thƣ mục COMSOL Multiphysics, sau mở thƣ mục Head Transfer chọn Conduction COMSOL mở rộng mơ hình thơng thƣờng cách dễ dàng mơ hình đa vật lý để giải thích tƣợng nhƣ làm cho tƣơng thích Nhờ gắn liền biểu thức vật lý mà tính khả thi có đƣợc việc xây dựng mơ hình cách xác định khối lƣợng vật chất có liên quan nhƣ thuộc tính vật liệu, tải, phản lực liên kết, nguồn dòng chảy cách xác định phƣơng trình Chúng ta ứng dụng biến mơ tả số liệu cách trực tiếp cho miền vật rắn, đƣờng biên, điểm lƣới cách độc lập COMSOL Multiphysics đƣợc đƣợc biên soạn dịch theo phƣơng trình vi phân phần để miêu tả lại mơ hình Chúng ta tiếp cận COMSOL Multiphysics nhƣ chƣơng trình bình thƣờng khác thơng qua giao diện đồ hạo linh hoạt chƣơng trình biên soạn ngôn ngữ biên soạn COMSOL ngơn ngữ MATLAB Khi giải thích mơ hình vật lý này, COMSOL Multiphysics sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn Chƣơng trình chạy phân tích phần tử hữu hạn với lƣới tƣơng ứng kiểm soát lỗi cách giải số học khác Sử dụng chế độ ứng dụng này, thực đƣợc nhiều kiểu phân 46 tích bao gồm: Các phân tích phụ thuộc vào thời gian ổn đinh Các phân tích tuyến tính phi tuyến Các phân tích phƣơng thức Phƣơng trình vi phân phần đƣợc hình thành dựa tảng định luật khoa học tạo nên mơ hình với dải rộng khoa học tƣợng kỹ thuật Vì sử dụng COMSOL multiphysics để mơ số học nhiều phạm vi ứng dụng nhƣ: Âm học Sinh học Các phản ứng hóa hoc Sự khuếch tán Điện tử Động lực học chất lƣu Pin nhiên liệu điện hóa học Vật lý Truyền nhiệt Cơ điện tử (MEMS) Kỹ thuật sóng cực ngắn Quang học Lƣợng tử ánh sáng Chuyển động không gian rỗng Cơ học lƣợng tử Các phận tần số vô tuyến Các thiết bị bán dẫn Cơ kết cấu Sự lan truyền sóng Có nhiều ứng dụng thực tế bao gồm liên kết đồng thời hệ thống đa vật lý đƣợc giải thông qua phƣơng trình vi phân phần Ví dụ nhƣ điện trở dây dẫn thƣờng có nhiệt độ khác mơ hình dây dẫn 47 mang dịng điện bao gồm ln hiệu ứng nhiệt trở Có nhiều liên kết đa vật lý đƣợc cài đặt sẵn để cung cấp cho ngƣời dùng dễ sử dụng nhập ứng dụng đa vật lý phổ biến Trong cấu hình nó, COMSOL Multiphysics đƣa mơ phân tích cho nhiều phạm vi ứng dụng khác Đối với phạm vi ứng dụng chủ chốt, đƣợc cung cấp module tùy chọn Các module ứng dụng riêng sử dụng công nghệ phƣơng pháp giải riêng theo quy tắc đặc biệt để đơn giản hóa việc tạo phân tích mẫu Để nhập mơ hình đƣợc vẽ từ bên ngồi, chức The CAD Import Module đƣợc ứng dụng Chức The CAD Import Module cung cấp liệu nhập CAD theo định dạng sau: IGES, SAT (Acis), Parasolid Step với chƣơng trình hỗ trợ: CATIA V4, CATIA V5, Pro/ENGINEER, Autodesk Inventor VDA-FS Nó hỗ trợ giao diện hai chiều với SolidWorks Autodesk Inventor Chúng ta xây dựng mơ hình với tất kiểu giao diện đồ họa COMSOL Multiphysics Với tính linh hoạt phần đƣợc mở rộng thêm, COMSOL cung cấp ngôn ngữ nguyên riêng Với COMSOL, truy cập vào mơ hình nhƣ Model M-file cấu trúc liệu COMSOL Multiphysics cung cấp giao diện kết nối MATLAB Điều tạo điều kiện cho dễ dàng việc nối mơ hình bản, phƣơng trình vi phân phần, mơ số, phân tích kỹ thuật mơ khác Chẳng hạn nhƣ tạo mơ hình COMSOL xuất Simulink nhƣ phần thiết kế hệ thống điều khiển Phần mềm COMSOL Multiphysics có giao diện đồ họa tích hợp để giải xây dựng mơ hình cách sử dụng chế độ ứng dụng nhƣ Physics Modes, PDE Modes mơ hình đa vật lý Các biến phức 2D, 3D đối xứng trục tồn sẵn với hầu hết chế độ ứng dụng Để minh họa cho việc sử dụng chế độ ứng dụng cách tiếp cận với COMSOL Multiphysics, phần mềm bao gồm chế độ tự chạy sẵn thông thƣờng giá trị mặc định chế độ chạy dựa theo tác động thay đổi giá trị cài đặt Ngoài ra, COMSOl cung cấp cho ngƣời sử dụng thƣ viện mơ hình Model Library đƣợc mô sẵn để tham khảo, tập tin mẫu đƣợc cài đặt vào COMSOL Multiphysics Ta chạy trình duyệt Model 48 Navigator cách dễ dàng để xem thiết lập mơ hình lời giải số học Ngƣời sử dụng COMSOL tự tay tạo mơ hình riêng cho thời gian ngắn Một phần quan trọng trình việc thiết kế mơ hình Giao diện COMSOL Multiphysics chứa đựng thiết lập cho công cụ CAD mô hình khơng gian 1D, 2D 3D Chƣơng trình nhập kích thƣớc việc sử dụng tập tin dạng DXF, STL, VRML,… COMSOL Multiphysics nhập lƣới 3D cách trực định dạng NASTRAN Trong việc kết hợp cơng cụ chƣơng trình, chí cịn sử dụng hình ảnh liệu tạo ảnh cộng hƣởng từ để tạo nên mơ hình Trong việc thiết kế mơ hình, bắt gặp tính linh hoạt việc cài đặt thông số khác nhau, biến sử dụng bao gồm số biến nhƣ toán học hàm logic Trong mơi trƣờng COMSOL, làm việc với ngôn ngữ biên soạn COMSOL ngôn ngữ MATLAB để xác định thuộc tính vật liệu, phụ tải, nguồn lƣợng điều kiện biên Khi mơ hình hồn thành điều kiện biên đƣợc xác định, phần mềm COMSOL Multiphysics tự động bắt lƣới dựa hình dạng mơ hình Tuy nhiên chọn độ lớn lƣới q trình tạo lƣới thơng qua việc đặt tham số điều kiện Bƣớc giai đoạn chọn lời giải, COMSOL Multiphysics tập hợp công cụ cho ngƣời giải, tất code lời giải đƣợc phát triển nhà khoa học hàng đầu giới việc mô số tƣợng vật lý liên quan tới vấn đề phụ thuộc vào thời gian, giá trị riêng ổn định Đối với việc giải hệ tuyến tính, chƣơng trình đề cao phƣơng pháp giải lặp COMSOL Multiphysics cài đặt phƣơng pháp giải mặc định gần dành cho việc lựa chọn chế độ ứng dụng tự động dị tìm độ tuyến tính phép đối xứng mơ hình Một phƣơng pháp giải phân tích cung cấp sơ đồ, giải pháp hiệu mơ hình đa vật lý lớn, mơ hình chảy rối ứng dụng khác Chúng ta ghi lại phƣơng pháp giải liên tiếp, đƣợc gọi trình soạn thảo phƣơng pháp giải mà hiệu chỉnh chạy tự động trình lời giải 49 Đối với phần sau xử lý, COMSOL Multiphysics cung cấp công cụ với việc vẽ sơ đồ sau xử lý mơ hình tham số nào: Bản vẽ bề mặt Bản vẽ lớp Bản vẽ đƣờng bao Bản vẽ hình bị biến dạng Bản vẽ mũi tên Bản vẽ dạng khí động dạng thực Bản vẽ mặt cắt ngang Hoạt hình Hiển thị liệu nội suy Phép lấy tích phân đƣờng bao miền phụ Thêm vào đó, can thiệp phần sau xử lý mơi trƣờng trình soạn thảo COMSOL, nơi tác động với cấu trúc liệu COMSOL Multiphysics hàm có sử dụng trình soạn thảo Để cung cấp tài liệu cho mơ hình bạn, COMSOL Multiphysics Report Generator cung cấp báo cáo tổng hợp tồn mơ hình bao gồm biểu đồ hình dạng, lƣới thông số sau xử lý Các module COMSOL Trong COMSOL có module tùy chọn sau: Module AC/DC Module âm học Module kỹ thuật hóa học Module khoa học trái đất Module truyền nhiệt Module MEMS (MicroElectroMechanical Systems) Module RF (Radio Frequency) Module học kết cấu Các module đƣợc tối ƣu hóa với phạm vi ứng dụng riêng Chúng đƣa giao diện, thuật ngữ quy chuẩn, thƣ viện vật liệu, phần tử công cụ 50 hiển thị 3.2 Mô cảm biến áp suất điện dung Một phạm vi gây ý công nghệ xuất năm gần MEMS (MicroElectroMechanical Systems), nơi mà kỹ sƣ thiết kế xây dựng hệ thống với kích thƣớc micro Các thiết bị bé yêu cầu công cụ thiết kế mơ đa vật lý hầu hết thiết bị MEMS bao gồm kết nối tƣợng điện, khí dịng chảy chất lƣu Các chế độ ứng dụng có sẵn gồm: Ứng suất phẳng Biến dạng phẳng Đối xứng trục, ứng suất biến dạng Áp điện mô ứng suất phẳng 2D biến dạng phẳng, đối xứng trục khối rắn 3D Khối rắn 3D Màng giảm chấn Dòng điện động Dòng chảy tầng tổng quát bao gồm dòng Stokes dòng nhiều pha Module MEMS bao gồm cặp ghép đa vật lý đƣợc định trƣớc nhiệt – kết cấu, nhiệt – điện – kết cấu, âm học – kết cấu, lƣu chất – tƣơng tác cấu trúc MEMS Module Model Library chứa đựng mô hình thiết bị MEMS nhƣ cảm biến, dẫn động hệ thống vi dịng chảy Các mơ hình chứng minh đƣợc đa dạng cặp ghép đa vật lý kỹ thuật đƣờng biên di động Mô cảm biến áp suất: Khởi động COMSOL Multiphysics 4.3 Chọn New, tab Model Wizard chọn 3D Ở tab Select physics, chọn Structural Mechanics>Electromechanics (emi) Chọn Add Chọn Study Ở tab Select study, chọn Preset Studies > Stationary 51 Chọn Finish Ở tab Model Builder, chọn Geometry > Import Ở tab Import chọn Browse > capacitive_pressure_sensor.mphbin > Import Mơ hình vi cảm biến áp suất điện dung: Hình 3.1: Mơ hình hình học cảm biến Mơ hình ¼ vi cảm biến áp suất điện dung thực mơ phỏng: Hình 3.2: Mơ hình ¼ vi cảm biến Các cảm biến áp suất phần khuôn silicon đƣợc liên kết với kim loại 70 ° C Kể từ hình học đối xứng , góc phần tƣ hình học cần phải đƣợc đƣa vào mơ hình , sử dụng điều kiện biên đối xứng 52 3.3 Kết thảo luận 3.3.1 Tác động áp suất tới cảm biến a) Tác động áp suất tới dịch chuyển màng Khi giá trị áp suất thay đổi làm cho lớp màng dịch chuyển Kết đƣợc đƣa hình 3.3: Hình 3.3: Sự dịch chuyển màng phụ thuộc vào áp suất Nhận xét: Sự dịch chuyển màng thay đổi tuyến tính theo áp suất đặt vào Độ dịch chuyển cực đại 2,2m ứng với áp suất tác động lên màng 25KPa Đồ thị màu xanh da trời thể dịch chuyển cực đại màng, có giá trị 0,85 m áp suất 10kPa Đồ thị màu xanh thể sựu dịch chuyển trung bình màng, có giá trị 0,27 m áp suất 10kPa b) Tác động áp suất tới giá trị điện dung cảm biến Kết ảnh hƣởng áp suất tới giá trị điện dung đƣợc đƣa hình 3.4 53 Hình 3.4: Tác động áp suất tới giá trị điện dung vi cảm biến Nhận xét: Đồ thị mô tả thay đổi giá trị điện dung áp suất thay đổi Nó đƣờng cong hay nói cách khác mối quan hệ áp suất với điện dung cảm biến mối quan hệ khơng tuyến tính Độ dốc đƣờng cong thể độ nhạy cảm biến Từ kết mô cho thấy độ nhạy cảm biến có giá trị 7.10-6pF/Pa (28 10-6pF/Pa toàn cảm biến) 3.3.2 Tác động áp suất tới linh kiện cảm biến a) Tác áp suất tới dịch chuyển lớp màng Hình 3.5 thể ảnh hƣởng áp suất tới độ dịch chuyển màng cảm biến trƣờng hợp cảm biến chƣa đƣợc đóng gói trƣờng hợp cảm biến đƣợc đóng gói thành linh kiện Hình 3.5: Tác động áp suất lên độ biến dạng lớp màng vi cảm biến 54 Nhận xét: Sự dịch chuyển màng hàm thay đổi tuyến tính theo áp suất đặt vào Đồ thị màu xanh da trời thể độ dịch chuyển lớp màng vi cảm biến áp suất tác dụng thay đổi từ ÷ 25KPa Đồ thị màu đỏ thể độ dịch chuyển lớp màng linh kiện cảm biến áp suất tác dụng thay đổi từ ÷ 25KPa b) Ảnh hƣởng áp suất tới giá trị điện dung cảm biến Mối quan hệ giá trị điện dung áp suất đƣợc mơ hình 3.6: Hình 3.6: Tác động áp suất tới giá trị điện dung linh kiện cảm biến Nhận xét: Đồ thị so sánh hai trƣờng hợp có khơng có áp lực tác dụng Khi có áp lực tác dụng dịch chuyển màng linh kiện cảm biến có độ dốc lớn Điều cho thấy vi cảm biến sau đƣợc chế tạo thành linh kiện cảm biến có độ nhạy với áp suất hơn: 40.10-6pF/Pa toàn cảm biến 3.3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới giá trị điện dung cảm biến Trong phần mô ảnh hƣởng nhiệt độ tới giá trị điện dung cảm biến áp suất 20kPa, nhiệt độ đƣợc thay đổi từ 290oK – 300oK 55 Hình 3.7: Ảnh hưởng nhiệt độ lên điện dung linh kiện cảm biến Nhận xét: Khi tăng nhiệt độ giá trị điện dung giảm Cụ thể, nhiệt độ tăng từ 290 K đến 300 K ( từ 17 C đến 27 C) điện dung giảm từ 1,023 pF xuống 1,007 pF 56 KẾT LUẬN Với ƣu tạo cấu trúc học nhỏ bé tinh tế, nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cho phép tạo cảm biến (sensor), chấp hành (actuator) đƣợc ứng dụng rộng rãi sống Các cảm biến siêu nhỏ tiện ích thay cho thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trƣớc Công nghệ MEMS công nghệ khả thi cho phép phát triển sản phẩm thông minh, làm tăng khả tính tốn điện tử với tham gia điều khiển cảm biến thi hành đồng thời mở rộng khả thiết kế ứng dụng Kết mô cảm biến áp suất điện dung phần mềm COMSOL Multiphysics, cho thấy: Sự dịch chuyển màng cảm biến thay đổi tuyến tính theo áp suất đặt vào Độ nhạy vi cảm biến 28 10-6pF/Pa cảm biến sau đƣợc đóng gói thành linh kiện 40.10-6pF/Pa Ảnh hƣởng nhiệt độ tới độ nhạy vi cảm biến không đáng kể Tại giá trị áp suất tác động giá trị điện dung cảm biến giảm nhiệt độ tăng Dựa kết mô phỏng, chọn lựa đƣợc vật liệu thiết kế thích hợp để chế tạo cảm biến áp suất điện dung 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Thái Diệu, Giáo trình kỹ thuật cảm biến đo lường điều khiển, Nhà xuất Đại Học Công Nghiệp, 2008 [2] Vũ Quang Hồi, Giáo trình kỹ thuật cảm biến, Nhà xuất Giáo dục, 2009 [3] Đặng Thành Trung, COMSOL – Nền tảng ứng dụng mô số, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2014 [4] Simulation Analysis of Capacitive Pressure sensor of MEMS using Graphene, International Conferenee on Material, Electronic of Information Engineering , ICMEIE – 2015 [5] Kỹ thuật cảm biến, http://voer.edu.vn/c/13775a37 Truy cập lần cuối ngày 04/05/2016 [6] Nguyên lý chung chế tạo cảm biến, https://voer.edu.vn/m/nguyen-ly-chung-chetao-cam-bien/ Truy cập lần cuối ngày 10/05/2016 [7] Trang web http://cambiendoapsuat.vn/nguyen-ly-hoat-dong-cam-bien-ap-suat/ Truy cập lần cuối ngày 06/05/2016 58 ... bày phần mềm COMSOL Multiphysics kết mô tác động áp suất lên vi cảm biến áp suất điện dung Mục đích đề tài mơ cảm biến áp suất điện dung, khảo sát tác động áp suất đến điện dung cảm biến ảnh... niệm cảm biến, phân loại ứng dụng cảm biến Chƣơng trình bày cơng nghệ vi điện tử (MEMS), cảm biến áp suất điện dung, vi cảm biến áp suất kiểu tụ vi cảm biến áp suất kiểu áp trở Chƣơng trình bày phần. .. nhiều cảm biến kể đến nhƣ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến ánh sáng, cảm biến từ trƣờng, cảm biến điện dung, cảm biến khoảng cách, cảm biến thay thế, cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc, cảm biến
Ngày đăng: 01/08/2021, 10:32
Xem thêm: