Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung mems sử dụng vật liệu silicon và hợp chất của silicon

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG MEMS SỬ DỤNG VẬT LIỆU SILICON VÀ HỢP CHẤT CỦA SILICON Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nghệ An, 2017 ThS Nguyễn Thị Minh Đƣờng Công Hải 1251085433 53K2 - ĐTVT TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG MEMS SỬ DỤNG VẬT LIỆU SILICON VÀ HỢP CHẤT CỦA SILICON Giáo viên hƣớng dẫn: ThS Nguyễn Thị Minh Sinh viên thực hiện: Đƣờng Công Hải Cán phản biện: ThS Nguyễn Thị Kim Thu Nghệ An, 2017 LỜI MỞ ĐẦU Các linh kiện đƣợc chế tạo theo công nghệ vi điện tử ngày đƣợc sử dụng rộng rãi nhờ ƣu điểm trội nhƣ kích thƣớc nhỏ gọn, chi phí sản suất thấp, tính ứng dụng cao 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 học, 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 lựa chọn cho đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Mơ phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung MEMS sử dụng vật liệu Silicon hợp chất Silicon” Nội dung đề tài bao gồm ba chƣơng: Chƣơng Trình bày khái niệm cảm biến, phân loại ứng dụng cảm biến Chƣơng trình bày công 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 vật liệu Mục đích đề tài mơ 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 vật liệu khác Để thực đề tài em thực nhiệm vụ nhƣ 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 - Dựa vào kết mơ phỏng, phân tích so sánh thông số cảm biến đƣợc chế tạo vật liệu khác Đề tài đƣợc thực phƣơng pháp: Nghiên cứu lý thuyết vi cảm biến thơng qua sách, giáo trình, báo khoa học Cuối thực mô i phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0 Trong suốt trình học tập làm đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô bạn Viện kỹ thuật công nghệ Đặc biệt em xin cảm ơn cô giáo ThS Nguyễn Thị Minh ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn đồ án tốt nghiệp cho em cách nhiệt tình, chu em hồn thiện đồ án cách tốt Thời gian làm đồ án, nhƣ kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy bạn thơng cảm cho em ii TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án thực mơ phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung MEMS chế tạo với ba loại vật liệu khác nhau: Silicon, Silicon Dioxide Silicon nitride phần mềm COMSOL Multiphysics Độ dịch chuyển lớp màng, giá trị điện dung độ nhạy cảm biến có tác động áp suất bên đƣợc khảo sát Các kết đạt đƣợc cho thấy cảm biến sử dụng vật liệu Silicon Dioxide có độ nhạy cao nhiên tính ổn định không cao so với cảm biến sử dụng vật liệu Silicon Silicon Nitride nhiệt độ môi trƣờng làm việc thay đổi ABSTRACT This thesis imitates and simulates by using different materials: Silicon and Silicon Dioxide (SiO2 and Silicon Nitride - Si3N4) with COMSOL Multiphysics sofrware The shift of membrane layer, Capacitance pressure sensor and sensitivity of sensor when exposing to external pressure were investigated The results show that sensor uses materials silicon dioxide have sensitivity is taller, however, the stability isn’t taller than sensor uses Silicon and Silicon Nitride, when the temperature of the work environment changes iii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG vii DANH TỪ VIẾT TẮT viii CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu chung .1 1.1.2 Phân loại cảm biến 1.1.3 Đƣờng cong chuẩn cảm biến 1.1.4 Các đặc trƣng 1.2 Nguyên lý chế tạo đo cảm biến .13 1.2.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến .13 1.2.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 13 1.2.3 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động 16 1.3 Các loại cảm biến thông dụng 17 1.3.1 Cảm biến nhiệt độ .17 1.3.2 Cảm biến quang 17 1.3.3 Cảm biến đo biến dạng .17 1.3.4 Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 18 1.3.5 Cảm biến đo lực 19 1.3.6 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc rung 19 1.3.7 Cảm biến đo áp suất chất lƣu 20 1.3.8 Cảm biến đo lƣu lƣợng mức chất lƣu 20 1.4 Kết luận chƣơng 21 CHƢƠNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT .22 2.1 Công nghệ vi điện tử MEM 22 2.1.1 Tổng quan MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) .22 2.1.2 Công nghệ chế tạo sản phẩm MEMS 26 2.1.3 Ứng dụng cảm biến MEMS 28 2.2 Cảm biến áp suất 29 2.2.1 Khái niệm 29 2.2.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất .29 2.3 Vi cảm biến áp suất 31 iv 2.3.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ 34 2.3.2 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở 36 2.4 Kết luận chƣơng 37 CHƢƠNG PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG 38 3.1 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics 38 3.2 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung MEMS 44 3.2.1 Cấu tạo cảm biến áp suất điện dung .44 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động cảm biến áp suất điện dung MEMS 45 với w(x,y) độ dịch chuyển lớp màng 46 3.3 Kết thảo luận .47 3.3.1 Khảo sát hoạt động cảm biến .47 3.3.2 Tác động nhiệt độ môi trƣờng tới giá trị điện dung cảm biến 49 3.4 Kết luận chƣơng 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH .54 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Đƣờng cong chuẩn cảm biến .5 Hình 1.2 Phƣơng pháp chuẩn cảm biến .6 Hình 1.3 Xác định khoảng thời gian đặc trƣng chế độ độ 11 Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 13 Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện .14 Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện .14 Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 15 Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ 15 Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall 16 Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo đầu đo kim loại 18 Hình 1.11 Mạch đo thƣờng dùng với cảm biến tụ điện 19 Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý biến đổi kiểu áp vi sai 20 Hình 1.13 Cảm biến đo mức tia xạ 21 Hình 2.1 Sơ đồ khối cảm biến áp suất .29 Hình 2.2 Cảm biến áp suất .30 Hình 2.3 Cấu tạo cảm biến kiểu áp trở .30 Hình 2.4 Đo áp suất động ống Pitot 34 Hình 2.5 Đo áp suất động màng 34 Hình 2.6 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung 35 Hình 3.1 Mơ hình vi cảm biến áp suất điện dung .44 Hình 3.2 Mặt cắt ngang 2D cảm biến áp suất điện dung 45 Hình 3.3 Tác động áp suất lên lớp màng cảm biến 47 Hình 3.4 Sự thay đổi giá trị điện dung cảm biến có áp suất tác động 48 Hình 3.5 Tác động nhiệt độ tới giá trị điện dung cảm biến 49 Hình 3.6 Tác động nhiệt độ tới giá trị điện dung linh kiện cảm biến 50 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Quan hệ đơn vị đo áp suất 32 Bảng 3.1 Đặc tính vật liệu Silicon AISI 4340 .45 vii DANH TỪ VIẾT TẮT MEMS Micro Electro Mechanical Systems Công nghệ vi điện tử SiO2 Silicon Dioxide Silicon Dioxide Si3N4 Silicon Nitride Silicon Nitride viii 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 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 40 - 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 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 ngơn ngữ ngun 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 mô hình đa vật lý Các biến phức 2D, 3D đối xứng trục tồn sẵn với hầu hết chế độ 41 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 mơ sẵn để tham khảo, tập tin mẫu đƣợc cài đặt vào COMSOL Multiphysics Ta chạy trình duyệt Model 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 q trình việc thiết kế mơ hình Giao diện COMSOL Multiphysics chứa đựng thiết lập cho cơng cụ CAD mơ 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 công 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 mô 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 42 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 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 cịn 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 43 - 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 hiển thị [5] 3.2 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung MEMS 3.2.1 Cấu tạo cảm biến áp suất điện dung Cảm biến áp suất điện dung MEMS bao gồm hai cực đặt song song đƣợc cách chất điện môi Bản cực phía dƣới đƣợc gắn cố định đế kim loại, cực phía lớp màng mỏng Mơ hình vi cảm biến áp suất đƣợc mơ tả hình 1a Do tính đối xứng cấu trúc cảm biến nên mơ hình mơ thực phần tƣ vi cảm biến (hình 1b) Hình 3.1 Mơ hình vi cảm biến áp suất điện dung a) Mơ hình hình học cảm biến b) Mơ hình ¼ vi cảm biến đó, (1): màng silicon, (2): Khoang khơng khí, (3): silicon gắn đế kim loại, (4): đế kim loại làm vật liệu AISI 4340, nhiệt độ gắn kết silicon với đế kim loại 70C (hình 1b) Mặt cắt theo chiều dọc cảm biến đƣợc thể nhƣ hình 2, lớp màng mỏng lớp đất khoang khơng khí có bề rộng 12m, điện trƣờng đặt vào 44 lớp màng 1V Hình 3.2 Mặt cắt ngang 2D cảm biến áp suất điện dung Trong mô sử dụng vật liệu có đặc tính kỹ thuật đƣợc cho nhƣ bảng Bảng 3.1 Đặc tính vật liệu Silicon AISI 4340 Tính chất Silicon AISI 4340 Mô đun Young [GPa] 170 250.109 Hệ số poisson 0.06 0.28 Hằng số điện môi 11.7 Density Mật độ [kgm-3] 2330 7850 Hệ số giãn nở nhiệt [K-1] 2.6x10-6 12.3x10-6 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động cảm biến áp suất điện dung MEMS Cảm biến áp suất điện dung loại cảm biến hoạt động dựa nguyên lý thay đổi giá trị điện dung cảm biến áp suất tác động từ mơi trƣờng bên ngồi thay đổi Thơng thƣờng giá trị điện dung C hai cực tụ điện đƣợc tính theo cơng thức: C= đó: (3.1) ddr A d C: giá trị điện dung hai cực điện 45 o: số điện mơi khơng khí r: số điện mơi vật liệu graphene A: diện tích điện cực d: khoảng cách hai cực Đối với cảm biến áp suất điện dung, có áp suất bên ngồi tác động lên lớp màng, lớp màng bị biến dạng dẫn đến khoảng cách hai cực thay đổi, giá trị điện dung C khơng cịn số mà thay đổi theo áp suất đặt vào Tuy nhiên, lớp màng bị biến dạng không đồng toàn lớp màng nên giá trị điện dung C tính theo cơng thức (1) khơng cịn Với lớp màng cảm biến hình vng, giá trị dịch chuyển cực đại lớp màng đợc tính theo cơng thức [6]: w max PL4 = 0.01512(1- m ) Eh (3.2) Trong đó: L: chiều dài lớp màng h độ dày lớp màng E hệ số Young Modul  tỉ số Poinsson P áp suất tác động vào lớp màng Khi giá trị điện dung C đƣợc tính theo cơng thức sau: [6] C= òò d - e0 dxdy w( x, y ) (3.3) với w(x,y) độ dịch chuyển lớp màng Độ nhạy cảm biến mức độ thay đổi đầu cảm biến số lƣợng đầu vào đƣợc đo lƣờng thay đổi Độ nhạy áp suất đƣợc đƣa cơng thức: Sp = ¶C ¶P (3.4) 46 Trong đó: C thay đổi điện dung độ lệch màng P áp lực bên tác dụng Độ nhạy học thu đƣợc tỷ lệ thay đổi độ lệch màng với áp suất bên tác dụng đƣợc cho bởi, Sw = ¶w ¶p (3.5) Trong đó: w chuyển vị P áp lực tác dụng bên 3.3 Kết thảo luận 3.3.1 Khảo sát hoạt động cảm biến a) Độ dịch chuyển lớp màng có áp suất đặt vào Hình 3.3 Tác động áp suất lên lớp màng cảm biến Độ dịch chuyển lớp màng cảm biến có áp suất tác động vào đƣợc thể hình 3.2 Với áp suất tác động vào 50 kPa, kết mô cho thấy:  Cảm biến sử dụng vật liệu silicon có độ dịch chuyển cực đại 1,13 µm áp suất tác động 50 kPa  Cảm biến sử dụng vật liệu SiO2 có độ dịch chuyển cực đại 9,07 um áp suất tác động 50 kPa 47  Cảm biến sử dụng vật liệu Si3N4 có độ dịch chuyển cực đại 3,26 um áp suất tác động 50 kPa  Sự dịch chuyển lớp màng hàm thay đổi tuyến tính theo áp suất đặt vào với vật liệu Silicon Si3N4, cịn với vật liệu SiO2 hàm khơng tuyến tính b Giá trị điện dung cảm biến có áp suất tác động Áp suất tác động lên lớp màng gây biến dạng bề mặt lớp màng cảm biến Tác động làm cho khoảng cách hai cực cảm biến thay đổi dẫn đến giá trị điện dung cảm biến đầu thay đổi Khảo sát mối quan hệ giá trị điện dung thu đƣợc với áp suất tác động vào cực đại 50kPa ta thu đƣợc kết hình 3.3 Hình 3.4 Sự thay đổi giá trị điện dung cảm biến có áp suất tác động Kết mô cho thấy, áp suất tác động vào cảm biến ứng với vật liệu khác thay đổi giá trị điện dung khác nhau, cụ thể:  Với lớp màng sử dụng vật liệu Silicon giá trị điện dung cực đại là: 0.213 pF áp suất 50kPa  Với lớp màng sử dụng vật liệu SiO2 giá trị điện dung cực đại là: 0.292 pF áp suất 50kPa 48  Với lớp màng sử dụng vật liệu Si3N4 giá trị điện dung cực đại là: 0.199 pF áp suất 50kPa Từ kết thấy cảm biến dùng vật liệu SiO2 có độ nhạy tốt (độ nhạy đƣợc tính theo cơng thức [1.2]) Tuy nhiên mối quan hệ giá trị điện dung thu đƣợc áp suất đặt vào hàm khơng tuyến tính với cảm biến sử dụng vật liệu Silicon Silicon Nitride mối quan hệ tuyến tính 3.3.2 Tác động nhiệt độ môi trƣờng tới giá trị điện dung cảm biến Để khảo sát tác động nhiệt độ tới giá trị điện dung cảm biến ta tiến hành khảo sát thay đổi giá trị điện dung cảm biến hai trƣờng hợp: - Cảm biến làm việc mơi trƣờng có nhiệt độ bình thƣờng - Cảm biến làm việc mơi trƣờng có nhiệt độ cao a) Tác động nhiệt độ tới giá trị điện dung nhiệt độ bình thƣờng Thay đổi nhiệt độ môi trƣờng làm việc từ 170C đến 450C ta thu đƣợc kết ảnh hƣởng nhiệt độ tới giá trị điện dung cảm biến đƣợc thể nhƣ hình 3.4 Hình 3.5 Tác động nhiệt độ tới giá trị điện dung cảm biến Kết thu đƣợc cho thấy nhiệt độ môi trƣờng làm việc thay đổi 49 cảm biến đƣợc chế tạo vật liệu SiO2 có thay đổi lớn giá trị điện dung, cịn Silicon Si3N4 khơng có thay đổi giá trị điện dung Điều chứng tỏ cảm biến sử dụng vật liệu SiO2 có độ nhạy cao nhiên khơng ổn định làm việc mơi trƣờng có nhiệt độ thay đổi b) Khảo sát tính ổn định cảm biến môi trƣờng nhiệt độ cao Để khảo sát mức độ ổn định vật liệu dùng để chế tạo cảm biến môi trƣờng làm viêc với nhiệt độ cao Chúng tiến hành khảo sát cảm biến đƣợc chế tạo vật liệu Silicon, Silicon dioxide, Silicon nitride làm việc dải nhiệt độ từ 290 0K đến 500 0K (từ 170C đến 2270C) áp suất tác động 20kPa Kết khảo sát đƣợc thể hình 3.5 Hình 3.6 Tác động nhiệt độ tới giá trị điện dung linh kiện cảm biến Kết thu đƣợc hình 3.5 cho thấy cảm biến đƣợc chế tạo vật liệu SiO2 có thay đổi điện dung lớn, với cảm biến đƣợc chế tạo vật liệu Silicon có thay đổi điện dung cịn cảm biến đƣợc chế tạo dùng Si3N4 gần nhƣ không đổi 3.4 Kết luận chƣơng Ở chƣơng đƣa kết qua q trình mơ khảo sát cảm 50 biến áp suất với loại vật liệu khác Từ kết cho thấy cảm biến sử dụng vật liệu SiO2 có độ nhạy cao, nhƣng có tác động nhiệt độ SiO2 có tính ổn định nhiệt độ tác động vào cao Còn với cảm biến sử dụng vật liệu silicon cảm biến sử dụng vật liệu Si3N4 có độ nhạy thấp nhƣng tính ổn định cao, chụi ảnh hƣởng nhiệt độ môi trƣờng 51 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu, thực đồ án, thu đƣợc kết luận sau: Với ƣu tạo cấu trúc học nhỏ bé tinh vi, công nghệ vi điện tử 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 thơng 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 Khảo sát độ dịch chuyển lớp màng cảm biến, giá trị điện dung độ nhạy nhƣ tính ổn định cảm biến áp suất điện dung MEMS chế tạo ba vật liệu khác Silicon, Silicon Dioxide Silicon Nitride Kết khảo sát phần mềm COMSOL Multiphysics, cho thấy: - Vật liệu Silicon Dioxide với hệ số Modul Young thấp cho kết độ nhạy cao nhiên độ nhạy cảm biến không ổn định cảm biến làm việc môi trƣờng có nhiệt độ thay đổi độ nhạy bị giảm mạnh cảm biến làm việc mơi trƣờng có nhiệt độ cao - Cảm biến chế tạo dùng vật liệu Silicon Silicon Nitride có độ nhạy ổn định cao nhiệt độ môi trƣờng thay đổi nhƣ làm việc môi trƣờng nhiệt độ cao  Hƣớng phát triển đề tài: Nghiên cứu thiết kế cấu trúc vi cảm biến áp suất điện dung MEMS chế tạo dùng vật liệu Silicon Nitride nhằm tăng độ nhạy độ ổn định cảm biến 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kỹ thuật cảm biến, http://voer.edu.vn/c/2253b93a Truy cập lần cuối ngày 23/05/2017 [2] Nguyên lý chung chế tạo cảm biến, https://voer.edu.vn/m/nguyen-ly-chungche-tao-cam-bien/ Truy cập lần cuối ngày 16/05/2017 [3] Trang web http://cambiendoapsuat.vn/nguyen-ly-hoat-dong-cam-bien-ap-suat/ Truy cập lần cuối ngày 16/05/2017 [4] MEMS công nghệ vi http://tailieu.vn/doc/mems-va-cong-nghe-vi-co487696.html truy cập ngày cuối ngày 24/05/2017 [5] Đặng Thành Trung (2014), COMSOL - Nền tảng ứng dụng mô số, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh [6] Simulation Analysis of Capacitive Pressure sensor of MEMS using Graphene, International Conferenee on Material, Electronic of Information Engineering, ICMEIE - 2015 [7] Đào Thái Diệu (2008), Giáo trình kỹ thuật cảm biến đo lƣờng điều khiển, Nhà xuất Đại học Công nghiệp Tp.HCM 53 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH Hệ thống vi điện tử Micro electro mechanical systems Cảm biến Sensor Con quay Gyroscope Vi cân thạch anh Quartz Micro Balance Thƣ viện mơ hình mơ đun Module Model Library Kế hoạch hợp tác hệ thống System Planning Cooporation Bộ chấp hành Actuator 54 ... 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 - Dựa vào kết mơ phỏng, phân tích so sánh thông số cảm biến. .. 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 áp lực, cảm biến áp. .. bị biến dạng, độ biến dạng màng phụ thuộc vào độ lớn áp suất tác dụng vào Cảm biến áp suất có số kiểu cấu trúc sau: - Cảm biến áp suất tuyệt đối - Cảm biến áp suất tƣơng đối - Cảm biến áp suất