Mô phỏng, phân tích ảnh hưởng của vật liệu chế tạo lên độ nhạy của cảm biến áp suất điện dung

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO LÊN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG SV thực : Nguyễn Văn Hiệp Mã sinh viên : 135D5202070028 Lớp 54K1 ĐTTT : GV hƣớng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ MINH NGHỆ AN - 2018 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời buổi cơng nghệ phát triển ngày cao, dẫn tới có nhiều sản phẩm đời với tính đa dạng, phong phú, đặc biệt thông minh nhằm phục vụ lợi ích ngƣời Một hệ thống máy móc thơng minh đƣợc cấu thành từ nhiều phận với chức khác nhau, vi xử lý đƣợc lập trình phức tạp, cấu chấp hành, cấu xử lý phức tạp Có phận vơ quan trọng để tạo lên thơng minh khơng kể đến loại cảm biến Có nhiều loại cảm biến đƣợc chế tạo sử dụng theo mục đích khác đời sống nhƣ cảm biến cảm nhận nhiệt độ, áp suất không khí, áp suất nƣớc, âm thanh, lực, dịng chảy, áp dụng cho trạm bơm nƣớc, lò Tùy theo loại cơng việc mà loại cảm biến có cách chế tạo khác Một loại cảm biến với nhiều ứng dụng quan trọng, cảm biến áp suất.Cảm biến áp suất đƣợc dùng đo trực tiếp hệ thơng lị hơi, trạm bơm nƣớc hay nhà máy Cảm biến áp suất có ứng dụng vơ rộng rãi phổ biến Do việc tìm hiểu cảm biến áp suất, cơng nghệ chế tạo nhƣ phƣơng pháp để thiết kế cảm biến áp suất nhu cầu cần thiết cho chúng ta, lý tơi chọn đề tài “Mơ phỏng, phân tích ảnh hƣởng vật liệu chế tạo lên độ nhạy cảm biến áp suất điện dung” cho đồ án tốt nghiệp đại học Nội dung đồ án gồm chƣơng: Chƣơng giới thiệu chung cảm biến đặc điểm chúng Chƣơng trình bày cảm biến áp suất, vi cảm biến áp suất công nghệ vi điện tử MEMS Chƣơng trình bày q trình phân tích mô cảm biến áp suất điện dung sử dụng ba loại chất liệu khác Xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Thị Minh giúp em thực tốt đồ án Xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Viện Kỹ thuật Công nghệ giảng dạy, giúp đỡ em hồn thành chƣơng trình đào tạo i TĨM TẮT Đồ án trình bày thiết kế, mơ phân tích cảm biến áp suất điện dung MEMS với ba loại vật liệu khác Silicon, Si3N4 Ge dùng phần mềm Comsol Multiphysics Các thông số độ dịch chuyển lớp màng, giá trị điện dung độ nhạy cảm biến đƣợc phân tích Các kết đạt đƣợc cho thấy có áp suất tác động, cảm biến đƣợc chế tạo vật liệu khác thu đƣợc thông số cảm biến khác Giá trị điện dung cảm biến dùng vật liệu Ge có độ biến thiên lớn thu đƣợc độ nhạy cao Ngoài ảnh hƣởng nhiệt độ môi trƣờng làm việc đƣợc khảo sát trình bày đồ án ABSTRACT This thesis is present to the current device, simulator and MEMS for the other environment type are Silicon, Si3N4 and Ge uses softwave Comsol Multiphysics The information about the translating data layer, the power value and sensor is been parsing The result were found when the effect is already applied, the sensor is created with other data will be taken the parameters of the information are different The sensor of the power variable is used on the Geographic physical with the maximum variable and is most high Sensitivity Out of the photo of the environment also consult and survey in the thesis ii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i TÓM TẮT ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu chƣơng 1.2 Giới thiệu chung 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại cảm biến 1.2.3 Đƣờng cong chuẩn cảm biến 1.2.4 Các đặc trƣng 1.3 Nguyên lý chế tạo đo cảm biến 12 1.3.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến 12 1.4 Các loại cảm biến thông dụng 16 1.4.1 Cảm biến quang 17 1.4.2 Cảm biến nhiệt độ 18 1.4.3 Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 18 1.4.4 Cảm biến đo biến dạng 19 1.4.5 Cảm biến đo lực 20 1.4.6 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc rung 21 1.4.7 Cảm biến đo áp suất chất lƣu 22 1.4.8 Cảm biến đo lƣu lƣợng mức chất lƣu 23 1.4.9 Cảm biến thông minh 23 1.5 Kết luận chƣơng 24 CHƢƠNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT 25 iii 2.1 Giới thiệu chƣơng 25 2.2 Công nghệ vi điện tử MEMS 25 2.2.1 Tổng quan MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) 25 2.2.2 Công nghệ chế tạo sản phẩm MEMS 25 2.2.3 Ứng dụng cảm biến MEMS 28 2.3 Cảm biến áp suất 28 2.3.1 Khái niệm 29 2.3.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất 29 2.3.3 Ứng dụng cảm biến áp suất 29 2.4 Vi cảm biến áp suất 30 2.4.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ 33 2.4.2 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở 33 2.5 Kết luận chƣơng 34 CHƢƠNG MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG .35 3.1 Giới thiệu chƣơng 35 3.2 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics 35 3.3 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung 36 3.3.1 Nguyên tắc hoạt động cảm biến áp suất điện dung MEMS 36 3.3.2 Các cơng thức tốn học sử dụng cảm biến áp suất điện dung 37 3.3.3 Mơ hình phần mềm Comsol 38 3.4 Cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vng 39 3.5 Kết thảo luận 40 3.5.1 Tác động áp suất tới độ dịch chuyển lớp màng 41 3.5.2 Tác động nhiệt độ môi trƣờng đến giá trị điện dung cảm biến43 3.5.3 Tác dụng áp suất tới giá trị điện dung cảm biến 42 3.6 Kết luận chƣơng 44 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đƣờng cong chuẩn cảm biến Hình 1.2 Phƣơng pháp chuẩn cảm biến Hình 1.3 Xác định khoảng thời gian cảm biến .10 Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 12 Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 13 Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện 13 Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 14 Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ 14 Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall .15 Hình 1.10 Phototransistor chế độ chuyển mạch 17 Hình 1.11 Mạch đo thƣờng dùng với cảm biến tụ điện 18 Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo đầu đo kim loại 19 Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc rung 22 Hình 1.15 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý biến đổi kiểu biến áp vi sai 22 Hình 1.16 Cảm biến đo mức tia xạ 23 Hình 1.17 Sơ đồ cấu trúc cảm biến thông minh 23 Hình 2.1 Đo áp suất động ống Pitot 32 Hình 2.2 Đo áp suất động màng .32 Hình 3.1 Giao diện phần mềm Comsol Multiphysics .36 Hình 3.2 Mơ hình cảm biến áp suất điện dung 38 Hình 3.3 Một phần tƣ mơ hình cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vng phần mềm Comsol 39 Hình 3.4 Mặt cắt ngang 2D cảm biến áp suất điện dung 40 Hình 3.5 Sự dịch chuyển lớp màng với ba chất liệu thay đổi áp suất 41 Hình 3.6 Sự dịch chuyển lớp màng trình chế tạo cảm biến 42 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Giới thiệu đại lƣợng cần đo có khả làm thay đổi tính chất điện vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến .16 Bảng 1.2 Liệt kê đơn vị đo quang 17 Bảng 1.3 Cho giá trị tƣơng ứng số nhiệt độ quan trọng theo thang đo khác .18 Bảng 1.4 Thành phần hệ số đầu đo loại hợp kim 20 Bảng 1.5 Đặc trƣng vật lý số vật liệu áp điện .20 Bảng 2.1 Trình bày đơn vị đo áp suất hệ số chuyển đổi chúng .30 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt FM Tiếng anh Tiếng việt Phần mềm mô tƣợng FEMLAB Multiphysics vật lý đa dạng CM Phần mềm mô cấu trúc Comsol Multiphysics vật lý đa dạng MEMS Hệ thống vi điện tử Micro ElectroMechanical Systems FEM Finite Element Method Phƣơng pháp phần tử hữu hạn LIGA Lithgraphie Galvanofruning Khắc hình, mạ điện làm khn und Abformung MUX Bộ dồn kênh Multiplexer vii CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu chƣơng Chƣơng tiến hành giới thiệu kiến thức nhƣ khái niệm, cách phân loại, đƣờng cong chuẩn cảm biến đặc trƣng của cảm biến Ngoài chƣơng loại cảm biến khác với đặc điểm, ứng dụng 1.2 Giới thiệu chung 1.2.1 Khái niệm 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 (nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng, độ ẩm,…) tác động lên cảm biến cho ta đặc trƣng (s) mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lƣợng đo Đặc trƣng (s) hàm đại lƣợng cần đo (m): s = f(m) (1.1) Trong công thức (1.1), s đại lƣợng đầu phản ứng cảm biến, x đại lƣợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lƣợng cần đo), thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị kích thích (m) 1.2.2 Phân loại cảm biến Có nhiều loại cảm biến đƣợc chế tạo ứng dụng thực tế, ta phân loại cảm biến theo đặc trƣng nhƣ sau:  Theo nguyên lý chuyển đổi kích thích đáp ứng:  Hiện tƣợng vật lý: - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ - Điện từ - Quang đàn hồi - Từ điện - Nhiệt từ  Hiện tƣợng hoá học: - Biến đổi hoá học - Biến đổi điện hố - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hoá  Hiện tƣợng sinh học: - Biến đổi vật lý - Biến đổi sinh hóa - Hiệu ứng thể sống  Phân loại theo dạng kích thích:  Âm thanh: - Biên pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng  Điện: - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp - Điện trƣờng (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi  Từ: - Từ trƣờng (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cƣờng độ từ trƣờng - Độ từ thẩm  Quang: - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số xạ 2.4.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có nguyên lý hoạt động đơn giản Điện dung tụ đƣợc thay đổi cách tác động lên thông số làm thay đổi điện trƣờng hai vật dẫn tạo thành hai cực tụ Một hai tụ đƣợc nối học với vật trung gian chịu tác động áp suất cần đo Nếu vật trung gian màng mỏng điện dung tụ thay đổi theo dịch chuyển tâm màng bị áp suất tác dụng Trong chế tạo cảm biến áp suất hiệu ứng áp trở đƣợc sử dụng phổ biến Nguyên lý hoạt động nhƣ phƣơng pháp chế tạo vi cảm biến áp suất kiểu màng hiệu ứng áp điện trở 2.4.2 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở Trên sở hiệu ứng áp trở vật liệu silicon, nhiều loại vi cảm biến chấp hành đƣợc phát triển với tính ứng dụng khác Nguyên lý làm việc chung vi cảm biến loại dựa thay đổi độ biến dạng cấu trúc màng hay cấu trúc dầm (gọi chung phần tử nhạy cơ) đƣợc chuyển thành tín hiệu điện tƣơng ứng nhờ áp điện trở đƣợc cấy phần tử nhạy Khi phần tử nhạy vi cảm biến bị uốn cong, áp điện trở thay đổi giá trị Độ nhạy nhƣ vùng làm việc tuyến tính vi cảm biến phụ thuộc nhiều vào kích thƣớc cấu trúc cơ, dạng kích thƣớc áp điện trở, vị trí áp điện trở phần tử nhạy Cảm biến đƣợc chế tạo đế Silic loại n, phƣơng pháp ăn mịn điện hố, màng silicon với kích thƣớc bề dày thay đổi đƣợc tạo ra, màng nhạy với tín hiệu áp suất Sau đó, bốn điện trở đƣợc đặt lên màng silicon trung điểm cạnh hình vng phƣơng pháp khuếch tán Boron từ nguồn tạp phƣơng pháp cấy ion tạo thành cầu Wheatstone Các điện trở đƣợc đặt cách xác cụ thể hai điện trở đƣợc đặt song song với cạnh màng, hai điện trở cịn lại đƣợc đặt vng góc với cạnh màng Khi khơng có áp suất đặt lên màng, cầu điện trở trạng thái cân bằng, điện lối lúc Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng bị biến dạng, áp lực phân bố màng bị thay đổi Do hiệu ứng áp điện trở, giá trị điện trở mạch cầu bị thay đổi, cụ thể điện trở song song với cạnh 33 màng có giá trị giảm điện trở vng góc với cạnh màng tăng giá trị ngƣợc lại Kết cầu bị cân điện áp lối khác Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên độ lớn tín hiệu lối phụ thuộc vào áp suất Bằng cách đo điện lối ta đo đƣợc độ lớn tƣơng ứng áp suất tác dụng lên màng Cảm biến áp suất loại cảm biến thƣờng dùng cơng nghiệp Trong y tế cảm biến áp suất thƣờng đƣợc sử dụng để đo áp suất máu động mạch tĩnh mạch Ƣu điểm lớn cảm biến áp suất vi điện tử độ nhạy Cụ thể dải điện áp thấp, độ nhạy cảm biến thay đổi khoảng từ 0,1 đến 3mV/mbar phụ thuộc dạng hình học màng cƣờng độ dòng điện, dải áp suất từ khoảng vài trăm mbar đến hàng trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0,2 đến 12,5mV/bar Một ƣu điểm kích thƣớc cảm biến chế tạo theo cơng nghệ MEMS nên kích thƣớc nhỏ,thuận tiện 2.5 Kết luận chƣơng Trong chƣơng này, giới thiệu cách tổng quan công nghệ MEMS, ứng dụng công nghệ chế tạo cảm biến Trình bày cảm biến áp suất đặc điểm cảm biến áp suất nhƣ khái niệm, nguyên tắc hoạt động ứng dụng Giới thiệu hai loại vi cảm biến áp suất thƣờng gặp vi cảm biến kiểu áp trở vi cảm biến áp suất kiểu tụ điện 34 CHƢƠNG MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG 3.1 Giới thiệu chƣơng Chƣơng mô tả kết mô phân tích tham số kỹ thuật cảm biến áp suất điện dung MEMS với ba chất liệu Silicon,Ge Si3N4 3.2 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics Mô máy tính trở thành phần thiết yếu phát triển khoa học kỹ thuật ngày nay, đóng vai trị quan trọng việc tối ƣu hóa việc thiết kế, sản xuất sản phẩm cơng nghệ Trong số nhiều chƣơng trình mơ phỏng, lựa chọn Comsol Multiphysics ƣu điểm trội Chƣơng trình Comsol dựa phần mềm FEMLAB FEMLAB phần mềm mô tƣợng vật lý đa dạng, sử dụng FEM để giải mơ hình đƣợc xây dựng FM dễ sử dụng, với giao diện đồ họa linh hoạt chứa nhiều ứng dụng khác Để xây dựng mơ hình mơi trƣờng Comsol Multiphysics trƣớc hết cần có ý tƣởng mơ hình, sau thêm hiệu ứng vật lý liên quan đến mô hình Chƣơng trình mơ Comsol Multiphysics giúp ngƣời dùng xây dựng mơ hình xác với diễn giới thực Dƣới số ƣu điểm vƣợt trội chƣơng trình CM - Thu nhận tín hiệu đƣa vào dễ dàng nhanh chóng - Thƣ viện phần mềm CM phong phú mơ hình cơng cụ hiển thị đồ họa - Q trình xây dựng mơ hình thời gian Ngƣời dùng theo dõi trình chƣơng trình làm việc - Giao diện ngƣời dùng đƣợc xếp logic theo trình tự cơng việc, gồm có cơng cụ đƣợc chia thành nhiều cửa sổ, qua ngƣời dùng nhìn thấy tổng quan mơ hình cần xây dựng - Vẽ đồ thị tính hữu dụng Comsol Multiphysics với nhiều dạng đồ thị khác Ngồi ra, CM cịn cho phép ngƣời dùng trực tiếp biên 35 tập hình vẽ, điền vào ghi theo ý muốn Phần mềm Comsol Multiphysics phần mềm mơ phỏng, có tính trực quan cao linh hoạt mô Giao diện phần mềm Comsol 5.0 nhƣ Hình 3.1 Hình 3.1 Giao diện phần mềm Comsol Multiphysics Trong có cửa sổ thƣờng sử dụng Model Buider để tạo đối tƣợng, Settings để thiết lập tham số Graphics để hiển thị kết mô dƣới dạng đồ họa trực quan 3.3 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung Phần mô tả nguyên tắc làm việc thiết bị cảm biến áp suất điện dung MEMS, tảng tốn học mơ hình COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics công cụ tƣơng tác mạnh mẽ để mơ hình hóa giải tất loại vấn đề kỹ thuật, mơ hình đƣợc xây dựng sở phƣơng trình đặc tính vật lý đầy đủ 3.3.1 Ngun tắc hoạt động cảm biến áp suất điện dung MEMS Cảm biến áp suất điện dung MEMS hoạt động nguyên lý điện Khi có áp lực bên tác dụng lên màng mỏng, gây khoang có chênh lệch 36 áp suất bên áp suất bên gây biến dạng màng mỏng Sự biến dạng làm cho khoảng cách cực cảm biến thay đổi dẫn đến điện dung cảm biến thay đổi theo 3.3.2 Các cơng thức tốn học sử dụng cảm biến áp suất điện dung Để nghiên cứu tác động áp suất lên độ biến dạng lớp màng, ta tiến hành phân tích giá trị điện dung, áp suất, độ nhạy tác động nhiệt độ Thông qua mô đƣợc thực phần mềm COMSOL cho cảm biến áp suất điện dung MEMS, trƣờng hợp có xét tới ảnh hƣởng nhiệt độ trình chế tạo cảm biến Cảm biến áp suất điện dung 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: (3.1) Trong đó: ε0 số điện mơi khơng khí, ε số điện mơi vật liệu silicon, A diện tích điện cực hiệu dụng d khoảng cách hai cực Đối với cảm biến áp suất điện dung, có áp suất bên 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 khơng đồng tồn lớp màng nên giá trị điện dung C tính theo cơng thức (3.1) khơng cịn Với lớp màng cảm biến hình vng, giá trị dịch chuyển cực đại lớp màng đƣợc tính theo cơng thức [4]: ( ) (3.2) Trong đó: L chiều dài màng, h độ dày màng, E mô đun Young (GPa), μ tỷ lệ Poisson, P áp lực tác dụng bên độ lệch màng tối đa Khi giá trị điện dung C đƣợc tính theo cơng thức sau [4]: ∬ ( 𝑑𝑥𝑑𝑦 ) (3.3) Trong đó: d khoảng cách điện cực (𝑥,) độ lệch màng 37 Đối với màng hình chữ nhật cảm biến áp suất điện dung MEMS, lệch hƣớng trung tâm màng đƣợc cho [4]: (3.4) Trong đó: có giá trị 0.0022, D có giá trị Độ nhạy đƣợc định nghĩa tỉ số giá trị điện dung đầu áp suất tác dụng đo đƣợc Độ nhạy cảm biến mức độ thay đổi giá trị điện dung đầu cảm biến áp suất tác dụng thay đổi Độ nhạy áp suất đƣợc đƣa cơng thức: (3.5) Trong đó: 𝜕 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, (3.6) Trong đó: 𝜕𝑤 chuyển vị P áp lực tác dụng bên ngồi 3.3.3 Mơ hình phần mềm Comsol Hình 3.2 Mơ hình cảm biến áp suất điện dung Cảm biến đƣợc tiếp xúc với nhiệt độ hoạt động 20 độ nhiệt độ kết dính 70 độ Màng đƣợc di chuyển theo hƣớng z để có đƣợc giá trị xác thay đổi điện dung Điện áp đặt vào cực cảm biến 1V Vật liệu đƣợc xác 38 định cho lớp màng cảm biến silicon, thép hợp kim AISI 4340 đƣợc xử lý nhiệt chứa crom, niken molypden đƣợc sử dụng làm đế cảm biến Trong q trình mơ phỏng, tác động nhiệt độ trình chế tạo cảm biến đƣợc bổ sung vào mơ hình để khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ hiệu suất cảm biến Hệ số giãn nở nhiệt cho silic 2,6 ppm/K Ảnh hƣởng giãn nở nhiệt đƣợc quan sát toàn cấu trúc 3.4 Cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vng Hình 3.3 Một phần tƣ mơ hình cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vng phần mềm Comsol Cảm biến áp suất điện dung MEMS bao gồm hai cực đặt song song đƣợc cách chất điện mơi 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 3.2 Do tính đối xứng cấu trúc cảm biến nên mơ hình mơ thực phần tƣ vi cảm biến (Hình 3.3) Với cảm biến sử dụng vật liệu Silicon đơn tinh thể có mơ đun Young (E) 170GPa, hệ số Poisson (μ) 0,06, mật độ (ρ) 2330k Kích thƣớc cảm biến điện dung với lớp màng hình vng 500μ Silicon đƣợc sử dụng đƣợc cho thích hợp có điểm mức nóng chảy cao, ngồi có cấu trễ học hệ số giản nỡ nhiệt thấp (2,6ppm/K) Vật liệu silicon đƣợc gắn với kim loại thép 39 70℃ Do chất đối xứng hình học, ta xét góc phần tƣ cảm biến Một phần tƣ cảm biến áp suất đƣợc mô phần mềm Comsol thể Hình 3.3 Hình 3.4 Mặt cắt ngang 2D cảm biến áp suất điện dung Trong 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 3.3) Mặt cắt ngang 2D cảm biến áp suất điện dung đƣợc Hình 3.4 Điện cố định 1V đƣợc đặt vào cực cảm biến, lớp màng mỏng lớp đất khoang khơng khí có bề rộng 0.03mm Cấu trúc cho thấy chất silicon, khoang khơng khí màng mỏng hoạt động nhƣ màng ngăn Cách điện đƣợc cung cấp cạnh ngăn để ngăn liên kết màng mặt phẳng mặt đất Thép hợp kim AISI 4340 đƣợc xử lý nhiệt chứa crom, niken molypden đƣợc sử dụng làm đế cảm biến Nó có độ bền cao sức chịu cao điều kiện xử lý nhiệt Nó có mật độ 7850kg/ , điểm nóng chảy cao (1700K), tỷ lệ Poisson khoảng 0,27-0,30 hệ số giãn nở nhiệt 12,3ppm/K 3.5 Kết thảo luận Sau thiết kế, thu đƣợc kết ba chất liệu bao gồm Silicon,Ge dùng lớp màng hình vng phần mềm Comsol Để tiện cho trình so sánh đánh giá sử dụng phần mềm Origin để xử lý kết thu đƣợc 40 3.5.1 Tác động áp suất tới độ dịch chuyển lớp màng Với áp suất áp dụng 25kPa, giữ nguyên khoảng cách cực cảm biến, bề dày lớp màng 10μm Màng đƣợc phép di chuyển theo hƣớng z để có đƣợc giá trị xác thay đổi điện dung Biến dạng áp lực bên tác dụng lên lớp màng làm cho dịch chuyển cực đại xảy trung tâm lớp màng độ biến dạng xẩy không đồng toàn bề mặt lớp màng Tác động Độ dịch chuyển (μm) áp suất lên độ dịch chuyển lớp màng đƣợc thể hình 3.5 Ápsuất (Pa) Hình 3.5 Sự dịch chuyển lớp màng với ba chất liệu thay đổi áp suất Kết thể hình 3.5 cho thấy: áp suất tăng từ 0Pa lên 25Kpa lớp màng chất liệu Ge có dịch chuyển 3.8 µm Lớp màng chất liệu Silicon có dịch chuyển 2.17 µm Lớp màng chất liệu Si3N4 có dịch chuyển 1.41 µm Kết cho thấy với áp suất tác động lớp màng cảm biến sử dụng vật liệu Ge có dịch chuyển lớn Ngồi q trình chế tạo cảm biến, nhiệt độ gắn kết 70 oC Nhiệt độ làm cho vật liệu bị giãn nở dẫn đến độ dịch chuyển lớp màng thay đổi Kết mô độ dịch chuyển lớp màng cảm biến có tác động cảm biến trƣờng hợp xét đến nhiệt độ trình chế tạo đƣợc thể hình 3.6 41 Độ dịch chuyển (μm) Ápsuất (Pa) Hình 3.6 Sự dịch chuyển lớp màng trình chế tạo cảm biến Kết đạt đƣợc cho thấy với cảm biến dùng vật liệu Ge độ dịch chuyển cực đại lớp màng 2.99μm áp suất tác động cực đại 17, 78 Kpa Đối với lớp màng dùng chất liệu Si3N4, áp suất tăng từ Pa lên 25 KPa độ dịch chuyển cực đại 1.496 μm Đối với lớp màng dùng chất liệu Silicon, áp suất tăng từ Pa lên 25 KPa thì độ dịch chuyển cực đại 2.544 μm 3.5.2 Tác dụng áp suất tới giá trị điện dung cảm biến Ta nghiên cứu biến dạng màng tác dụng áp suất nhiệt độ trình chế tạo cảm biến làm thay đổi điện dung ba loại chất liệu Khi có áp suất tác dụng vào 23 KPa giá trị điện dung cảm biến áp suất sử dụng lớp màng chất liệu Ge có giá trị 1.44 pF Khi có áp suất tác dụng vào 25 KPa giá trị điện dung cảm biến áp suất sử dụng lớp màng chất liệu Si3N4 giá trị 0.16 pF Khi có áp suất tác dụng vào 25 KPa giá trị điện dung cảm biến áp suất sử dụng lớp màng chất liệu Silicon giá trị 0.33 pF Đồ thị mô tả tác động áp suất tới giá trị điện dung đƣợc mơ tả nhƣ hình dƣới đây: 42 Điện dung(pF) Áp suất (Pa) Hình 3.7 Tác động áp suất tới giá trị điện dung cảm biến Ta tính độ nhạy cảm biến lớp màng Ge: = = 6,244 (pF/Pa) (3.7) Ta tính độ nhạy cảm biến lớp màng Si3N4: = = 6,4 (pF/Pa) (3.8) Ta tính độ nhạy cảm biến lớp màng Silicon: = = 1,32 (pF/Pa) (3.9) Qua ta thấy lớp màng chất liệu Ge có biến thiên điện dung lớn có tác động áp suất 3.5.3 Tác động nhiệt độ môi trƣờng đến giá trị điện dung cảm biến Khi cảm biến làm việc môi trƣờng thực tế, nhiệt độ môi trƣờng khơng phải số mà thay đổi theo ngày, theo mùa năm Chính lí mà thơng số cảm biến khơng cố định mà ln thay đổi theo giá trị nhiệt độ môi trƣờng xung quanh Để khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ môi trƣờng đến giá trị điện dung cảm biến Tiến hành khảo sát nhiệt độ môi trƣờng thay đổi từ (290 K - 300 K) tƣơng ứng với (17 - 27 ) Kết khảo sát thể hình 3.9 cho thấy nhiệt độ môi trƣờng 43 Điện dung (pF) ảnh hƣởng tới thông số ba chất liệu Silicon, Si3N4, Gemani khác Nhiệt độ (K) Hình 3.8 Tác động nhiệt độ mơi trường đến điện dung cảm biến Ta thấy nhiệt độ thay đổi từ 290K lên 300K (17oC – 27oC), kết thể hình 3.8 cho thấy giá trị điện dung cảm biến với lớp màng dùng chất liệu Ge thay đổi 0,704 pF/K Giá trị điện dung cảm biến với lớp màng dùng chất liệu Si3N4 thay đổi 0.2388 pF/K Giá trị điện dung cảm biến với lớp màng dùng chất liệu Silicon thay đổi 0.0139 pF/K Chúng ta thấy nhiệt độ tăng từ 290K lên 300K lớp màng với chất liệu Silicon cho biến đổi giá trị điện dung cao Vậy ba loại chất liệu lớp màng, lớp màng chất liệu Silicon bị ảnh hƣởng nhiệt độ nhiều Lớp màng sử dụng vật liệu Si3N4 cho biến đổi điện dung thấp nhất.Vậy lớp màng ổn định so với nhiệt độ 3.6 Kết luận chƣơng Kết mô cho thấy cảm biến có lớp màng hình vuông với chất 44 liệu Ge Khi áp suất tác dụng tăng từ Pa lên 23062 Pa, độ nhạy mơ hình 6,244 (pF/Pa) Đối với cảm biến có lớp màng hình vng với chất liệu Si3N4, áp suất tác dụng tăng từ Pa lên 25000 Pa, độ nhạy mơ hình 6,4 (pF/Pa) Đối với cảm biến có lớp màng hình vng với chất liệu Silicon, áp suất tác dụng tăng từ Pa lên 25000 Pa, độ nhạy mơ hình 1,32 (pF/Pa) Qua thấy cảm biến với chất liệu Ge cho độ nhạy lớn nhất,cảm biến với chất liệu Si3N4 cho độ nhạy nhỏ nhất.Qua cho thấy thơng số lớp màng chất liệu Ge tốt chất liệu đƣợc sử dụng phổ biến 45 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thực đồ án, đề tài “Mô phỏng, phân tích ảnh hưởng vật liệu chế tạo lên độ nhạy cảm biến áp suất điện dung” đƣợc hoàn thành Kết đạt đƣợc đề tài bao gồm: Cảm biến áp suất điện dung đƣợc chế tạo dựa cơng nghệ vi điện tử có nhiều ƣu điểm trội nhƣ kích thƣớc nhỏ, độ nhạy cao, cơng suất tiêu thụ bé tƣơng thích với vi mạch Khảo sát độ dịch chuyển lớp màng, giá trị điện dung độ nhạy nhƣ tính ổn định cảm biến áp suất điện dung MEMS đƣợc chế tạo dùng ba vật liệu khác Ge, Silicon Si3N4 Kết khảo sát phần mềm Comsol Multiphysics cho thấy: Cảm biến đƣợc chế tạo dùng vật liệu Ge cho kết độ nhạy cao nhiên độ nhạy cảm biến không ổn định làm việc mơi trƣờng có nhiệt độ thay đổi Cảm biến đƣợc chế tạo dùng vật liệu Si3N4 có độ nhạy thấp nhiên độ nhạy cảm biến ổn định tƣơng đối cao nhiệt độ môi trƣờng làm việc thay đổi Do thời gian có hạn nên đề tài khơng thể tránh khỏi nhƣng thiếu sót.Trong tƣơng lai đề tài đƣợc hồn thiện Hƣớng phát triển đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật nhằm tăng tính ổn định cho cảm biến áp suất điện dung dùng vật liệu Ge 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Chí Kiên, “Giáo trình đo lường cảm biến”, Đại học sƣ phạm kỹ thuật TPHCM, 2005 [2] Đặng Thành Trung, “Comsol - tảng ứng dụng mô số”, Đại học sƣ phạm kỹ thuật TPHCM, 2004 [3] Mirjana Maksimovic and Goran Stojanovic, “Analysis of Geometry Influence on Performances of Capacitive Pressure Sensor”, Electronics, Vol 12, No 2, December 2009 [4] M Shahiri Tabarestani, B Azizollah Ganji, “Analytical Analysis of Capacitive Pressure Sensor with Clamped Diaphragm”, International Journal of Engineering, Vol 26, No 3, March 2013, 297-302 [5] Thƣ viện học liệu mở Việt Nam: Cảm biến đo lưu lượng mức chất lưu 47 ... 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 mức, cảm biến thay thế, cảm biến vận tốc, cảm biến. .. vi cảm biến áp suất kiểu tụ điện 34 CHƢƠNG MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG 3.1 Giới thiệu chƣơng Chƣơng mô tả kết mơ phân tích tham số kỹ thuật cảm biến. .. dung, áp suất, độ nhạy tác động nhiệt độ Thông qua mô đƣợc thực phần mềm COMSOL cho cảm biến áp suất điện dung MEMS, trƣờng hợp có xét tới ảnh hƣởng nhiệt độ trình chế tạo cảm biến Cảm biến áp