Nghiên cứu, mô phỏng cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu và bề dày màng cảm biến sử dụng phần mềm comsol multiphysics

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG THAY ĐỔI VẬT LIỆU VÀ BỀ DÀY MÀNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS Sinh viên thực Lớp Khóa học Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN VĂN PHÚ : 54K2 ĐTTT : 2013 - 2018 : PGS.TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA Nghệ An, 05-2018 i LỜI MỞ ĐẦU MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hiệu nâng cao hệ thống đáng tin cậy MEMS tích hợp yếu tố khí, cảm biến, truyền động thiết bị điện tử chất thơng thường sử dụng trình tự mạch tích hợp Cảm biến áp suất vi mơ áp dụng rộng rãi ô tô, y sinh, không gian, quân ứng dụng công nghiệp khác Cảm biến áp suất chế tạo công nghệ MEMS có lợi ích kích thước nhỏ, chi phí thấp hiệu suất cao Cảm biến áp suất điện dung cung cấp độ nhạy áp suất cao, độ ồn thấp, độ nhạy nhiệt độ thấp ưu tiên nhiều ứng dụng hiệu suất cao Cảm biến áp suất điện dung dựa áp suất áp dụng làm thay đổi khoảng cách hai điện cực dẫn đến thay đổi điện dung Ngày nay, công nghệ MEMS ứng dụng rộng rãi đặc biệt mô phỏng, thiết kế cảm biến áp suất sử dụng phần mềm mô MEMS COMSOL Multiphysics Phần mềm COMSOL Multiphysics sử dụng để mô cảm biến áp suất điện dung MEMS tối ưu hóa thiết kế, cải thiện hiệu suất giảm thời gian trình chế tạo thiết bị Vì vậy, đồ án thực đồ án “Nghiên cứu, mô cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu bề dày màng cảm biến sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics” Mục đích đánh giá xác độ nhạy cảm biến có áp suất tác dụng, ảnh hưởng nhiệt độ điện dung Từ đó, nhà khoa học kỹ sư tiết kiệm thời gian tiền bạc trình chế tạo sản phẩm thực tế Đồ án bao gồm ba chương: Chương 1: Giới thiệu hệ thống vi điện tử MEMS Chương 2: Cảm biến áp suất ứng dụng Chương 3: Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung dựa phần mềm COMSOL Multiphysics Nghệ An, ngày 22 tháng năm 2018 Sinh viên Nguyễn Văn Phú ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày hệ thống vi điện tử MEMS, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến áp suất lĩnh vực ô tô, sản xuất, hàng không, đo lường sinh học, điều hịa khơng khí, thủy lực Sự thay đổi điện dung thay đổi vật liệu (Silicon, SiC_6H, Si3N4) bề dày màng (0.011 mm, 0.012 mm, 0.013 mm) cảm biến áp suất điện dung nghiên cứu thiết kế mô phần mềm COMSOL Multiphysics Các kết mô thu cho thấy: (1) thay đổi vật liệu cảm biến áp suất điện dung Silicon, Si_6H Si3N4 độ nhạy cảm biến thay đổi Trong đó, cảm biến áp suất sử dụng vật liệu Silicon có độ nhạy tốt cảm biến sử dụng vật liệu SiC(6H) Si3N4 (2) Khi thay đổi bề dày màng cảm biến áp suất điện dung độ nhạy cảm biến thay đổi Cảm biến có bề dày màng nhỏ có độ nhạy tốt (3) Ngồi cảm biến áp suất điện dung chịu ảnh hưởng có nhiệt độ tác dụng ABSTRACT Projects presented on the micro-electronic system (MEMS), principle operation and application of pressure sensor in all areas as automotive, production, aviation, biological measurement, aircondition air, hydraulics The change of capacitance when changing materials (Silicon, SiC_6H, Si3N4) and membrane thickness (0.011 mm, 0.012 mm, 0.013 mm) of the capacitive pressure sensor is the study of design and simulation software COMSOL Multiphysics The simulation results obtained shows: (1) When changing the material of the capacitive pressure sensor turn Silicon, Si_6H and Si3N4 then change the sensor sensitivity In the pressure sensor using Silicon material has better sensor sensitivity using the material SiC(6H) Si3N4 (2) When changing the membrane thickness capacitive pressure sensor, the sensor's sensitivity is also changing The sensor has a smaller membrane thickness will have better sensitivity (3) In addition the capacitive pressure sensor is also affected when there is a temperature effect iii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS 1.1 Tổng quan hệ thống vi điện tử MEMS 1.1.1 Giới thiệu hệ thống vi điện tử MEMS 1.1.2 Lịch sử phát triển MEMS 1.1.3 Thực trạng MEMS nước 1.2 Công nghệ chế tạo sản phẩm MEMS 1.2.1 Quang khắc - Lithography 1.2.2 Vi khối 1.2.3 Vi bề mặt 1.2.4 LIGA 1.2.5 Hàn 1.3 Ứng dụng cảm biến MEMS 1.4 Kết luận chương 10 CHƯƠNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT VÀ ỨNG DỤNG 11 2.1 Cảm biến áp suất 11 2.1.1 Khái niệm 11 2.1.2 Phân loại cảm biến áp suất 12 2.1.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất 13 2.1.4 Ứng dụng cảm biến áp suất 14 2.2 Cảm biến áp suất điện dung 15 2.3 Kết luận chương 17 CHƯƠNG MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG DỰA TRÊN PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS 18 3.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL Multiphysics 18 iv 3.1.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL Multiphysics 18 3.1.2 Các môi trường làm việc COMSOL Multiphysics 19 3.1.3 Thao tác với đối tượng COMSOL Multiphysics 22 3.2 Thiết kế mô khảo sát cảm biến áp suất điện dung 26 3.2.1 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung 26 3.2.2 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu 28 3.2.3 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi bề dày lớp màng 36 3.3 Kết luận chương 41 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Q trình quang khắc Hình 1.2 Các quy trình ăn mịn Hình 1.3 Quy trình chế tạo sử dụng vi bề mặt .8 Hình 1.4 Quy trình chế tạo bánh cơng nghệ LIGA [6] Hình 2.1 Cảm biến áp suất áp trở 12 Hình 2.2 Nguyên lý áp kế điện dung 13 Hình 2.3 Sơ đồ khối cảm biến áp suất 13 Hình 2.4 Mơ hình ngun khối cảm biến áp suất điện dung 16 Hình 2.5 Một phần tư mơ hình cảm biến áp suất điện dung .16 Hình 2.6 Mặt cắt ngang 2D cảm biến áp suất điện dung 17 Hình 3.1 Giao diện làm việc phần mềm COMSOL 5.3a 19 Hình 3.2 Các chế độ COMSOL Multiphysics 21 Hình 3.3 Lựa chọn chế độ mơi trường nghiên cứu 22 Hình 3.4 Đường dẫn để thiết lập đối tượng .22 Hình 3.5 Khơng gian vẽ 3D COMSOL Multiphysics .23 Hình 3.6 Các cơng cụ vẽ khơng gian 3D 23 Hình 3.7 Công cụ tạo khối Geometry .24 Hình 3.8 Chi tiết sau thiết lập 25 Hình 3.9 Tạo khối đế cho cảm biến 25 Hình 3.10 Một phần tư cảm biến thiết kế 26 Hình 3.11 Toàn chuyển dịch màng cảm biến vật liệu Silicon .29 Hình 3.12 Tồn chuyển dịch màng cảm biến vật liệu SiC(6H) 30 Hình 3.13 Tồn chuyển dịch màng cảm biến vật liệu Si3N4 30 Hình 3.14 Đồ thị chuyển dịch màng sử dụng vật liệu Silicon 31 Hình 3.15 Đồ thị chuyển dịch màng sử dụng vật liệu SiC(6H) 31 Hình 3.16 Đồ thị chuyển dịch màng sử dụng vật liệu Si3N4 31 Hình 3.17 Thay đổi điện dung cảm biến sử dụng Silicon 32 Hình 3.18 Thay đổi điện dung cảm biến sử dụng SiC(6H) 33 Hình 3.19 Thay đổi điện dung cảm biến sử dụng Si3N4 33 vi Hình 3.20 Tác động nhiệt độ đến điện dung cảm biến sử dụng Si3N4 34 Hình 3.21 Tác động nhiệt độ đến điện dung cảm biến sử dụng SiC(6H) 35 Hình 3.22 Tác động nhiệt độ đến điện dung cảm biến sử dụng Silicon 35 Hình 3.23 Tồn chuyển dịch màng cảm biến dày 0.011 mm 36 Hình 3.24 Toàn chuyển dịch màng cảm biến dày 0.012 mm 36 Hình 3.25 Tồn chuyển dịch màng cảm biến dày 0.013 mm 37 Hình 3.26 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.011 mm .37 Hình 3.27 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.012 mm .37 Hình 3.28 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.013 mm .38 Hình 3.29 Điện dung thay đổi màng có bề dày 0.011 mm 39 Hình 3.30 Điện dung thay đổi màng có bề dày 0.012 mm 39 Hình 3.31 Điện dung thay đổi màng có bề dày 0.013 mm 39 Hình 3.32 Tác động nhiệt độ làm việc đến điện dung thay đổi bề dày màng 40 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Đổi đơn vị áp suất .11 Bảng 3.1 Bảng giá trị thiết lập khối cho cảm biến 25 Bảng 3.2 Tham số vật liệu 29 Bảng 3.3 Độ nhạy hoành cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu 32 Bảng 3.4 Độ nhạy cảm biến áp suất điện dung 34 Bảng 3.5 Độ nhạy hoành cảm biến thay đổi bề dày màng cảm biến .38 Bảng 3.6 Độ nhạy cảm biến thay đổi bề dày màng áp suất 40 viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt MEMS Micro Electro Mechanical Hệ thống vi điện tử Systems LIGA LNT Lithographie, Galvanoformung, Quang khắc, mạ điện, tạo Abformung khn Laboratory for Nanotechnology Phịng thí nghiệm công nghệ nano MST Micro System Technology Công nghệ hệ thống siêu nhỏ EBL Electron Beam Lithography Quang khắc tia lửa điện EDM Electrical Discharge Machining Hệ thống gia công tia lửa điện ITIMS International Training Institute for Viện đào tạo quốc tế khoa Materials Science học vật liệu UCB University of California- Berkeley Đại học California-Berkeley MIT Massachusetts Institute of Viện Công nghệ Technology Massachusetts ix CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS [1] Trong chương giới thiệu tổng quan hệ thống vi điện tử MEMS, lịch sử phát triển thực trạng MEMS ngồi nước Tìm hiểu cơng nghệ chế tạo sản phẩm MEMS: Quang khắc – Lithography, vi khối, vi bề mặt, liga hàn Ứng dụng MEMS phát triển đời sống xã hội 1.1 Tổng quan hệ thống vi điện tử MEMS 1.1.1 Giới thiệu hệ thống vi điện tử MEMS MEMS tên gọi tắt cụm từ Micro Electro Mechanical Systems có nghĩa hệ thống vi điện tử Đó tích hợp linh kiện vi linh kiện vi điện tử chế tạo phiến vật liệu thường Silic công nghệ vi chế Diện tích tổng cộng lớn cỡ hàng chục centimet vng cịn nhỏ vào cỡ hàng chục micromet vuông Ở châu Âu công nghệ gọi Micro System Technology (MST) hay Micromachining Nhật Bản [2] Công nghệ chế tạo MEMS dựa kỹ thuật sản xuất nhiều lĩnh vực như: công nghệ chế tạo mạch tích hợp, khí, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện, hóa học, kỹ thuật chất lỏng, quang học đóng gói bao bì Thiết bị MEMS tìm thấy nhiều lĩnh vực khác điện tử tiêu dùng, ô tô, y tế, quốc phòng an ninh Một số ứng dụng MEMS như: cảm biến gia tốc, cảm biển áp suất, cảm biến sinh học, microphone, máy chiếu, thiết bị chuyển mạch quang nhiều sản phẩm khác 1.1.2 Lịch sử phát triển MEMS Lịch sử phát triển MEMS có mối liên hệ chặt chẽ, phụ thuộc vào phát triển công nghệ vi khác Nhìn chung q trình lịch sử MEMS chia thành giai đoạn sau [2] Giai đoạn 1950: Trong thời gian này, kỹ thuật với vật liệu Silic phát triển mạnh mẽ, cho phép chế tạo transistor với chi phí thấp với độ tin cậy cao Giai đoạn 1960: Vào năm đầu thập niên 60, cơng nghệ vi bề mặt Hình 3.12 Toàn chuyển dịch màng cảm biến vật liệu SiC(6H) Hình 3.13 Tồn chuyển dịch màng cảm biến vật liệu Si3N4 Hình 3.11, Hình 3.12 Hình 3.13 màng phần tư cảm biến áp suất điện dung mô phần mềm COMSOL Thể chuyển dịch hoành toàn màng cảm biến theo vật liệu sử dụng Silicon, SiC(6H) Si3N4 Dựa vào mơ chuyển dịch lớn tồn cảm biến áp suất điện dung trung tâm màng cảm biến (màu đỏ đậm biểu thị dịch chuyển lớn nhất, màu xanh dương biểu thị chuyển dịch nhỏ nhất) 30 Hình 3.14 Đồ thị chuyển dịch màng sử dụng vật liệu Silicon Hình 3.15 Đồ thị chuyển dịch màng sử dụng vật liệu SiC(6H) Hình 3.16 Đồ thị chuyển dịch màng sử dụng vật liệu Si3N4 31 Màng cảm biến áp suất điện dung có chuyển dịch lớn vị trí trung tâm màng Từ đó, độ nhạy hồnh (Sm) tính cơng thức: 𝑆𝑚 = 𝑑𝑊 𝑑𝑃 [μm/Pa] (3.6) Trong đó, W chuyển dịch màng, P áp suất Độ nhạy hoành tỷ số biến thiên chuyển dịch màng (W) áp suất tác dụng (P) từ kPa đến 25 kPa Bảng 3.3 Độ nhạy hoành cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu Vật liệu Độ nhạy hoành (μm/Pa) Silicon 8.8x10-5 SiC(6H) (Silicon carbide) 1.52x10-5 Si3N4 (Silicon nitride) 5.6x10-5 Từ Bảng 3.3, cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu có độ nhạy hồnh cực đại vị trí trung tâm khác Có độ nhạy tốt cảm biến chế tạo từ vật liệu Silicon Si3N4 SiC(6H) có giá trị độ nhạy 8.8x10-5 (μm/Pa), 5.6x10-5 (μm/Pa) 1.52x10-5 (μm/Pa)  Điện dung cảm biến thay đổi có áp suất tác dụng Hình 3.17 Thay đổi điện dung cảm biến sử dụng Silicon 32 Hình 3.18 Thay đổi điện dung cảm biến sử dụng SiC(6H) Hình 3.19 Thay đổi điện dung cảm biến sử dụng Si3N4 Độ nhạy cảm biến áp suất điện dung Sc, cho bởi: Sc = dC dP [pF/Pa] (3.7) Trong đó: C điện dung, P áp suất Ta tiến hành khảo sát tính tốn độ nhạy cảm biến áp suất điện dung thiết kế theo ba vật liệu khác SiC(6H) (Silicon carbide), Si3N4 (Silicon nitride) Silicon Ba cảm biến áp suất điện dung thiết kế từ ba vật liệu khác khảo sát khoảng áp suất tác dụng từ kPa đến 25 kPa 33 Ở đây, độ nhạy cảm biến áp suất điện dung (Sc) tính tỷ lệ biến thiên điện dung (C) áp suất (P) tác dụng từ kPa đến 25 kPa Bảng 3.4 Độ nhạy cảm biến áp suất điện dung Vật liệu Độ nhạy (pF/Pa) SiC(6H) (Silicon carbide) 10-6 Si3N4 (Silicon nitride) 6.52x10-6 Silicon 2x10-5 Dựa vào Bảng 3.4, ta thấy độ nhạy cảm biến áp suất điện dung chế tạo từ Silicon tốt nhất, cảm biến chế tạo từ vật liệu Si3N4 SiC(6H) Chúng có giá trị độ nhạy tính là: 2x10-5 (pF/Pa), 6.25x10-5 (pF/Pa) 10-6 (pF/Pa)  Mối quan hệ điện dung nhiệt độ làm việc Hình 3.20 Tác động nhiệt độ đến điện dung cảm biến sử dụng Si3N4 34 Hình 3.21 Tác động nhiệt độ đến điện dung cảm biến sử dụng SiC(6H) Hình 3.22 Tác động nhiệt độ đến điện dung cảm biến sử dụng Silicon Dựa vào Hình 3.20, Hình 3.21 Hình 3.22 ta thấy, cảm biến áp suất điện dung chế tạo từ vật liệu khác (Silicon, SiC_6H, Si3N4) có phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc khác Cảm biến áp suất điện dung chế tạo từ Silicon Si3N4 có điện dung giảm dần theo nhiệt độ làm việc, cảm biến chế tạo từ Si_6H có điện dung tăng dần theo nhiệt độ làm việc Ở đây, nhiệt độ làm việc khảo sát từ 290K – 300K (17oC – 27oC) Với việc khảo sát mô cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu từ Silicon, Si3N4 Si_6H, ta thu kết cảm biến chế tạo từ vật liệu Silicon có độ nhạy tốt nhất: độ nhạy hoành trung tâm màng 8.8x10-5 35 (μm/Pa) độ nhạy cảm biến 2x10-5 (pF/Pa) Các loại cảm biến chế tạo từ vật liệu khác có điện dung thay đổi theo nhiệt độ làm việc 3.2.3 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi bề dày lớp màng a) Mô cảm biến áp suất điện dung thay đổi bề dày lớp màng Theo đánh giá kết mô cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu Silicon, SiC_6H Si3N4 cảm biến áp suất điện dung sử dụng vật liệu Silicon có độ nhạy tốt Trong phần ta tiến hành khảo sát thay đổi cảm biến áp suất điện dung sử dụng vật liệu Silicon cách thay đổi bề dày màng cảm biến 0.011 (mm), 0.012 (mm)và 0.013 (mm) Khảo sát thay đổi bề dày màng cảm biến áp suất điện dung cách mô phỏng, đánh giá dịch chuyển màng, độ nhạy cảm biến phụ thuộc điện dung nhiệt độ làm việc b) Kết mô đánh giá  Sự chuyển dịch màng cảm biến thay đổi bề dày màng Hình 3.23 Tồn chuyển dịch màng cảm biến dày 0.011 mm Hình 3.24 Toàn chuyển dịch màng cảm biến dày 0.012 mm 36 Hình 3.25 Tồn chuyển dịch màng cảm biến dày 0.013 mm Dù thay đổi bề dày màng cảm biến áp suất điện dung 0.011 mm, 0.012 mm 0.013 mm (giữ nguyên màng hình vng 0.5 mm, khoảng cách d= 0.003 mm) thay đổi lớn màng trung tâm màng Hình 3.26 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.011 mm Hình 3.27 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.012 mm 37 Hình 3.28 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.013 mm Mặc dù thay đổi bề dày màng cảm biến áp suất điện dung theo giá trị khác dịch chuyển cực đại màng thay đổi lớn trung tâm màng Độ nhạy học cảm biến tính: Sm = dW (3.8) dP Bảng thể kết tính tốn độ nhạy học cảm biến qua thay đổi bề dày màng cảm biến 0.011 (mm), 0.012 (mm) 0.013 (mm) Bảng 3.5 Độ nhạy hoành cảm biến thay đổi bề dày màng cảm biến Bề dày (mm) Độ nhạy (μm/Pa) 0.011 6.6x10-5 0.012 5.2x10-5 0.013 4x10-5 Độ nhạy hoành cảm biến áp suất điện dung sử dụng vật liệu Silicon có bề dày màng thay đổi 0.011 (mm), 0.012 (mm) 0.013 (mm) 6.6x10-5 (μm/Pa), 5.2x10-5 (μm/Pa) 4x10-5 (μm/Pa) Từ đó, ta thấy bề dày màng nhỏ chuyển dịch màng lớn  Điện dung cảm biến thay đổi có áp suất tác dụng 38 Hình 3.29 Điện dung thay đổi màng có bề dày 0.011 mm Hình 3.30 Điện dung thay đổi màng có bề dày 0.012 mm Hình 3.31 Điện dung thay đổi màng có bề dày 0.013 mm 39 Khi thay đổi bề dày màng cảm biến tăng dần lên 0.011 (mm), 0.012 (mm) 0.013 (mm) điện dung áp suất tác dụng từ kPa đến 25 kPa giảm dần Độ nhạy cảm biến thay đổi bề dày màng tác dụng áp suất từ kPa đến 25 kPa tính bởi: Sc = dC (3.9) dP Bảng Độ nhạy cảm biến thay đổi bề dày màng áp suất Độ nhạy cảm biến (pF/Pa) 7.8x10-6 6x10-6 4.28x10-6 Bề dày màng (mm) 0.011 0.012 0.013 Từ Bảng 3.6, ta thấy bề dày màng cảm biến tăng dần áp suất tác dụng từ kPa đến 25 kPa độ nhạy cảm biến giảm dần Độ nhạy cảm biến cảm biến áp suất điện dung có bề dày màng 0.011 (mm), 0.012 (mm) 0.013 (mm) 7.8x10-6 (pF/Pa), 6x10-6 (pF/Pa) 4.28x10-6 (pF/Pa) Bề dày màng cảm biến nhỏ độ nhạy cảm biến cao  Mối quan hệ điện dung nhiệt độ làm việc thay đổi bề dày màng khác 9,20E+015 Capacitive (pF) 9,00E+015 Silicon_0.011 (mm) Silicon_0.012 (mm) Silicon_0.013 (mm) 8,80E+015 8,60E+015 8,40E+015 8,20E+015 290 292 294 296 298 300 Operating temperature (K) Hình 3.32 Tác động nhiệt độ làm việc đến điện dung thay đổi bề dày màng 40 Dựa vào Hình 3.32 cho ta thấy bề dày lớp màng tăng lên, giữ nguyên khoảng cách hai điện cực cảm biến 0.003mm điện dung cảm biến giảm xuống so với nhiệt độ làm việc (từ 290K đến 300K) 3.3 Kết luận chương Phần giới thiệu cơng cụ đặc tính bật phần mềm COMSOL multiphysics, qua nêu lên bước tổng quát để thiết kế mô hoạt động hệ thống hay tượng vật lý tự nhiên Sử dụng phần mềm COMSOL multiphysics tiến hành khảo sát mô cảm biến áp suất điện dung thay đổi loại vật liệu Silicon, SiC(6H) Si3N4, với việc thay đổi bề dày màng cảm biến áp suất điện dùng dùng vật liệu Silicon Từ tiến hành đánh giá khả hoạt động cảm biến sử dụng vật liệu khác cảm biến có bề dày màng khác nhau, đánh giá độ nhạy cảm biến hay thay đổi điện dung theo nhiệt độ làm việc Điều giúp kỹ sư, nhà nghiên cứu khảo sát trước hiệu suất làm việc hệ thống, giúp tiết kiệm chi phí giảm thiểu sai sót q trình chế tạo sản phẩm thật 41 KẾT LUẬN Cảm biến áp suất sử dụng rộng rãi lĩnh vực ô tô, sản xuất, hàng không, đo lường sinh học, điều hịa khơng khí, thủy lực ngành nghề đo lường khác Cảm biến áp suất thường chế tạo nguyên lý áp trở kiểu tụ Trong đề tài này, nghiên cứu thiết kế cảm biến áp suất kiểu điện dung dựa công nghệ vi điện tử Các thông số kỹ thuật cảm biến đánh giá sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics Qua đồ án này, chúng tơi tìm hiểu số nội dung sau đây: Trình bày cách khái quát công nghệ vi điện tử số ứng dụng ngành cơng nghiệp như: cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, hiển thị hình, đầu phun mực, cảm biến hóa học, chuyển mạch cho thông tin quang sợi chuyển mạch điện Trình bày khái niệm bản, cách phân loại chế hoạt động cảm biến áp suất Bên cạnh ứng dụng cảm biến áp suất đề cập Đồ án thiết kế mô thành công cảm biến áp suất kiểu điện dung dựa phần mềm COMSOL Multiphysics Các kết mô đạt cho thấy: (a) Khi thay đổi vật liệu độ nhạy cảm biến thay đổi Độ nhạy cảm biến sử dụng vật liệu Silicon, SiC(6H), Si3N4 2x10-5 (pF/Pa), 10-6 (pF/Pa) 6.52x10-6 (pF/Pa) (được thể mục 3.2.2) Từ kết độ nhạy, ta thấy cảm biến áp suất sử dụng Silicon có độ nhạy tốt so với SiC(6H) Si3N4 (b) Khi thay đổi bề dày màng cảm biến độ nhạy cảm biến thay đổi Độ nhạy cảm biến có bề dày màng 0.011 mm, 0.012 mm 0.013 mm 7.8x10-6 (pF/Pa), 6x10-6 (pF/Pa) 4.28x10-6 (pF/Pa) (được thể mục 3.2.3) Như vậy, cảm biến có bề dày màng 0.011 mm có độ nhạy tốt cảm biến có bề dày màng 0.012 mm 0.013 mm (c) Mặt khác, cảm biến áp suất điện dung chịu ảnh hưởng nhiệt độ ảnh hưởng nhỏ 42 Do thời gian hạn chế, em khảo sát cảm biến áp suất điện dung thay đổi ba loại vật liệu (Silicon, SiC_6H, Si3N4) thay đổi bề dày màng (0.011 mm, 0.012 mm, 0.013 mm) cảm biến sử dụng màng Silicon Với kết đạt được, thời gian tới em tiếp tục mở rộng nghiên cứu cảm biến áp suất điện dung với vật liệu khác Ngoài ra, em cố gắng nghiên cứu cảm biến áp suất có dạng hình trịn, hình cưa, … Trong trình làm đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để đồ án em hoàn thiện Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.Ts Nguyễn Thị Quỳnh Hoa tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Thế Mạnh, “Thiết kế mô vi gương sử dụng phần mềm COMSOL”, Đại học Vinh, 2016 [2] http://www.electronicproductsktn.org.uk “MEMS - Recent Developments, Future Directions”, truy nhập lần cuối ngày 21/5/2018 [3] https://vi.wikipedia.org/wiki/Quang_kh%E1%BA%AFc, truy nhập lần cuối ngày 21/5/2018 [4] Trần Vũ Minh, “Nghiên cứu, thiết kế mô vi cảm biến áp lực trở”, Đại học Quốc gia Hà Nội, trường Đại học Công nghệ, 2014 [5] https://en.wikipedia.org/wiki/LIGA, truy nhập lần cuối ngày 21/5/2018 [6] https://www.slideshare.net/aman1312/liga-process-70140147, truy nhập lần cuối ngày 21/5/2018 [7]https://tailieu.vn/doc/khao-sat-va-ung-dung-cam-bien-ap-suat-mems234333.html, truy nhập lần cuối 21/5/2018 [8] M Shahiri Tabarestani, B Azizollah Ganji, “Analytical Analysis of Capacitive Pressure Sensor with Clamped Diaphragm”, International Journal of Engineering, Vol 26, No 3, page 297-302, (2013) [9] Yadollah Hezarjaribi, Mahdie Yari Esboi, Bahram Ganji, “Simulation of High Sensitivity MEMS Capacitive Pressure Sensor with Small Size and Clamped Square Diaphragm” Vol 5, No 2, page 48 – 50, (2016) 44 ... 3.2.2 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu a) Các loại vật liệu sử dụng thiết kế Tiến hành mô thiết kế cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu cách thay đổi loại vật liệu cho cảm biến. .. thiệu cảm biến áp suất, loại cảm biến áp suất: cảm biến áp suất áp trở cảm biến áp suất kiểu tụ Tìm hiểu nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến áp suất, sơ lược cảm biến áp suất điện dung 2.1 Cảm biến. .. mô khảo sát cảm biến áp suất điện dung 26 3.2.1 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung 26 3.2.2 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu 28 3.2.3 Cảm biến áp suất điện dung thay