Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung mems sử dụng lớp màng hình vuông và hình chữ nhật

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG MEMS SỬ DỤNG LỚP MÀNG HÌNH VNG VÀ HÌNH CHỮ NHẬT Sinh viên thực Lớp Giảng viên hƣớng dẫn : Lê Tuấn Bảo : 54K2 – ĐTTT : Th.S Nguyễn Thị Minh Nghệ An, – 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG MEMS SỬ DỤNG LỚP MÀNG HÌNH VNG VÀ HÌNH CHỮ NHẬT Sinh viên thực Lớp Giảng viên hƣớng dẫn Cán phản biện : Lê Tuấn Bảo : 54K2 – ĐTTT : Th.S Nguyễn Thị Minh :………………………… Nghệ An, – 2018 Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hƣớng dẫn) Giảng viên đánh giá: Nguyễn Thị Minh Họ tên Sinh viên: Lê Tuấn Bảo MSSV: 135D5202070064 Tên đồ án: Mơ Phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung MEMS sử dụng lớp màng hình vng hình chữ nhật Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) 10 a 10 b Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) nhƣ phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nƣớc/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phƣơng pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thƣc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt đƣợc Có khả phân tích đánh giá kết (15) Mục tiêu phƣơng pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết đƣợc trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết đƣợc phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt đƣợc mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hƣớng giải thực tƣơng lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chƣơng logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đƣợc đánh số thứ tự đƣợc giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chƣơng kết luận chƣơng, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Kết nghiên cứu khoa học (5) (chọn trƣờng hợp) Có báo khoa học đƣợc đăng chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thƣởng khoa học (quốc tế/trong nƣớc) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Đƣợc báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học nhƣng không đạt giải từ giải trở lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chuyên ngành 10 Không có thành tích nghiên cứu khoa học c Điểm tổng Điểm tổng quy đổi thang 10 3 4 5 5 5 5 /50 Nhận xét thêm Thầy/Cô Nghệ An, ngày… tháng … năm 2018 Ngƣời nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán phản biện) Giảng viên đánh giá: Họ tên Sinh viên: Lê Tuấn Bảo MSSV: 135D5202070064 Tên đồ án: Mơ Phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung MEMS sử dụng lớp màng hình vng hình chữ nhật Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) 10a 10b 10c Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) nhƣ phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nƣớc/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phƣơng pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thƣc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt đƣợc Có khả phân tích đánh giá kết (15) Mục tiêu phƣơng pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết đƣợc trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết đƣợc phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt đƣợc mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hƣớng giải thực tƣơng lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chƣơng logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đƣợc đánh số thứ tự đƣợc giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chƣơng kết luận chƣơng, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Kết nghiên cứu khoa học (5) (chọn trƣờng hợp) Có báo khoa học đƣợc đăng chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thƣởng khoa học (quốc tế/trong nƣớc) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Đƣợc báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học nhƣng không đạt giải từ giải trở lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chun ngành Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng Điểm tổng quy đổi thang 10 3 4 5 5 5 5 /50 Nhận xét thêm Thầy/Cô Nghệ An, ngày… tháng … năm 2018 Ngƣời nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ giới mặt, khoa học cơng nghệ nói chung ngành cơng nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng có nhiều phát triển vƣợt bậc góp phần làm cho giới ngày đại phát triển Sự phát triển kỹ thuật tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm nhƣ xác cao, tốc độ nhanh, ngày gọn nhẹ hoạt động ổn định Một hệ thống máy móc thơng minh đƣợc cấu thành từ nhiều thiết bị công nghệ cao, vi xử lý, cấu chấp hành, cấu xử lý phức tạp Trong có thiết bị để cảm nhận phát nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, âm thanh,vật chắn, lực,… loại cảm biến Cảm biến thể vai trò quan trọng kỹ thuật công nghiệp, tùy theo lĩnh vực, loại cơng việc có cách chế tạo khác Một loại cảm biến với nhiều ứng dụng rộng rãi, cảm biến áp suất Cảm biến áp suất đƣợc dùng đo trực tiếp hệ thống lò hơi, trạm bơm nƣớc hay nhà máy… Do việc tìm hiểu cảm biến áp suất, công 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 cảm biến áp suất điện dung MEMS sử dụng lớp màng hình vng hình chữ nhật” cho đồ án tốt nghiệp đại học Xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Thị Minh giúp thực tốt đồ án Do hạn chế thời gian lực nên chắn tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đƣợc thơng cảm góp ý thầy giáo, giáo bạn để đồ án hoàn chỉnh Nghệ An, tháng năm 2018 Sinh viên thực Lê Tuấn Bảo TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án nghiên cứu cảm biến đƣợc chế tạo dựa công nghệ vi điện tử MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) Trên sở tiến hành thiết kế, mơ phân tích đánh giá hiệu ứng điện học vi cảm biến áp suất điện dung sử dụng vật liệu Silicon với lớp màng hình vng hình chữ nhật phần mềm Comsol Multiphysics Độ dịch chuyển lớp màng, giá trị điện dung cảm biến có áp suất bên ngồi tác động đƣợc khảo sát Kết đạt đƣợc cho thấy cảm biến với lớp màng hình vng có độ nhạy tốt cảm biến với lớp màng hình chữ nhật Ngồi mối liên hệ bề dày lớp màng độ nhạy cảm biến đƣợc khảo sát trình bày ABSTRACT This thesis is about sensor manufacturing based on Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) Based on that, design, simulation and analysis of electrical and mechanical effects of micro capacitance sensors using Silicon with square and rectangular membrane by Comsol Multiphysics software The displacement of the diaphragm, the capacitive value of the sensor under the external pressure has been investigated The results show that the sensor with a square diaphragm has a better sensitivity than a sensor with a rectangular diaphragm Besides, the relationship between the thickness of the film and the sensitivity of the sensor was also investigated and presented MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN 10 1.1 Giới thiệu cảm biến [1][2] 10 1.1.1 Khái niệm cảm biến [1] 10 1.1.2 Phân loại cảm biến [1] 10 1.1.3 Đƣờng cong chuẩn cảm biến [2] 13 1.1.4 Các đặc trƣng cảm biến [2] 15 1.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến [2] 21 1.2.1 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 21 1.2.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động 24 1.3 Mạch đo cảm biến [1] 25 1.3.1 Sơ đồ mạch đo 25 1.3.2 Một số phần tử mạch đo 26 1.3.3 Dụng cụ kỹ thuật đo 29 1.4 Các loại cảm biến thông dụng [2] 30 1.4.1 Cảm biến quang 30 1.4.2 Cảm biến nhiệt độ 32 1.4.3 Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 33 1.4.4 Cảm biến đo biến dạng 34 1.4.5 Cảm biến đo áp suất chất lƣu 35 1.4.6 Cảm biến đo lƣu lƣợng mức chất lƣu 36 1.4.7 Cảm biến đo lực 37 1.4.8 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc rung 38 1.5 Kết luận chƣơng 40 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ VÀ CẢM BIẾN ÁP SUẤT 41 2.1 Công nghệ vi điện tử MEMS 41 2.1.1 Tổng quan công nghệ vi điện tử (Micro Electro Mechanical Systems) [3] 41 2.1.2 Công nghệ chế tạo sản phẩm MEMS [4] 43 2.1.3 Ứng dụng cảm biến MEMS [4] 47 2.2 Cảm biến áp suất [4] 47 2.2.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ 48 2.2.2 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở 49 2.3 Kết luận chƣơng 50 CHƢƠNG PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG 51 3.1 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics [5] 51 3.2 Mô cảm biến áp suất điện dung 52 3.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất điện dung 52 3.2.2 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung 54 3.3 Kết thảo luận 57 3.3.1 Tác động áp suất tới độ dịch chuyển lớp màng 57 3.3.2 Tác động áp suất tới giá trị điện dung cảm biến 59 3.3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới giá trị cảm biến 60 3.3.4 Ảnh hƣởng bề dày lớp màng đến thông số cảm biến 61 3.4 Kết luận chƣơng 64 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Trình tạo ứng dụng COMSOL Multiphysics giúp chuyên gia mô tạo giao diện ngƣời dùng trực quan chun dụng cho mơ hình máy tính nói chung họ - ứng dụng tùy chỉnh sẵn sàng sử dụng Bạn chạy ứng dụng sử dụng COMSOL Multiphysics COMSOL Server, mà sản phẩm cho việc triển khai, quản lý, chạy ứng dụng đƣợc thực Application Builder Sử dụng công cụ để làm cho ứng dụng truy cập đƣợc với đồng nghiệp, đối tác khách hàng toàn giới 3.2 Mô cảm biến áp suất điện dung 3.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất điện dung Một cảm biến điện dung dựa lớp màng có điện cực hoạt động nhƣ lớp màng nhạy cảm với áp suất, dẫn đến thay đổi phân bố chiều cao điện cực áp suất đƣợc áp dụng, thay đổi điện dung cảm biến đƣợc phát Tấm dƣới cảm biến điện dung cố định, phần linh hoạt, biến dạng có áp suất tác động Khi áp suất đƣợc áp dụng, biến dạng khoảng cách trung bình đến cố định giảm, làm tăng giá trị điện dung Không gian hai chân không Sơ đồ cảm biến áp suất điện dung đƣợc đề xuất đƣợc thể hình 3.2 Hình 3.2 Minh họa biến dạng lớp màng [6] Cơng thức tính giá trị điện dung tụ điện thông thƣờng đƣợc đƣa nhƣ sau: (3.1) Trong đó: ε0 số điện mơi khơng khí 8.854 × 10−12 ε số điện môi vật liệu silicon 52 A diện tích điện cực hiệu dụng d khoảng cách hai cực Trong đồ án lớp màng có kết hình học vật liệu làm chất silicon cải thiện độ nhạy áp suất thấp cao giá trị đƣợc nghiên cứu Sự khác biệt phƣơng trình nhƣ kết luận độ lệch tối đa lớp màng với độ dày dự đoán đƣợc, với thực thi áp suất P đƣợc bắt nguồn từ quy mơ thu nhỏ  Đối với lớp màng hình vng 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 [7]: ( ) (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 [7]: ∬ ( 𝑑𝑥𝑑𝑦 ) (3.3) Trong đó: d khoảng cách điện cực thay đổi áp suất tác động w(𝑥,y) độ lệch màng  Đối với lớp màng hình chữ nhật Đối với màng hình chữ nhật cảm biến áp suất điện dung MEMS, lệch hƣớng trung tâm màng đƣợc cho [8]: (3.4) Trong đó: giá trị 0,0022, a, b kích thƣớc cạnh lớp màng hình chữ nhật 53  Độ nhạy Độ nhạy học thu đƣợc tỷ lệ thay đổi độ lệch màng với áp suất bên ngồi tác dụng đƣợc cho cơng thức [7] (3.6) Độ nhạy cảm biến đƣợc định nghĩa tỉ số thay đổi giá trị điện dung đầu thay đổi áp suất tác dụng 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 [7]: (3.5) Trong đó: 𝑤 độ dich chuyển cực đại lớp màng C giá trị điện dung đầu cảm biến P áp lực tác dụng bên 3.2.2 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung Cảm biến đƣợc tiếp xúc với nhiệt độ hoạt động 20℃ nhiệt độ kết dính 70℃ 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 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/℃ Ảnh hƣởng giãn nở nhiệt đƣợc quan sát tồn cấu trúc Hình 3.3 Mơ hình cảm biến áp suất điện dung phần mềm COMSOL Multiphysics 54 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 3μm Cấu trúc cho thấy chất silicon, khoang khơng khí màng mỏng hoạt động nhƣ màng ngăn 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 7850 kg/ 3, điểm nóng chảy cao (1427 ℃), tỷ lệ Poisson khoảng 0,27 - 0,30 hệ số giãn nở nhiệt 12,3 ppm /℃ Chất cách điện đƣợc cung cấp cạnh ngăn để ngăn liên kết lớp màng đế cảm biến 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  Cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vng 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 3.3 Do tính đối xứng cấu trúc cảm biến nên mơ hình mơ thực phần tƣ vi cảm biến (Hình 3.5) 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 /℃) Vật liệu silicon đƣợc gắn với kim loại thép 55 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 3.5 Hình 3.5 Một phần tƣ mơ hình cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vng  Cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình chữ nhật Tƣơng tự với cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vng nhƣng thay đổi kích thƣớc cạnh lớp màng hình chữ nhật 600μ x 400μ Một phần tƣ cảm biến áp suất đƣợc mô phần mềm Comsol Multiphysics thể hình 3.6 Hình 3.6 Một phần tƣ mơ hình cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình chữ nhật 56 3.3 Kết thảo luận Sau thiết kế đƣợc loại cảm biến với hình dạng lớp màng khác hình vng hình chữ nhật phần mềm Comsol thu đƣợc đồ thị đánh giá thông số sau:  Tác động áp suất tới độ dịch chuyển lớp màng cảm biến  Tác động áp suất tới giá trị điện dung cảm biến  Ảnh hƣởng nhiệt độ tới thông số cảm biến  Ảnh hƣởng bề dày lớp màng đến thông số cảm biến 3.3.1 Tác động áp suất tới độ dịch chuyển lớp màng Với áp suất áp dụng 20kPa, nhiệt độ tác dụng trình chế tạo từ 20oC – 70oC, cảm biến áp suất điện dung đƣợc thiết kế có khoảng cách cực cảm biến 3μm, 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 suất bên tạo làm cho dịch chuyển tối đa xảy trung tâm lớp màng, biến dạng lớp màng khơng đồng dạng với Hình 3.7 thể dịch chuyển cực đại lớp màng hình vng hình chữ nhật với tác động áp suất hai trƣờng hợp cảm biến hoạt động nhiệt độ 20oC nhiệt độ kết dính silicon với đế cảm biến 70oC Hình 3.7 Sự dịch chuyển cực đại lớp màng hình vng hình chữ nhật 57 Trên hình 3.7, đồ thị (1) (3) thể độ dịch chuyển cực đại lớp màng trƣờng hợp nhiệt độ hoạt động 20oC Độ dịch chuyển cực đại trung tâm lớp màng hình vng lớp màng hình chữ nhật tƣơng ứng 2.17μm 1.56 μm Đồ thị (2) (4) thể độ dịch chuyển cực đại lớp màng trƣờng hợp nhiệt độ kết dính silicon với đế cảm biến 70oC Độ dịch chuyển lớp màng hình vng 2.53μm, cịn lớp màng hình vng 1.7 μm Kết cho thấy có tác động nhiệt độ, với áp suất Pa dịch chuyển lớp màng hình vng từ μm lên 0.6 μm, lớp màng hình chữ nhật từ μm lên 0.46 μm Chứng tỏ lớp màng có xu hƣớng dãn lên co dãn nhiệt chất rắn, lớp màng chịu ảnh hƣởng nhiệt độ tăng lên từ 20oC đến 70 oC trình chế tạo cảm biến Khi có áp suất tác động dịch chuyển lớp màng hình vng lớn so với lớp màng hình chữ nhật Điều chứng tỏ cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình chữ nhật phụ thuộc vào tác động nhiệt độ so với sử dụng lớp màng hình vuông  Đánh giá độ nhạy học Theo công thức (3.5), độ nhạy học thu đƣợc tỷ lệ thay đổi độ lệch màng với áp suất bên tác dụng Trong trƣờng hợp nhiệt độ hoạt động 20oC, áp suất tác dụng 25 Kpa độ nhạy học lớp màng hình vng 86,8 x 10-6 μm/Pa, cịn độ nhạy học lớp màng hình chữ nhật 62,4 x 10-6 μm/Pa Trong trƣờng hợp nhiệt độ trình chế tạo cảm biến 70oC, áp suất tác dụng 25 Kpa độ nhạy học lớp màng hình vng 101,2 x 10-6 μm/Pa, cịn độ nhạy học lớp màng hình chữ nhật 68 x 10-6 μm/Pa Kết cho thấy độ dich chuyển cực đại lớp màng cao độ nhạy học lớp màng lớn, độ nhạy học lớp màng hình vng cao lớp màng hình chữ nhật tăng lên trình chế tạo cảm biến Theo nguyên lý hoạt động áp suất đƣợc áp dụng, lớp màng biến dạng làm khoảng cách trung bình đến cố định giảm dẫn đến tăng giá trị điện dung kết độ nhạy học 58 lớp màng dự đoán đƣợc độ nhạy cảm biến sử dụng lớp màng hình vng cao so với độ nhạy cảm biến sử dụng lớp màng hình chữ nhật Vấn đề đƣợc làm rõ phần đánh giá tham số “tác động áp suất tới giá trị điện dung cảm biến” 3.3.2 Tác động áp suất tới giá trị điện dung cảm biến Giữ nguyên thông số cảm biến áp suất điện dung thiết kế, khảo sát tác động áp suất làm thay đổi giá trị điện dung cảm biến hình vng hình chữ nhật trƣờng hợp có tác động áp suất trƣờng hợp có tác động nhiệt độ q trình chế tạo cảm biến Với áp suất áp dụng 20kPa, nhiệt độ tác dụng trình chế tạo từ 20oC – 70oC, cảm biến áp suất điện dung đƣợc thiết kế có khoảng cách cực cảm biến 3μm, bề dày lớp màng 10μm Kết đƣợc thể hình 3.8 Hình 3.8: Giá trị điện dung thay đổi tác động áp suất Đối với trƣờng hợp nhiệt độ hoạt động 20oC, áp suất giá trị điện dung cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình vng 0.73 pF, lớp màng hình chữ nhật 0.7 pF Khi áp suất 25 Kpa giá trị điện dung cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình vng 1.06 pF, lớp màng hình chữ nhật 0.88 pF 59 Đối với trƣờng hợp có tác động nhiệt độ trình chế tạo cảm biến 70oC, áp suất giá trị điện dung cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình vng 0.73 pF, lớp màng hình chữ nhật 0.7 Khi áp suất 25 Kpa giá trị điện dung cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình vng 1.22 pF, lớp màng hình chữ nhật 0.91 pF Từ cho thấy áp suất tác động thay đổi từ Kpa đến 25 Kpa giá trị điện dung lớp màng hình vng biến thiên nhiều có giá trị cao so với lớp màng hình chữ nhật  Đánh giá độ nhạy cảm biến Đôi với cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình vng,khi áp suất tác dụng 25Kpa độ nhạy cảm biến 13,2 x 10-6 pF/Pa (xét phần tƣ cảm biến), độ nhạy tồn cảm biến 52.8 x 10-6 pF/Pa Đối với cảm biến áp suất hình chữ nhật, áp suất tác động 25Kpa độ nhạy cảm biến 7,2 x 10-6 pF/Pa (xét phần tƣ cảm biến), độ nhạy tồn cảm biến 28,8 x 10-6 pF/Pa Độ nhạy cảm biến bị thay có tác động nhiệt độ trình chế tạo cảm biến Cụ thể cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vng áp suất tác dụng 25KPa 19,6 x pF/Pa (xét phần tƣ cảm biến), độ nhạy tồn cảm biến 78,4 x 10-6 pF/Pa Đối với cảm biến áp suất hình chữ nhật, áp suất tác động 25Kpa độ nhạy cảm biến 8.4 x 10-6 pF/Pa (xét phần tƣ cảm biến), độ nhạy tồn cảm biến 33,6 x 10-6 pF/Pa Kết cho thấy độ nhạy cảm biến sử dụng lớp màng hình vng cao so với cảm biến sử dụng lớp màng hình chữ nhật 3.3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới giá trị cảm biến Việc bổ sung ứng suất nhiệt vào hệ thống tạo số vấn đề khác, phản ứng cảm biết trở nên phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động Khi cảm biến làm việc môi trƣờng thực tế, nhiệt độ môi trƣờng khơng phải số mà thay đổi theo ngày, theo mùa năm Hiệu ứng đƣợc khảo sát đánh giá theo thay đổi nhiệt độ từ (290 K - 300 K) tƣơng ứng với (17℃ - 27℃) 60 Hình 3.9 Tác động nhiệt độ hoạt động đến giá trị điện dung cảm biến Kết từ hình 3.9, loại cảm biến với lớp màng khác chịu ảnh hƣởng nhiệt độ hoạt động làm thay đổi giá trị điện dung Cụ thể thời điểm nhiệt độ 290oK giá trị điện dung cảm biến sử dụng lớp màng hình vng hình chữ nhật tƣơng ứng 1,02 pF 0,85 pF Tại thời điểm nhiệt độ 300oK giá trị điện dung cảm biến sử dụng lớp màng hình vng hình chữ nhật tƣơng ứng 1,007 pF 0.84 pF Khi nhiệt độ tăng giá trị điện dung giảm, nhiên ảnh hƣởng thay đổi nhiệt độ hoạt động đến giá trị điện dung nhỏ Sự biến thiên đồ thị cảm biến sử dụng lớp màng hình vuông lớn so với cảm biến sử dụng lớp màng hình chữ nhật Từ cho thấy cảm biến sử dụng lớp màng hình chữ nhật hoạt động ổn định nhiệt độ hoạt động thay đổi khoảng từ 290oK đến 300 oK Tuy nhiên ảnh hƣởng thay đổi nhiệt độ môi trƣờng làm việc tới cảm biến nhỏ, cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình vng 0.0013 pF/oK, cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình chữ nhật 0.001pF/oK 3.3.4 Ảnh hƣởng bề dày lớp màng đến thông số cảm biến Tiếp theo, mô đánh giá thông số cảm biến thay đổi thiết kế bề dày lớp màng mà giữ nguyên khoảng cách lớp màng 3μm Màng đƣợc di chuyển theo hƣớng z để có giá trị xác thay đổi 61 điện dung Trong phần đánh giá tác động áp suất tới độ dịch chuyển lớp màng thay đổi giá trị điện dung cảm biến a) Tác động áp suất tới độ dịch chuyển lớp màng Với áp suất áp dụng 20KPa, nhiệt độ tác dụng trình chế tạo 70oC, cảm biến áp suất điện dung đƣợc thiết kế giữ nguyên khoảng cách cực cảm biến 3μm, bề dày lớp màng 9μm, 10μm, 11μm, 12 μm thay đổi loại cảm biến Hình 3.10 Tác động áp suất đến độ dịch chuyển lớp màng có độ dày lớp màng khác Hình 3.10 thể dịch chuyển cực đại màng hình vng hình chữ nhật với bề dày lớp màng khác nhau, dƣới tác động áp suất nhiệt độ trình chế tạo cảm biến Từ đó, ta thấy tăng bề dày lớp màng độ dịch chuyển cực đại lớp màng giảm xuống Kết cho thấy với cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình vng với bề dày lớp màng áp suất tác dụng tối đa 20 KPa, khoảng cách cực cảm biến 3μm, áp suất tác động vƣợt 20 KPa lớp màng cảm biến dịch chuyển vƣợt giới hạn khoảng cách 3μm 62 Bảng 3.1 Độ dịch chuyển lớp màng tƣơng ứng với bề dày lớp màng Bề dày lớp màng hình vng ( ) Độ dịch chuyển ( ) Độ dịch chuyển Bề dày lớp màng hình chữ nhật ( ) ( ) 2.86 2.34 10 2.53 10 1.7 11 1.88 11 1.27 12 1.43 12 0.97 Kết cho thấy cảm biến sử dụng lớp màng hình vng có thay đổi cao so với cảm biến sử dụng lớp màng hình chữ nhật b) Tác động áp suất tới giá trị điện dung cảm biến Hình 3.12 thể thay đổi giá trị điện dung dƣới tác động áp suất nhiệt độ trình chế tạo cảm biến Hình 3.11 Sự thay đổi giá trị điện dung cảm biến có có độ dày lớp màng khác Từ hinh 3.12, ta thấy tăng bề dày lớp màng làm giảm giá trị điện dung cảm biến áp suất Giá trị điện dung cảm biến sử dụng lớp màng hình vng có thay đổi lớn so với cảm biến sử dụng lớp màng hình chữ nhật, điều chứng 63 tỏ giá trị điện dung cảm biến sử dụng lớp màng hình vng chịu ảnh hƣởng lớn cảm biến sử dụng lớp màng hình chữ nhật thay đổi bề dày lớp màng trình chế tạo cảm biến Bảng 3.2 Giá trị điện dung trình chế tạo tƣơng ứng với bề dày lớp màng Bề dày lớp màng hình vng ( Giá trị điện dung ) Giá trị điện dung Bề dày lớp màng (pF) hình chữ nhật ( ) (pF) 0.84 0.39 10 0.49 10 0.21 11 0.24 11 0.13 12 0.16 12 0.09 3.4 Kết luận chƣơng Chƣơng trình bày tham số mơ hình cảm biến ap suất điện dung trình chế tạo phần mềm COMSOL Multiphysics Từ kết so sánh cho thấy cảm biến sử dụng lớp màng hình vng có tham số theo u cầu tốt so với cảm biến sử dụng lớp màng hình chữ nhật Khi thay đổi bề dày lớp màng từ lên 12 tham số độ dịch chuyển lớp màng, giá trị điện dung giảm khoảng từ đến 25Kpa 64 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu, thực đề tài đồ án: “Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung MEMS sử dụng lớp màng hình vng hình chữ nhật”, thu đƣợc kết luận sau: Công nghệ MEMS công nghệ khả thi cho phép phát triển sản phẩm thơng minh, làm tăng khả tính toán điện tử với tham gia điều khiển cảm biến thi hành đồng thời mở rộng khả thiết kế ứng dụng 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 Khảo sát độ dịch chuyển lớp màng cảm biến, giá trị điện dung độ nhạy cảm biến, nhƣ tính ổn định cảm biến áp suất điện dung MEMS nhiệt độ môi trƣờng thay đổi cho thấy: - Với loại lớp màng có hình dạng khác hình vng hình chữ nhật nhƣng có diện tích cho ta thu đƣợc tham số kỹ thuật cảm biến khác - Cảm biến áp suất điện dung với lớp màng hình vng cho độ nhạy cao cảm biến áp suất điện dung với lớp màng hình chữ nhật - Khi thay đổi bề dày lớp màng cảm biến tham số thay đổi theo xu hƣớng bề dày lớp màng tăng độ dịch chuyển cực đại lớp màng nhƣ giá trị điện dung cảm biến giảm - Ảnh hƣởng thay đổi nhiệt độ môi trƣờng làm việc tới cảm biến nhỏ, cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình vng 0.0013 pF/oK, cảm biến áp suất sử dụng lớp màng hình chữ nhật 0.001pF/oK 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh, "Các cảm biến kỹ thuật đo lƣờng điều khiển", NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 [2] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, "Cảm biến", NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] TS Mai Anh Tuấn, “Công nghệ vi điện tử: Hiện trạng xu hƣớng phát triển Việt Nam”, Trang tin điện tử Liên hiệp Hội Khoa học kỹ thuật Việt Nam, đăng ngày 26/06/2007 [4] https://uet.vnu.edu.vn/~tantd/chuyende/6Apsuat.pdf, truy nhập cuối ngày 18/5/2018 [5] https://www.comsol.com, truy cập cuối ngày 15/05/2018 [6] Ali E Kubba, Ahmed Hasson, Ammar I Kubba, and Gregory Hall, “A microcapacitive pressure sensordesign and modelling”, Journal of Sensors and Sensor Systems, Syst 5, 95–112, 2016 [7] Nisheka Anadkat, Dr M J S Rangachar, “Simulation based Analysis of Capacitive Pressure Sensor with COMSOL Multiphysics”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol Issue 04, April-2015 [8] A Nallathambi, T.Shanmuganantham, “Design of Diaphragm Based MEMS Pressure Sensor with Sensitivity Analysis for Environmental Applications”, Sensors & Transducers, Vol 188, Issue 5, May 2015, pp 48-54 66 ... 55 Hình 3.5 Một phần tƣ mơ hình cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình vuông 56 Hình 3.6 Một phần tƣ mơ hình cảm biến áp suất điện dung sử dụng lớp màng hình chữ nhật. .. 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 cảm biến áp suất điện dung MEMS sử dụng lớp màng hình vng hình chữ nhật? ?? cho... mơ hình hóa, mơ phân tích cảm biến áp suất MEMS, xem xét nguyên tắc cảm biến áp suất điện dung, thiết kế, mơ hình hóa, vật liệu chế tạo Đồ án tập trung mơ phân tích cảm biến áp suất điện dung