Luận văn kiểm tra lớp nhạy của cảm biến sóng Âm bề mặt (saw) có cấu trúc Đa lớp bằng phương pháp dòng xoáy

Các phương pháp dùng dé đo và kiểm tra chiều dày lớp vật liệu siêu mỗng cd xưm hiện nay thường được sử đụng là phương pháp phố kế quang điện tử 4D8, kính hiển vi nguyên tử lực AEM hay k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCII KIIOA IIÀ NỘI

NGUYEN VAN BUA

KIEM TRA LOP NIIAY CUA CAM BIEN SONG AM BE MAT (SAW)

CÓ CẤU TRÚC ĐA LỚP BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG XOÁY

AN THAC Si KHOA HOC

DO LUONG VA CAC HE THONG DIEU KHLEN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCII KIIOA IIÀ NỘI

NGUYÊN VĂN DƯA

KIEM TRA LOP NIIAY CUA CAM BIEN SONG AM BE MAT (SAW)

CÓ CẤU TRÚC ĐA LỚP BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG XOÁY

Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thẳng điều khiển

TUẬN VĂN THẠC ST KHOA Hoc

HO LUGNG VA CÁC HỆ THÔNG ĐIÊU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC T8 Cung Thành Long

Năm 2016

TỜI CAM ĐOAN

“Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Kiểm: tra lớp nhạy của cám biển sóng

âm bả mặt (S4IP] có cấu trúc đa lớp bằng phương pháp đồng xoáy” áo tôi tự thực hiện dưới sy hướng dân của TS Cung Thánh Long Cac số liệu vả kết quả là hoàn toàn đứng với thực tế

Rể hoàn thành dé án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu dược phủ trong danh Tnục tài liệu tham kháo va không sao chép hay sứ dụng bắt kỷ tải liệu nào khác Nếu

phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

1a Nội, ngày tháng năm 2016

Sinh vién thực hiện

Nguyễn Văn Dưa

LLỜI CẢM ƠN

“Tôi muốn gửi lời cắm ơn chân thành tới TS.Cưng Thành Long, người thay dang kinh đã hướng dẫn tôi tận tỉnh trong suết thời gian tôi lảm luận văn Thây đã truyền dạt lại chơ tôi những kiến thức, những kinh nghiệm nghiên cửu và giúp dỡ rất nhiều

để tôi hoàn thành tết luận văn này

Tôi cũng xi chân thành cảm ơn các thắy/cô trong Viện Điện nói chung và các thay cô bộ môn Kỹ thuật áo và ‘Tin hoe Công nghiệp nói riêng, đã giúp đố và giảng dạy tôi trong suốt thời gian tôi theo học tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đó là

những hành trang kiến thức quý báu giúp tôi rất nhiều trong quả trình học tập, nghiên

cứu và làm việc sau này

Luận văn này có thẻ sẽ không được hoàn thành nêu không có sự giúp đố, dộng, viên hết sức quý bảu từ PGS.1S Hoàng Sĩ Liễng, Ths Nguyễn Thị Huế và các thánh

viên MANDEVICRS LAP, những người luôn tạo điều kiện nghiền cứu vả giúp đố, dộng viên tỏi trong qua trình nghiễn cứu tại trường

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình những người luôn ở bên lôi, tao

diễu kiện thuận lợi nhất dễ tôi theo dudi ước mơ nghiền cứu của mình

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐÔ THỊ

DANA MUC BANG BIET

MO DAU

CHUONGI GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP DÒNG XOÁY, CẮM BIẾN

1.1.2 Ưu và nhược diễm của phương pháp đông xoáy

1.1.4 Dường cong tổng trở chuẩn hỏa

1.1.8 Mô hình tương tác giữa cảm biến dòng xoáy và vật liệu kiếm tra đơn khỏi

1.1.6, D6 sf xuyén thd cseeeseeesssetineeesssimsnseetiianssseeenitsseessnansseeeel L

In

12 Giới thiệu về thiết bị SAH

1.2.1 Cầu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị SAW 14

13 Dink kwéng nghiên cừu của luận văn

PHAN MEM ANSY:

11.1 Tổng quan về phan mém ANSYS

IL.1.1, Phương pháp phân tử hữu hạn - 2

1H

II.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong bải toán điện từ trường 22

T2 Các bước thực hiện hai toan bằng ANSTS

HULL Muc dich, yêu cầu bài toán mô phòng

HÍÍ.1.1 Mục đích ì ececee XHH‹ HH HH HH ghe eere 49

JIL2 Khio sit trong tác cấm bién EC va cim bién SAW da lép (vật liệu nhay/ALN/Si) khi thay 46: chiéu day lép vit liệu nhay 3

THỊ 3 Khâo xải trưng tác giữa câm biển EC với câu trúc SAW da lớp củ đễ áp

diện dạng khối Quazt

TII.3.1 Trường hạp lớp vật liệu nhạy là vật liệu có điện trở suất cao #.nO 0

II1.3.2 Trường hợp lớp vật liệu nhạy là vật liệu có điện trở suất thấp Pd

KẾT LUẬN VẢ HƯỚNG PHÁT TRIÊN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIET TAT

“SAW Surface Acoustic Wave ¡ Sóng âm bé mat

FEM Finite element method | Phương pháp phản từ hữu hạn

XPS X-ray Photoelectron | Phé ké quang điện tử tia X

DANH MỤC HÌNH VẼ, DỎ THỊ

Tình L1: Nguyễn lý hoạt động của căm biển đồng xoấy [2| 4

Tĩnh I-2: Nguyên lý của đầu dò cám biển có chức năng kép |I] -eo-s.se.s52,

Tình I-$: Dầu đỏ có cuộn đây thụ, phát tách biệt, [I, sczcceerrrreeree Ổ

Tỉnh E4: Đà thị đường cong tổng trở chuẩn hóa - - 7

Tình I-5: Mô hình chuyên đối thể liện tương tác của cuộn đây và vật cần kiếm tra [3] 8 Hình I-6: Tâm vật liệu được kích thích bởi sóng điện từ trường phẳng [3] oe

inh I-9: 1linh ảnh minh họa hiệu ứng xuyên thân - - 12

‘Binh 1-10: Cau tao cơ bản của một thiết bị SAW, cesseireeoo LỆ

Hình I-11: Diên trường xoay chiều giữa các ngón táy ooeeeooeoeoe Tổ Hình I-12: Dao đông cơ sinh ra tại các IDI, L§

THình I-13: Sự biến dạng bễ mặt áp điện đười tác đụng của điện trường - 15

Hinh I-14: Cau trac co ban ctia bé lee SAW NU Hình I-15: Cấu trúc của cảm biển SAW có để áp điện dạng mảng mnỏng 7 Fiinh 1-16: Chu igo cơ bản của một cảm tiến SAW khí 18 Tỉnh E-17: Cấu trùc cảm biên SÁW đo từ trưởng, - 20

1iình H-E: Các bước thục hiện một bài toán mỏ phỏng sử dụng phần mễm ANSYS 30

Hình H-2: ä) chía lưới tự do; b) chúa lưới có quy lắc - 34

Hình IL3: Câu trúc mô phông

Hình II-4: Mỏ hình mô phóng tương tác điện tử trưởng giữa cám bién dong xoáy với cầu

Hình H-§: Kết quả chia lưới 2D

THỉnh 11-7 Vector từ trường B được trích x khi lần sô mmô phỏng là

Hình H-8: Lưa đồ thuật toán chương trình thục hiện trên MLAYTLAB 44

1ình 11-9: Đồ thị đường cong chuẩn hóa trong trường hơn giữ lifi-off=0, thay đối chiều dày

Hình H-10: Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi thay đổi khoảng các giữa cảm biển EC và

tâm vật liệu trong trường hợp tâm vặt liệu làm từ Pd, eó chiều dày là 600m

Tỉnh 19-11: Đồ thị đường cong tổng uở chuẩn hóa khỉ lâm vật liệu lẫn lượt là A1M,

vi Pd trong tung hop lift off bang 0 và chiều dây tâm vật liệu là 6000mm

Hình II-12: Dưởng cong tổng trở chuẩn hóa khi tâm vật liệu là A1N (hình 3) v:

Tà Sỉ (hình b) trơng trường hợp Lift — off bang 0 va chiều đây lâm vật liệu là 600,0u 47 Hình IIE1: Mô hình 3D mỏ phóng tương tác giữa cảm biễn EC với cầu trúc cam bién SAW

46 hin 3D mé phéng twong tac giita cam bién LC véi cdu tric cam bién SAW

Tình IIE-6: Đường cong tổng trở chuẩn hỏa khi thay dỗi chiều dày lớp nhạy ZnO tử 100nm

đến 500nm (bước nhảy là 100nmj) trong khoảng tân số từ 0 đến 4GHz - 56

Tình TE-7: Đặc luyến giữa AR và chiều dày lớp vật liệu nhạy ZmO: s) ở tân số 30kHz,

Hình HI-12: Đặc tuyến giữa AR và chiễn dãy lớp vật liệu nhạy: a) ở tân số 30k11z, 300kI Iz,

3MH; h) ở lân số 50MH+, 300MH4, 3GHz 60

Hình II-13: Đường cong téng tr chuan hoa khi thay déi chiều dày lớp nhạy Pđ (với cầu

trúc SAW có để áp điện khôi) từ 100nn đến 500nm (bước nhảy là 100nm) trong khoảng tần

vii

DANH MỤC BẰNG BIEU

Băng IE-2: Báng thông số các vật liệu mô phỏng, à 5 Ăeeeerrrrieee 4Ô

Bảng TI-1: Bảng thông số vật liệu mô phóng tương tác điện từ trưởng giữa EC với cầu trúc

Bảng II-2: Bảng thông số vật liệu mô phỏng tương tác điện từ trudng gitta EC voi cầu trúc SAW da lop có để áp điện dạng khối se neerereirreirrieorooe Đ2

MỞ ĐẢU

Ngày nay, các cám biến hỏa học dùng công nghệ vật liệu nano đang được chú trong nghiên cứu phát triển Né được ứng dụng trong nhiều lính vục của cuộc sống, giúp do các thông số môi trưởng như nhiệt độ, dộ âm, nông độ khi Trong các cảm biển hóa học trên thì cảm biến hóa học dựa trên cơ sở sóng âm bề mặt (SAW — surface

aconstic wave) đã được chứng minh có nhiều tru điểm vượt trội như độ nhạy cao,

1hồ, nhẹ, độ tin cây cao và có khả năng chế tạo cảm biến không dây, Đối với các cảm

biển trên, thì vai trò của láp vật liệu nhạy vỏ cùng quan trọng, nó quyêt định trực tiếp

đến đặc tuyên của cảm biến

Các phương pháp dùng dé đo và kiểm tra chiều dày lớp vật liệu siêu mỗng (cd

xưm) hiện nay thường được sử đụng là phương pháp phố kế quang điện tử (4D8), kính

hiển vi nguyên tử lực (AEM) hay kinh hiên vi điện tứ quét (SEM), Tuy nhiên các

phương pháp này đổi hỏi chỉ phí thiết bị lớn, vận hành điều khiển phức tạp

Hiện nay, kỹ thuật dòng xoáy dang dược nghiên cửu vả ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trong nhu trong hàng không vũ trụ (đùng để kiểm tra cáo vết nứt trên

"bê mặt, kiểm tra lỗ bu lông, kiểm tra bánh xe ) hay trong các ngành công nghiệp ô

tô (dùng để do chiều day cac lớp sơn phú bễ mặt ) Ưu điểm của phương pháp

động xoáy là độ nhạy cao, độ tin cây cao, đáp ứng nhanh và để đàng thực hiện Các

1rghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu vào việc xác định chiêu day lớp vật liệu ruột lớp hoặc nhiều lớp với kich thước từ vải trăm micro mét đến vài mm Liiện có tất íL những nghiên oứu vẻ tương táo giữa cam bién déng xoáy với cầu trúc đa lớp có kích thước siêu mỏng như câu trúc cảm biển SAW đa lớp

Trong luận văn nay, tác giả tiến hành khảo sát sự tương tác giữa cảm biến dòng

~_ Chương Ì: Trình bảy cơ sở lý thuyết chung về phương pháp đòng xoáy, giới thiệu về căm biến sóng âm bề mặt và đưa ra định hướng nghiên cửu cụ thể

thực hiện trong luận vấn

- Chương 2: Trinh bảy lý thuyét chung vẻ phương pháp phản tử hữu hạn (ŒPPTIHI), trong bài toán điện từ trường sử dụng phản mềm ANSYS Tiến hành mỏ phỏng, khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biến BC với một

số cầu trúc vật liệu đơn khối khác nhau

~_ Chương 3: Nghiên cứu tương tác điện từ trường giữa căm biển dong xoáy với

cau tric SAW da lop đạng mảng mồng (ữn — lÌm), Lim cách xác định chiêu day lớp nhạy của một số loại cảm biến SAW

CHUONG I

GIGI THIEU VE PHUONG PHAP DONG XOAY, CAM BIEN SONG AM BE

MAT VA DINH HUONG NGHIEN CUU

Chuong I, trinh bay tong quan vé phuong phap dong dién xoay (nguyén ly cam biển dòng xoáy, các loại cảm biến dòng xoáy, đưa ra mô hình mạch tương đương, khái niệm tông trở chuẩn hóa, độ sâu xuyên thầu tiêu chuẩn, ljfi-ojƒƒ, ) Ngoài ra, lý thuyết về cảm biến sóng âm bê mặt (S4IW), nguyên lý hoạt động, phân loại của cảm biến SAIV cũng được trình bày Trên cơ sở đó định hình vẫn đề nghiên cứu eụ thể

thực hiện trong luận văn này:

phỏ biên của kỹ thuật dòng xoáy là

~_ Kiểm tra khuyết tật trên bê mặt và bên trong vật liêu

~_ Đo vả kiểm tra chiêu dày lớp vật liêu dẫn điện

- Do chiéu day lớp phủ bề mặt không dẫn điện trên lớp vật liệu dẫn điện

-_ Đo điện dẫn suất của vật liệu

~ _ Khảo sát sự giả hóa của các linh kiện điện tử,

L.1.1 Nguyên lý hoạt động

Dòng điện xoáy (hay cỏn gọi là dòng điện Fuco) là dòng điện khép kín sinh ra và

tập trung chủ yêu trên bẻ mặt một vật dẫn điện khi ta đặt nó vào trong một tử trường, biển thiên theo thời gian Các kỹ thuật kiểm tra sử dụng dòng điện xoáy đều dựa trên

nguyên tắc nảy, tức là gây ra dỏng xoáy trên đổi tượng can kiem tra dudi tac dung của một trường điện từ biến thiên

Từ trường kích thích thường được tạo ra nhở sử dụng một cuộn dây mang dong

điện xoay chiều, đặt gần đối tượng kiểm tra Dưới tác dụng của từ trường nay, dong điện xoáy được sinh ra trong vật liệu dân điện Các dong xoáy lại sinh ra từ trường

cảm ứng cỏ xu hướng chồng lại từ trường kích thích ban dau theo định luat Lenz

Nhu vay, tir thong xuyén qua long éng day là tông của cả tử thông kích thích và cảm ứng Nó mang thông tin về hình đạng, kích thước cũng như tỉnh chất vật lý của đổi

tượng kiêm tra Về nguyên tắc, có thể đo trực tiếp từ trường này đề thu được thông, tin về đối tượng kiểm tra (Hình I-1)

Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, khi từ thông trong cuộn dây thay đổi sẽ

sinh ra trong cuộn dây một suất điện động cảm tng theo (1)

d

Nhu vay, thay vi do truc tiep tir thong xuyên qua cảm biên, người ta có the do

điện áp trên hai đầu cuộn dây hoặc tổng trở của cuộn dây, đề qua đó phát hiện khuyết tật trên đối tượng kiểm tra, xác định chiều dày lớp vật liệu, xác định khoảng cách giữa cảm biển và đổi tượng đo, xác định sự thay đôi lý tính của đổi tượng, củng nhiều

thông tin hữu ich khác

Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động của cảm bien dong xody [2]

1.1.2 Ư và nhược điểm của phương pháp dòng xoáy

(a) Uu diém

- Téc dé kiém tra nhanh, tire thoi Phuong phap kiém tra bang dòng xoáy cho ra két qua nhanh trong day chuyén kiém tra tu déng cac san pham đầu ra như dây, thanh, ống hoặc trong day chuyên sản xuất Kết quả kiểm tra bằng phương pháp dòng xoay cho ra kết quả nhanh, tức thời trong khi các kỹ thuật khác như thâm thau chat long, hoặc kiểm tra quang học yêu câu thời gian nhiêu hơn [1]

~_ Đối tượng được sử dụng là các vật liệu dân điện

- La phuong phap do không phá hủy nên không làm ảnh hưởng đến mẫu can kiểm tra

~_ Nhạy với các khuyết tật

~_ Dễ dảng thực hiện và giá thành thập

(b) Nhược điểm

- Bé mat kiém tra doi hoi dé bang phẳng cao (không có những mắp mé vi dé gay sai so)

~_ Chỉ áp dụng đối với vật liệu dẫn điện

~_ Độ xuyên thâu hạn chế, phụ thuộc vào tân sỏ kích thích

1.1.3 Các loại cm biển đòng xoá)'

Ta có the phân loại cảm biên dòng xoáy thành 2 loại: Cảm biển chức năng kép

và cảm biển chức năng riêng biệt:

(a) Cảm biến chức năng kép

Cảm biển chức năng kép là loại cảm biển có một phần tử đóng vai trò của cả phần

tử phát và phân tử thu (Hình 1-2) Đây là loại cảm biên được sử đụng nhiều trong các ứng dụng đo vả kiểm tra bằng dòng xoáy

Hinh 1-2: Nguyên lý của đầu đỏ cảm biên có chúc năng kép [1Ƒ

(b) Cảm biến chức năng riêng biệt

Khác với đầu dò có chức năng kép, loại nảy có cầu tạo từ 2 cuộn dây (Hình 1-3)

Một cuộn dây có chức năng tạo ra tử trường bằng cách cho dòng điện hoặc điện áp

xoay chiêu chay qua Cuộn dây cỏn lại có chức năng thu lại từ trường tổng (bao gồm

tử trường do cuộn dây 1 và do dòng điện xoáy gây ra) Đôi với cảm biến cỏ chức năng, kép, cần hạn chế liên hệ hỗ cảm trực tiếp giữa phân tử phát và phần tử thu, vì đây cỏ thể coi là một nguồn nhiều trong đữ liệu đo,

Hình 1-3: Đầu dò có cuộn dây thu, phat tach biệt [1]

1.1.4 Đường cong tông trở chuẩn hỏa

Trở kháng của cuộn đây khi đặt ở ngoài không khi là Zo được thể hiện ở công

thức (2)

trong đỏ, Rọ và Xo lần lượt lá điện trở, và cảm kháng của cuôn dây khí đặt ngoài

không khí.

Khi đặt vật ligu can kiểm tra gần cuộn dây mang dòng điện xoay chiều, dong điện xoáy sẽ xuất hiện trên vật liệu Chỉnh dỏng điện xoáy nảy sẽ tạo ra từ trường thứ cấp chống lại từ trường sinh ra bởi đầu đo Khi đỏ, cuộn dây có trở kháng Z¿ được tỉnh bằng công thức

Z, —Rạ Zen = Ren + jXen =

L.1.5 Mô hình trơng tác giữa căm biếu dòng xoáy và vật liệu kiểm tra đơn khối [1] [3]

Để khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biến động xoáy với khỏi vật liệu cần kiểm tra nhóm của Placko hay nhóm Peng và công sự đã đẻ xuất mô hinh mạch điện biên đổi tương đương Mạch điện bên phía sơ cấp đại diện cho cuộn dây cảm

biến có tré khang z, = V/I Trong phia so cap, Ro, Lo dai diện cho điện trở và trở

kháng của cuộn đây Mạch điện thứ cấp đại điện cho vật cân kiểm tra, trong đỏ, La (điện cảm thứ cắp) và Z2 (rở kháng) là đại điện cho tâm vật liêu cân kiểm tra Cuối

cùng hệ số k lả hệ số cặp đôi, liên quan tới khoảng cách của cảm biến vả vật liêu cân kiểm tra Hệ số k giảm khi khoảng cách giữa cảm biến vả vật liệu cân kiểm tra tăng,

Hình 1-5: Mô hình cluyễn đôi thê hiệu trong tác của cuộn đáy và vất cần kiém tra [3]

Xét tâm vật liệu được đặt dưới từ trường song song với trục Oz như Hình I-6

Giá trị phức của vector từ trường #Ÿ và vector điện trường E trên tắm vật liệu

được xác định bởi công thức

EỚ) = F()ÿ = (E'!a ?+E e?)#

Trong do y là hằng số lan truyền trong tâm vật liệu và dược xác dịnh bởi công,

Voi K(0} va H(0) là diện trường vả từ trường tại bề mặt của tắm (khi z=0) và Ø(0) là

hệ số phản xạ sóng điện từ tại bễ mặt tắm vật liệu

Do không khí có trỏ kháng là võ củng, nên nếu gọi t là chiêu đây đổi tượng cân kiếm

tra thi ta cd p(t) 1 do dé:

Thay (7), (10) vào (8) ta được

Trong dé w = 2mf, Ra và La là diện trở và điện căm của cuộn day sơ cấp khi

không có vật kiếm tra ở gần cuộn dây M = k.j/Teb; là hệ số hỗ cảm

Kbi dé trở kháng của cuộn đầy được lĩnh bởi công thức

Tẳng trá chuẩn hỏa của cuộn đây được xác định bởi công thức

n= =jï†d_-——xz"* — F

Từ công thức (14) ta để đăng mô phông và quat al các luện tượng xây ra khi

thay dễi cáo thông số rộ phông như: thay đổi chiều day tam vat ligu (1), thay doi

khnảng cách giữa cảm biển và đổi tượng cần kiếm tra, thay đối độ dẫn điện của tâm

vật liệu Hinh Ï-7 và Hình I-8 thế hiện đường cong tổng trở chuẩn hóa khi tiên hành thay déi các tham số mô hình Ở dây, ta tiên hành khảo sát với 2 trưởng hợp Trường, hợp 1 (Hinh 1-7) ta tiễn hành thay đỏi hệ số k (mô tả sự thay đối khoảng cách giữa cfm biển EC và đối tượng cần đo) lần lượt là 1, 0.9, 0.8 Trường hợp 2 ta tiến hành

mô phóng ảnh hướng của chiều đày lớp vật liệu kiểm tra đến đường cong tổng trở

chuẩn hóa khi tăng tần số kích thích từ D đến 10000011zva tâm vật liện có =1 7MS/m,

1⁄2-1nH.

Đường cong tổng trở chuẩn hỏa khi —-Hinh I-8: Đường cong tổn

khi chiều đày tâm vật liệu là 1u, đổi chiều đây lớp vất liệu khi k=1, ø

1.1.6 Độ sâu xuyên thấu

Khi cuộn đây được kích thích bởi đòng điện xoay chiều, dòng điện xoáy sẽ xuất

hiện ở vật dẫn điện và tỉ lệ với mật độ từ thông, Mật độ dòng xoáy được phân bỏ theo

chiều ngang (song song với bê mặt) và chiều dọc (chiêu sâu) của vật liệu (Hình 1-9),

Dòng xoáy đạt cường độ lớn nhất ngay trên bè mặt (dưới đầu đò) và giảm dần theo

chiều sâu của vật liệu

Để tính toán sự thay đổi của mật độ dòng điện xoáy với chiều sâu, giả thiết rằng

từ trường vuông góc với bề mặt vật dân Khi cuộn day cảm biên được kích thích bởi

dòng điện hoặc điện áp xoay chiêu tuần hoàn, thì mật độ dòng điện xoáy sinh ra ở

trong vật liệu là mét ham phụ thuộc theo chiêu sâu x của vật liệu được cho bởi công,

thức:

J = Joe "PD sin (wt — x maf) 5 Trong đỏ, Jo là mật độ dòng xoáy ở bể mặt ø, /¿ lần lượt là độ dẫn điện và độ từ

thấm của vật liêu Thành phân e~ŒV"Z được xác định là sự suy giảm của dong

xoáy khi chiều sâu tăng

1

Độ sâu xuyên thâu + phụ thuộc vảo độ dẫn điện, độ dẫn tử của vật liệu cản kiêm tra và tần số kích thích của đòng điện xoáy Độ sâu xuyên thần x thấp khi độ dan điện, độ từ thâm vả tân sỏ tăng

Bên cạnh đó, trong kỹ thuật đòng xoáy, chúng ta cỏn hay bắt gặp đại lượng độ

sâu xuyên thâu chuẩn (ổ) Độ sâu xuyên thâu chuẩn ổ là chiều sâu xuyên thâu tại đỏ mật độ dòng xoáy giảm xuống con 1⁄e hoặc 37% so với mật độ dòng xoáy bẻ mat

Tại 28, mật độ dòng xoáy giảm 1/e? hoặc 13,5% mật độ dòng xoáy bề mặt Tại 3,

mật độ dòng xoáy chỉ bằng 5% mật độ dòng xoáy bẻ mặt (Hình 1-9)

Công thức tỉnh toán độ sâu xuyên thâu chuân ổ được cho bởi công thức (16)

Trong đỏ, ö là độ sâu xuyên thâu chuẩn (don vi m), ø là độ dân điện (đơn vị

1/(Om)), ¡là đô từ thâm pe = Juọ và @ = 2ƒ

Hinh I-9: Hinh ảnh mình họa liêu ứng xuyễn thấu

Trong các công thức (15)(16) ta bắt gặp 2 đại lượng đặc trưng của tâm vật liệu

đỏ là độ dân điện và độ từ thảm

~_ Độ dẫn điện ø: lả nghịch đảo của điện trở suất p

Trong đỏ, điện trở suất (Electrical resistivity) là đại lượng đặc trưng cho khả năng, cản trở đòng điện của mỗi chất, Chất cỏ điện trở suất thấp sé dé dang cho dòng điện truyền qua (chất dần điện) và chất có điện trở suất lớn sẽ có tính cản trở dòng điện lớn (chất cách điện) Điện trở suất nói nên tính cân trở sự chuyên đời có hướng của các hạt mang điện của mỗi chất Đơn vị của điện trở suất trong hệ đơn vị chuân SĨ là

Ohm met (Q.m)

Điện trở suất hay độ dẫn điện là một tham số quan trọng trong phương pháp dòng

xoáy Vật liệu cỏ độ dẫn điện cao như đồng, nhôm sẽ tạo ra dòng điện xoáy mạnh hơn so với vật liêu có độ dân điện thấp

~_ Độ từ thâm /: là một đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn từ của một loại vật

liệu, hay nói lên khả năng phân ứng của vật liêu dưới tác dụng của từ trường ngoài

1.1.7 Lj#t— ƒƑ

Hiện tượng Lift ~ off là hiện tượng tổng trở thay đổi khi có sự thay đổi khoảng cách giữa đâu đo cảm biến dòng xoáy với đổi tượng can kiém tra Lift — off được coi

là một nguồn nhiễu và nó là một trong những yếu tổ không mong muốn trong phép

đo sử dụng dòng xoáy Do vậy, khoảng cách giữa đầu đo và đổi tượng cần do can giữ

ổn định đề đâm bảo độ chính xác của kết quả đo (ảnh hưởng của lift-off là không đổi)

Ảnh hưởng của lift - off đến tổng trở đầu ra của cảm biển được thể hiện ở Hinh 1-7 Khi thay di lift — off thi voi củng một tân số kích thích thi trở kháng chuẩn hoa

cỏ xu hướng giảm

12 Giới thiệu về thiết bị SAW

Năm 1985, sóng âm bẻ mặt được phát hiện bởi nhà vật lý người Anh, Lord Rayleigh Do vậy sóng âm bể mặt còn có tên gọi khác là sóng Rayleigh Nam 1965,

bộ chuyển đổi DT) được phát minh bởi White và Voltmer, và được ứng dụng trong,

bộ loc SAW Lan đầu tiên, bộ lọc SAW được sử dụng đẻ thay thể các bộ lọc LC trong

Tỉ vi và các thiết bị điện tử khác Từ đỏ, thiết bị SAW ngày cảng được quan tam nghiên cửu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

- _ Bộ lọc, bộ cộng hưởng

- Cam bién hoa hoe, sinh hoc

1.2.1, Cau tao và nguyén Ij hoat déng cia thiét bi SAW

Cau tao cơ bản của một thiết bị SAW bao gồm 2 thanh phan chinh lá bộ chuyên đổi (IDT — Inter Digital Transducer) và đề áp điện IDT cỏ cầu tạo là các cặp điện cực sắp xếp với nhau theo hình răng lược và được đặt lên trên lớp áp điện Các IDT thường

được làm từ vật liệu nhôm với kích thước khoảng 200nm [4] Các thông số của IDT

ảnh hưởng tới đặc tính của thiết bị SAW bao gồm: Số cặp ngón tay, khoảng cách giữa các cặp ngón tay, độ chồng lấn giữa các cặp ngón tay và kích thước giữa các bộ IDT

Hình I-10: Cau tao co ban ctia mot thiet bi SAW

Cac vat liệu áp điện có thể là loại đề áp điện khối như Thạch anh (quartz), lithium

nibonate (LiNbO3) va lithium tantalite (LiTaO3) hoặc để áp điê

như AIN hoặc ZnO (trong một so trường hợp, ZnO cũng được sử dụng như là một

dạng mảng mỏng,

lớp áp điện)

Nguyên lý hoạt động của thiết bị SAW [5]

Đầu tiên, để tạo ra sóng âm bê mặt lan truyền trên đề áp điện, người ta đặt lên bộ TDT đầu vảo (TDT input) một điện áp xoay chiều Với tỉnh chất kim loại, các thanh

IDT đều dẫn điện và nhanh chóng phân cực, trở thành các điện cực tích điện (+) và

tích điện (-) Điện thể tại các điện cực dương đều bằng nhau, tương tự vậy cho điện

thể tại các điện cực âm, tạo khu vực điện trường xoay chiều giữa các ngón tay như Hinh I-11

SAW,

‘Tension

Compression

Hinh I-11: Điện trường xoay chiều giữa các ngón tay

Dưới tác dụng của điện trường, tại bê mặt áp điện nơi đặt bộ IDT đầu vảo, xây ra hiện tượng áp điện ngược Chính điện trường phân cực vả xen kẽ giữa các IDT (có

được do cầu trúc cải răng lược) tạo nên sự nén hoặc kéo xen kế tương tứng trên bể mặt áp điện, gây ra biến đạng đàn hỏi Năng lượng điện biến đổi thành năng lượng

cơ dưới dạng các dao động cơ (Hình 1-12) Điện trường xoay chiêu liên tục tác động

lên bê mặt đề áp điện nên các dao động cơ liên tục được sinh ra vả lan truyền trên bẻ mặt áp điện theo một vận tốc nhất định Kết quả lả sinh ra sóng cơ học — sóng âm bè mặt (SAW), va van téc lan truyền được gọi là vận tốc SAW

Sự biển dang bề mặt áp điện tại không gian đặt IDT đầu vảo được mô tả qua

Mặt khác, do tác dụng của năng lượng điện từ bộ IDT đầu ra, tiếp tục xảy ra hiện

tượng áp điện ngược tại bề mặt bộ IDT đầu ra, năng lượng điện biển đổi thành năng lượng cơ dưới dạng sỏng cơ và lan truyền theo hướng ngược lại vả sẽ công hưởng, với sóng lan truyền thuận tại một tân số cộng hưởng xác định Tàn sỏ cộng hưởng,

được xác định theo công thức sau

hagas (18)

Trong đó Vạ là vận tốc song Rayleigh và giá trị vận tốc nảy phụ thuộc hoàn toàn

vào vật liệu đề áp điện, d là khoảng cách giữa các ngón tay

1.2.2 Phân loại các thiết bi SAW

Ung dụng của thiết bị SAW tập trung chủ yêu ở các bộ lọc, bộ công hưởng trong, các thiết bị điện, điện - tử, cảm biên Trong đó cảm biển SAW được phân ra thành nhiều loại như: Cảm biên hỏa học, cảm biên sinh học, cảm biến nhiệt độ, độ âm, cảm biến lực, cảm biến momen- xoắn, cảm biên từ trưởng

(a) B6 loc SAW

Bộ lọc SAW lả một bộ lọc cơ học trong đỏ sử dung nguyên lý lan truyền song,

âm bê mặt và cộng hưởng song trén be mặt vật liêu đề phục vụ cho mục đích lọc tín hiệu Về cơ bản, bộ lọc SAW cũng như bộ lọc tương tự hay bộ lọc số đều đi giải quyết bài toán chung về bộ lọc là truyền tín hiệu vả lọc tân só đề thu ve tín hiệu mong muốn

Câu trúc của một bộ lọc SAW gồm hai phân cơ bản là để áp điện vả bộ chuyên d6i IDT (Inter Digital Transducer), due thé hién qua Hinh I-14

Hinh I-14: Cau trúc cơ bản của bộ lọc S4]

Uu diém ctia bé loc SAW

- Kich thude va trong long không dang kẻ

- Dé tin cay cao

- Gia thanh thap

- Tan sé hoat déng lớn

~_ Có khả năng sản xuất số lượng lớn

(b) Cam bién SAW

Cam biển SAW được phân ra thành nhiều loại như: Cảm biển hóa học, cảm biến

sinh học, cảm biến nhiệt độ, độ âm, cảm biển lực, cảm biển momen- xoắn, cảm biến

tử trường Đôi với cảm bién SAW, ngoài hai thành phân chỉnh của thiết bị SAW là

để áp điện và IDT thì một số cảm biển có thành phân vật liệu nhạy phủ lên trên lớp

áp điện (Hình I-14)

-Hình 1-15: Cấu trúc của cảm biển S41 có đề áp điện dạng màng mỏng

$3 Nguyên lý chung của cảm biển SAW

Khi các tác nhân hỏa học hoặc tác nhân vật lý tác động lên lớp vật liệu nhạy này,

sẽ gây biến đổi tính chất vật lý của lớp vật liệu nhạy như biển đổi về khói lượng, từ

17

trường, độ cứng, hằng số điện môi, độ dẫn điện Từ đó làm thay đổi tốc độ truyền

sỏng và độ suy hao năng lượng sóng so với trường hợp không cỏ các tác nhân tác

động Qua đỏ, ta sẽ thiết lập được đặc tuyển giữa đại lượng cần đo với vận tốc truyền

sóng hay sự suy hao năng lượng sỏng Sau đây, chúng ta xét một số cảm biên SAW

thông dụng hiện nay

$% Cảm biên SAW do khi [6

Cam biến SAW đo khi được phát mình bởi Wohltjen Một cảm biến SAW đo khí

được làm từ một thiết bị SAW bằng cách đặt lớp phủ nhạy câm hoá học trên bẻ mặt thiết bị Các khí hấp thụ vảo lớp phủ gây ra một sự thay đổi trong tân số công hưởng

hay tan số trung tâm của cảm biến

Hình 1-16: Cấu tạo cơ bản của một cảm bien SAW khi

Nguyên lý hoạt động của cảm biên SAWV đo khí là có lớp phủ nhạy cảm với hơi

và hấp thụ thuận nghịch Cảm biển khi/độ âm SAW được trình bảy trong Hình I-16 Cảm biển gồm 2 bộ TDT vả một màng nhạy đặt giữa hoặc trên toàn bộ bẻ mặt của lớp

áp điện

Sóng bê mặt được gây ra bởi một tin hiệu điện đặt vào IDT-đầu vào Tin hiệu đầu

ra (điện áp) được lây ra từ TDT-đầu ra Vận tốc vả sự suy giảm của các sóng rất nhạy cảm với khối lượng vả độ nhớt của mảng mỏng Mục đích của mảng mỏng nảy là đẻ hấp thụ hóa chất cần quan tâm Khi hóa chất này được hấp thụ, khối lượng của mảng mỏng tăng gây ra một sự thay đổi trong vận tốc và pha của tín hiệu sóng âm, gây ra một sự thay đổi trong biên độ và tân số của điện áp đầu ra ở trở kháng tải Z_ Các bộ hap thu song âm đặt trên các cạnh bẻ mặt thu lại năng lượng SAW không mong muôn

và loại bỏ sự phản xạ giả có thể gây ra biến dạng tín hiệu Số lượng điện cực xác định băng thông tần số của một thiết bị SAW Độ dài và số lượng điện cực, vả phủ hợp với mạng ở công điện cực, nên được chọn đẻ phủ hợp với trở kháng đầu vào của IDT,

6 tan so trung tam fo

Các nghiên cứu về lớp vật liệu nhạy cam bien SAW khi

Đối với các cảm biển đo khí trên, thi vai trỏ của lớp vật liệu nhạy vô củng quan trọng, nó quyết định trực tiếp đến đặc tuyên của cảm biển Các vật liệu nhạy nảy có the được lâm từ các các oxit kim loại có điện trở suất cao như : Sol-gel SiO; (đo nhiệt

độ phòng) [7], COsOz/SiO› (đo amoniac) [8] Polyerystalline SnO; (đo NO›) [9], ZnO (NEG) [10], hay kim loai có điện trở suất thấp như Pd (do CoH), Pd/Pd-Y alloy

(do khi Hz) [11], Pd/CuPe (do khi Ha) [12] va ching thuong có chiều dảy rất nhỏ

từ 30nm đến 500nm Đã có nhiều công trình nghiền cửu xét sự ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liêu nhạy đến đặc tính của cảm biến như Nhỏm Yongliang Tang củng, công sự đã sử dụng vật liêu nhạy SiO2 có chiều day tir 70nm — 260nm dé do độ âm

và nhận thấy khi tăng chiều dảy lớp SiO? thi tan so dich tan ting một cách tuyển tỉnh

[7] Do vậy, việc xác định được chiều dày lớp vật liệu nhạy cỏ vai trỏ vô củng quan

trọng trong việc sản xuất và đảnh giả chất lượng của cảm biến

$* Cảm biển SAW từ trường

Cam bién SAW do tir trường được thiết kế dựa theo câu trúc delay — line, Nguyễn

lý hoạt động là khi đặt cảm biển ở môi trường có tử trường thì sẽ xuất hiện một lực

điện trường tác động lên bề mặt lớp vật liệu từ giảo đặt trên lớp áp điện Do lớp áp

điện là một vật liệu từ giảo nên nỏ sẽ cỏ chức năng chuyển đổi năng lượng tử trường

thành năng lượng cơ học Chính lực điện trường xuất hiện trên bề mặt vật liêu áp điện

sẽ lâm thay đổi tín hiệu điện áp, pha hoặc cả hai thu được ở IDT còn lại

Cấu trúc cảm biến SAW từ trường (Hình I-17)

Hình 1-17: Cầu trúc cảm bién SAW đo từ trường

Cũng như các câu trúc cảm biên SAW khác, cảm biển SAW từ trường cũng gồm

3 thành phân chính là: IDT, để áp điện và vật liệu nhạy Vật liệu nhạy thường được

làm từ những vật liêu có từ tính cao như: niken, cobalt, sắt

+ Cảm biển SAW y sinh

Cam bién SAW y sinh lả một loại cảm bien ứng dụng nguyên lý song am be mat

để phát hiện các hợp chất sinh học như enzyme, kháng thẻ, kháng nguyên, AND, các

tế bảo Cầu trúc của câm biển SAW y sinh thường là câu trúc delay line bao gồm vật liệu áp điện (đa số là tình thể áp điện), IDT và vật liệu nhạy phủ giữa 2 bộ IDT Lớp vật liệu nhạy trong cảm biến y sinh thường được dùng là Au vì có câu trúc liên kết mạnh với các hợp chất cần kiểm tra Trong đó chiều dày của lớp Au có ảnh hưởng trực tiếp tới đặc tuyển của cảm biên Nhóm Mikihiro Goto cùng cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của chiêu dày lớp nhạy Au đến đặc tính của cảm bien SAW y sinh va nhận thấy tốc độ và biên độ của sóng Shear thay đổi khi tăng chiều dảy lớp Au lan

những ưu điểm vượt trội so với các thiết bị đo y sinh khác về độ nhạy, hiệu suất và

giả thành

1.3 Định hướng nghiên cứu của luận văn

Với bải toán nghiên cứu tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với

các lớp vật liêu dần điện hiện nay cỏ 3 hướng nghiên cứu Một hưởng nghiên cửu tập

trung vào mô phỏng điện từ trường cảm biển dòng xoáy với vật liệu cần kiểm tra để

tìm ra được đặc tuyển tương ứng Như nhỏm của Weiying Cheng va Ichiro Komura

đã tiên hành mô phỏng đề xác định chiều đảy vả độ dẫn điện của tắm vật liệu sử dụng

phương pháp đo dòng xoáy với dòng kích thích dạng xung [14] Kết quả cho ra đặc

tuyển phụ thuộc giữa mật độ từ thông B; với chiêu dày lớp vật liêu (từ 5mm đến 20mm) và đặc tuyển phụ thuộc giữa mật độ từ thông B; với độ dân điện của đồi tượng cần kiểm tra Heri Iswahjudi và Hans H Gatzen đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm ANSYS là công cụ mô phỏng, thiết kế cảm biến dòng xoáy có

kích thích siêu nhỏ (mierosensor) đùng công nghệ mảng mỏng ửng dụng trong đo

khoảng cách [15] Ngược lại, nhóm Dejun Zhang vả cộng sự tiền hành thiết lập hệ

thực nghiệm đề đưa ra một phương pháp đo chiêu dày cấu trúc đa lớp sử dụng phương

pháp dòng điện xoáy [16] Hay nhom Zilian Qu da tim ra mdi liên hệ giữa độ nhạy

của phép đo chiêu dày mảng mỏng Cu có kích thước từ 20nm đến 350nm với các thông số của cảm bien dòng xoáy từ hệ thực nghiệm [17] Hướng còn lại, tập trung các nhỏm nghiên cửu vửa tiền hành mồ phỏng kết hợp với thực nghiệm đề đánh giá

sơ sánh kết quả như nhỏm của Long CT [18] đã tiến hành mö phỏng và thực nghiệm

để đưa ra phương pháp đo chiều dày lớp không khi giữa 2 tâm kim loại trên cánh máy bay Hay Pingjie Huang và cộng sự đã tiền hành mô phỏng sự thay đôi của tổng trở đầu ra của cảm biến khi thay đổi hình dạng, kich thước lỗi trong khôi vật liệu cân kiểm tra và xây dựng hệ thực nghiệm đề kiếm chứng [19]

Mỗi hưởng nghiên cứu trên đều có những ưu nhược điểm riêng, Khi nghiên cửu

sử dụng mô phỏng, ta thường lý tưởng hóa các điều kiện mô phỏng do đó kết quả thường có sai số so với khi làm thực tế Còn nêu chỉ nghiên cửu trên các hệ thông,

thực nghiệm thì các nhỏm nghiên cửu cần có những phân tích chuyên sâu và tham

21

khảo nhiều kết quả để sơ sánh đánh giá, giúp nhận biết và loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu tới kết quả thực nghiệm Trong phạm vi của luận văn nảy, tác giá lựa chọn

hướng nghiên cứu đưa trên các kết quả mô phỏng tương tác điện từ trường giữa cảm

biến dòng xoáy với câu trúc SAW da lớp sử dụng phần mềm ANSYS Vi với cơ sở

vật chất hiện tại, rất khó để thiết lập hệ thông thục nghiệm vi cảm biến dòng xoáy và cam bién SAW deu là thiết bị rât nhỏ (công nghê nano) Ngoài ra, để thực nghiệm cân các máy phát nguồn đòng có tần số thay đổi và máy đo điện có độ chính xác cao

hoặc máy đo chuyên đụng,

Đôi tượng nghiên cứu chính trong luận văn là cảm biến SAW có cầu trúc đa lớp Như đã phân tích ở phân I.2, chiều đày và vật liêu làm lớp vật liệu nhạy có ảnh hưởng trực tiếp tới đặc tính của cảm biến Do đó, luận văn sẽ tiến hành khảo sát tương tác

điện từ trường giữa cảm biển dòng xoáy với cầu trúc SAW đa lớp có phủ vật liệu

nhạy với mục tiêu chính là tìm ra đuợc phương pháp đo được chiều đày lớp vật liệu xhạy này Hiện nay, tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội có nhôm nghiên cứu của

PGS.L8 Hoàng Sĩ Hồng đã mô phỏng và chế tạo thành công cảm biến SAW cé câu

trúc đa lớp lớp nhạy/AINAI và lớp nhạy/Quani Trong đó lớp nhạy đang được nhóm

tập trưng nghiên cứu là lớp ZnO ứng dựng trong đo độ ẩm và đo khí Ngoài ra nhóm

cũng dang nghiên cứu các lớp vật liệu nhạy kirác đề ché tạo các loại căm biến do khi

khác nhau Từ những phân tích trên tác giả luận văn lựa chọn câu trúc câm biến SAW

đã được nghiên cứu thiết kế lại Việt Nam và cụ thể là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để tiền hanh khảo sát tương tác điện từ trường giữa căm biển dòng xoấy với câu

trúc SAW đa lớp, với mục tiêu xác định được chiêu dày lớp vật liệu nhạy phủ lên câm:

biển Việc lựa chọn cầu trúc cảm biển SAW đã dược thiết kế tại Việt Nam giúp cho nghiên cứu gản với thực tế hơn vả dễ dàng kiểm nghiệm lại kết quá nghiên cửu vẻ

sau này,

Trong phân tiếp theo, luận văn sẽ trình bảy:

-_ Các kiến thức tổng quan về phản mềm AMSYS, phương pháp phần từ hữu hạn trong phân tích điện từ trưởng Dây là những kiến thức cơ bản phục vụ quá trình nghiên cứu, mỏ phông các hiện tượng sau nảy Với các kiến thức đã từm biếu, tác giá

22

tiến hành từng bước xây dựng mô hình mô phỏng tương tác điện từ trường giữa cảm:

biển dòng xoáy với cầu trúc vật Hệu đơn khối Mục đích chính là kiểm nghiệm lại các

‘bude thực hiện một bài toán mô phỏng sử đụng phần mêm ANSYS, kiếm chứng lại

dỗ thị tổng trở chuẩn hóa của căm biển dòng xoáy khi chiều dày tâm vat ligu, lift- off thay 46i sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong ANSYS với kết quả mô

phông khi sử dụng mô hình mạch điện biển đổi tương đương đã được trình bày ở mục

115

- Khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biển déng xody vai cau tric cam

tiến SAW đa lớp Tiến hành khảo sát trên các cầu trúc SAW đa lớp có lớp vật liệu nhay và để áp diện thay đổi Phân tích và đua ra dược phương pháp đẻ xác dịnh dược

chiều dày lép vật liệu nhạy của cảm biển

CHƯƠNG II

MO PHONG TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ TRƯỜNG SỬ DUNG PHAN MEM ANSYS

Nội dung chương II sẽ trình bày về phương pháp phân từ hữu hạn, giới thiệu tổng quan vé ANSYS va ứng dụng 4NSYS cho bài toán điện từ trường Tác giả tiền hành

mô phỏng tương tác điện từ trường giữa cảm biến đòng xoáy với tấm vật liệu đơn khối nhằm nghiệm chứng các hiện tượng thực tế và l) thuyết đã trình bày tại Chương

1 Các hiệu ứng khi thay đôi chiều dày lớp vật liệu, thay đối điện trở suất của vật liệu,

thay déi lift-off giita cam biển EC và tắm vật liệu đơn khối thể hiện qua đường cong tổng trở chuẩn hóa được khảo sát Đây là tiền đề đề nghiên cứa sâu hơn về tương tac giữa cảm biến với cấu trúc S4IV đa lớp ở chương II

IL1 Tổng quan về phần mềm ANSYS

ANSYS là một trong nhiều chương trình phân mềm công nghiệp do công ty Phần mềm ANSYS (Hoa Kỷ) phát triển, sử dụng phương pháp phân từ hữu hạn - PTHH (FEM) đề phân tích các bài toán vật lý — co học, chuyên các phương trình vi phan, phương trình đạo hảm riêng từ dạng giải tích vẻ dạng só, với việc sử dụng phương, pháp rời rạc hỏa vả gân đúng đề giải Phần mềm ANSYS được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới đề giải quét các bài toán thiết kế, mô phỏng tối ưu kết cấu vả các qua

trình truyền nhiệt, dòng chảy, điệu/ tĩnh điện, điện từ và tương tác giữa các môi

trường hay các hệ vật lý Chính vì thế, phân mêm ANSYS đã trở thành một công cụ

mô phỏng rất hữu hiệu trong các lĩnh vực công nghiệp như công nghiệp vũ trụ và hang không, công nghiệp ô tô, y sinh, xây dựng và cảu đường

Các module chỉnh của phần mêm ANSYS bao gồm [20]:

ANSYS®/ Struetural:

- Tinh toan cau tric tinh (Structural Static Analysis)

- Tinh toan dang dao déng (Modal Analysis)

- Tinh toan dap img diéu hoa (Harmonic Response Analysis)

- Tinh toan déng lute hoc qua dé (Transient Dynamic Analysis).

~_ Phân tích phổ (Spcctrum Analysis)

- ‘Tinh todn bat ôn dinh (Buckling Analysis)

~ _ Tỉnh toán câu trúc phi tuyển (Nonlinear Structural Analysis)

-_ Đặc biệt là tình toán các bài toàn vẻ eơ học rạn nứt (Eractre Mechanics), cơ

học vật ligu Composite (Composites)

ANSYS®/ Linear Plus:

-_ Dùng cho nhímg bài tính toán tính, bài toán động tuyến tỉnh

- Bai toán động bao gdm: Modal, Haruouic, Transient va Spectrum, Phan tinh

toán phi tuyển, ví dụ như: độ võng, lớn, đô cứng phản tử (stress stiffening), phân tử

tiếp xúc (nút — nút)

ANSYS8/ Flotran:

Giải quyết các vẫn đẻ về dộng Ie hoc lum chat (computational fluid dynamics

—CRD), các bài toàn về dòng lưu chất,

~_ Giải quyết cae van để về truyền nhiệt (heat transfer)

ANSYS®/ Emag 2-D, 3-D:

- Céng cu tinh toán mạnh mẽ về trường điện tử

-_ Giải quyết các vấn đề về sóng điện từ

~_ Trường cặp đôi từ — nhiệt (coupled magnetic-thenual analyses), ví dụ như lò căm tmg (induction heating)

- Phan tich cdu trtic tix (magnetic-structural analyses), cfing cé thé kết hợp giữa

electromagnetic - FLOTRAN CFD

ANSYS®/ Mechanical:

- Tinh toan ca tuyén tinh va phi tuyén, cu true va nhiét, tinh va dong,

-_ Giải quyết rộng rãi các bài toán thuộc về chế tạo may và xây dụng,

-_ Cô những khả năng tính toàn các bài toán động lục học, bất ôn định, truyền

nhiệt, âm học, điện áp,

ANSYS®/Multiphysics.

~_ Không tỉnh được các bài toán vẻ trường điện tir, déng lực học đang tường minh

(explieit dynamies analyses), động lực học lưu chất (L1)

ANSYS®/ ED:

-_ Phục vụ cho giáo đục và đảo tạo trong trường học, họo viện và tự học

-_ Có khả năng như mét ANSYS®/Multiphysics bao ham cả trường điện từ và

động lực học lưu chất Tuy nhiền còn hạn chẻ về kích cỡ của mô hình tính

-_ Không giải được những bài toán vẻ vật liêu Composite

ANSYS®/ PrepPost:

- C6 kha ning tinh toan nhu ANSYs®/Multiphysies

- Lai kha ning Prep và Post được thiết kế rất rạnh mế đề tính toán các mô hinh

lớn

ANSYS®/ ‘Thermal:

- Tinh toan phản bổ nhiệt, truyén nhiét

- Truong cặp đôi nhiệt — dign (Thermal-electric analyses)

ANSYS®/T.S-DYNA:

-_ Giải quyết các bài toán biến đạng lớn (ép, rên, .)

~_ Giải các bài loàn động lực học

ANSYS®/ Designer Products:

- ANSYS® DDA Connection

Trong luận vẫn này, gói phân mềm ANSYS Mechanical APDL dược sử dụng, dễ tiến hành mô phỏng, APDL là viết tắt của ANSYS Parametric Design Language: la

xnột ngôn ngữ sử dụng để giao tiếp với bộ giải của ANSYS MechanicaL APDL Đây

là một ngôn ngữ có thể được sử dụng dé tu dong hoa cáo tác vụ thông thường thậm

chí là xây đựng một mỏ hình tham số APDL bao gồm một loạt các tỉnh năng ví đụ

như xây dựng các câu dạng if-therrelse, do-loops, véc to va ma ira Goi phan mém

nay là một module mô phỏng da tường, da vật

Modulc này giúp chủng ta giải

quyết tắt các vẫn đề liên quan đến kết câu, nhiệt, điện — tử, nả, va chạm, vật liệu mới

va no co kha nang phan tích mạnh Ngoài ra ANSYS Mechameal APĐT, được tích

26

hợp rất nhiều mô hình vật liệu và các loại phần tử với nhiều công thức, lý thuyết được

áp dụng

Phân tiếp theo, luận văn sẽ trình bảy lý thuyết chung về phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp phân tử hữu hạn đổi với bải toán mô phỏng điện từ trưởng

trong ANSYS

HI.1.1 Phương pháp phần từ hữu hạn

Phương pháp phân tử hữu hạn xuất phát từ nhu câu giải quyết những vẫn đẻ phức tạp vẻ phân tích cầu trúc và độ đản hỏi trong xây dựng vả kỹ thuật hàng không Phương pháp này được phát triển đóng góp rất lớn từ A-Hrennikoff va R.Courant Mặc đủ phương pháp tiếp cân sử dụng bởi những người tiên phong nảy là khác nhau

nhưng họ chia sẻ các đặc điểm cơ bản: chia nhỏ, phân tử hỏa, rời rạc một miền liên

tục thành tập hợp các miền rời rạc nhỏ hơn được gọi lả các phân tử

Hrennikoff rời rạc hóa miễn xác định bằng cách sử dụng các mắt lưới giống nhau trong khi cách tiếp cận của Courant là chia miền đỏ thành các miền nhỏ hữu hạn các tam giác đề giải quyết phương trình vi phân riêng phần bậc hai elip nảy sinh từ vẫn

đề xác định độ củng, độ xoắn của một hình trụ Đóng góp của Courant được phát triển

và tạo lên nên tảng cho những phát triển bởi Rayleigh, Ritz và Galerkin

Sự chia nhỏ toàn bộ miền xác định thành các phần nhỏ có một số tru điểm như

sau:

~_ Biểu diễn chính xác hinh học phức tạp

~_ Bao gồm được các đặc tỉnh vật liệu khác nhau

~_ Dễ dàng biểu diễn các phép giải hoàn toan,

~ _ Thu được những hiệu ứng cục bộ, bộ phận

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hỏa các miễn liên tục phức tạp của bải

toán Các miễn liên tục được chia thành nhiều miền con (phản tử) Các miễn này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miễn con này, dạng biên phân tương đương với bài toán được giải xáp xỉ dựa trên các hảm xắp xi trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên củng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Về mặt toán học, phương pháp phân tử lxữu hạn (PPPTHH) dược sử dụng dễ giải

gần đúng bài toán phương trình vị phân từng phản (PTVPTP) và phương trình tích

phân, ví đụ như phương trình truyền nhiệt Lời giải gân đứng được đưa ra dựa trên

việc loại bỏ phương trinh vị phân một cách hoàn toàn (những vẫn dé vé trang thai én định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vì phân thường tương đương mả

sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, v v

Chia nhỏ miễn xác định cần tính toàn thành cáo tập cáo miễn nhỏ hon với mỗi 1niển nhề được biểu diễn bằng tập các phương trình phần từ tới các vẫn đề toàn bộ

TIệ thẳng hóa kết hợp lại tập hợp các phường trình phân tử vào hệ thông tổng thể

của phương trình cho lính toán cuối cùng Phương trình Lổng thể của hệ thống được

biết đến như phương, pháp giải và có thể dược tính toán từ những giá trị khởi tạo ban đầu tới khi đạt được kết quả số

Một đặc trưng của FEM là nó lả phương pháp số ôn định, tức là những lỗi trong,

đầu vào và các bước tính toán trung gian sẽ không được công đởn và là nguyên nhân

tạo ra sai số ở kết quả Trong bước đầu tiên ở trên các phương trình phẩu tử là những phương trình cục bộ xấp xi phương trình phức tạp ban đầu, với phương trình cơ bản

‘ban đầu thường là phương trình vi phản riêng phân (PDE) Dé giải thích sự xâp xi

trong bước xử lý này, FEM thường được giới thiệu như là raột trường hợp đặc biết

của phương pháp Galerkin Đó lả phương thức tối thiểu hóa những, lỗi của việc xấp

xỉ bằng các khớp các hảm tam giác vàc trong phương trình vi phân riêng phan Phan

còn lại (phẩn du) là lỗi gây ra bởi những hàm tam giác và hàm trọng lượng da bình

xấp xÏ thừa ra của project Quá trình xử lý loại trừ ra tắt cá phần khỏng gian phái sinh

tu PDE, do vay x4p xỉ cục bộ phương trình riêng nhân với:

-_ Một tập hợp phương trình dại số cho vẫn dễ trạng thái ôn dụh

- _ Tập hợp các phương trình vi phân thường cho vấn để ngắn

Tập hợp những phương trình này là những phương trinh phần tứ Chúng tuyến tính nêu phương trinh PDE là tuyến tính, và ngược lại Tập các phương trình đại số tăng lên trong bài toán trạng thải ôn định được giải nhữ sử dụng phương pháp đại số

tuyến tỉnh, trong khi tập các phương trình vi phân thường tăng lên trong những vẫn

đề nhất thời được giải bằng phương pháp tích phân số sử dụng kỹ thuật tiêu chuyển

như phương pháp Euler hoặc phương pháp Runge-Kutta

Trong bước thứ hai ở trên, một phương trình toàn cục hệ thống được tổng hợp tử các phương trình phần tử bằng cách biển đổi từ những node cue bộ thành những node trong miền toàn cục Không gian chuyên doi nay bao gồm biền đổi ma trận cũng như

áp dụng quan hệ tham chiếu hệ thống tọa độ

FEM được hiểu rõ nhất từ các ứng dụng thực tiên được biết tới như phân tích phần tử hữu han (FEA) FEA được áp dụng như một công cục tính toán phân tích kỹ thuật Nó bao gồm kỹ thuật chia lưới, chia một vẫn để phức tạp thành nhiêu phân tử nhỏ, cũng như sử dụng phần mem lap trinh với thuật toán FEM Trong ứng dụng FEA, vẫn đề phức tạp thường là một hệt vật lỷ như phương trình dầm Euler Bernoulli,

phương trình nhiệt, hoặc phương trình Navier-Stokes dưới dạng phương trình vi phân

Người ta chia nhỏ vân đề phức tạp thành những miền khác nhau trong một hệ vật lý

để tiền hành giải FEA là một lựa chọn tốt đê phân tích các các miền phúc tạp, hoặc các miền với biên thay đổi, khi cản những biến chính xác trong toản miền

II.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán điện từ trường

Đề mô tả cảm biến đỏng xoáy, các công thức liên quan xuất phát từ công thức

Trong đó H là cường độ từ trường, J, lả vector mật độ dòng điện, J la vector mat

độ dòng điện xoáy, E là cường độ điện trường, B là mật độ từ thông

Ta lại có

ở đầy p1,va flo lan luot 1a d6 tir tham tuong déi va dé tir tham của không khí

Vector tir thé A được định nghĩa bằng: