THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG

THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG

BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ RÔBỐT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG

SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG

Giáo viên hướng dẫn : TS PHẠM HỒNG PHÚC

ThS NGUYỄN ANH TUẤN

Hà Nội,

● Khái niệm về vi cơ điện tử - MEMS

Hệ thống vi cơ điện tử-MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là hệ thống tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, bộ kích hoạt và các cấu kiện điện tử, được sản xuất bằng công nghệ micro

Hai dòng sản phẩm chính của công nghệ MEMS là cảm biến (sensor) và bộ kích hoạt (actuator)

Sensor tực Sensor gia tốc Sensor vận tốc góc Sensor nhiệt

Actuator nhiệt

Actuator áp điện

Actuator tĩnh điện Actuator hợp kim

● Ứng dụng của MEMS

● Định hướng phát triển MEMS

● Vi cảm biến cơ học- Micromechanical Sensor

 Định nghĩa

Cảm biến vi cơ là một thiết bị tiếp nhận một tín hiệu đầu vào cơ năng

và chuyển đổi thành tín hiệu điện

.2

)(

)(.2

1

V x

A V

x

x C

Trong đó: A là diện tích của bản tụ

ε là hằng số điện môi của chất điện môi giữa hai bản tụ

ε0 =8,854x10x10-12 là hằng số điện môi của chân không

x khoảng cách giữa hai bản tụ

 Lực tiếp tuyến trên bản cực di động

(2.3)

2 0

0

.

2.

Trong đó: h là chiều rộng của bản tụ

g0 là khe hở giữa hai bản tụ

V là điện áp đặt vào

0 0

n t

 Chuyển vị pháp tuyến

2 0 2 0

.

0 2( )

Trong đó: V là điện áp giữa 2 bản cực

g0 là khe hở ban đầu

k là độ cứng của hệ dầm Điều kiện trạng thái ổn định:

(2.5)

Công thức tính điện dung theo chuyển vị góc

Điều kiện trạng thái ổn định:

 Dựa vào mục đích và nguyên lý trên em đưa ra một số thiết kế sensor đo lực 3 bậc tự do.

● Cấu trúc sensor phương án 1

Ưu điểm:

- Kết cấu đơn giản

Nhược điểm:

- Chuyển vị góc khi đo Mx (My)

nhỏ => sự thay đổi điện dung nhỏ

=> độ nhạy của sensor thấp

Cố định

Bản cực trên

Bản cực dưới Dầm thẳng

● Cấu trúc sensor phương án 2

Ưu điểm:

Cùng một giá trị chuyển vị điện

dung thay đổi lớn hơn rất nhiều

Nhược điểm:

Khi đo Mx khó xác định được sự

thay đổi của điện dung theo góc

xoay φ

Khi đo Fx, Fy 2 đoạn của dầm

càng cua đều bị uốn nên tín hiệu

đo bị nhiễu

Răng lược cố định Dầm càng cua

Răng lược di trượt

Cố định

● Cấu trúc sensor phương án 3

Chọn cấu trúc này do có nhiều ưu điểm nhất

Ưu điểm:

- Kết cấu đơn giản

- Điện dung thay đổi lớn

theo chuyển vị của dầm và dễ

dàng xác định được

Nhược điểm:

- Khi đo Fz điện dung thay đổi

bị giới hạn bởi điều kiện ổn định

giữa 2 bản cực : y < (1/3)d0

Bản cực trên

Bản cực trên Dầm càng cua

Với: CS;CR;CP : điện dung của biến tụ, tụ tham chiếu và điện dung trở khí.

VP;VF;V0: điện áp điều khiển, rơi trên diode, giữa điểm A và B xuất hiện khi Cs≠Cr

● Mạch điện đo giá trị thay đổi điện dung

 Tính cho trường hợp đo M x

Áp dụng (2.4x10) điện dung giữa 2 bản cực

khi khối nặng xoay góc φx là:

Độ biến thiên điện dung:

(2.7)

Từ (2.5) và (2.7) ta có φx là nghiệm của phương trình:

(2.8) Mx= kx (2.9)

d0 là khoảng cách ban đầu giữa 2 bản cực.

d là khoảng cách sau khi tác dụng lực Fz

∆C là giá trị thay đổi điện dung xác định bằng mạch điện

A C

d





● Cho một ví dụ sensor có các thông số mạch điện như sau:

-Vp

d0 h a a1 a2 w c lx ly b fix1 fix2

Sơ bộ thông số hình học của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (μm)

● Xác định sơ bộ kích thước hình học của sensor

Yêu cầu đề tài: Thiết kế sensor kiểu điện dung có kích thước bao 3×3mm2.

● Xác định các hệ số cứng của dầm

 Xác định k φx

kφx: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc

Đặt momen Mx= 1µNm vào khối nặng

 Xác định k φy

kφy: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc

Đặt momen My= 1µNm vào khối nặng

2 ( )

34x104x103

 Tính Fz

Chuyển vị của sensor

Fz =kz ∆d =208,36μN

0 0

● Đề xuất bộ thông số hình học của Sensor

Bằng mô phỏng bài toán cấu trúc đã xác định được các hệ số cứng

Để tìm được kích thước hợp lí ta thay đổi

Đồ thị liên hệ giữa các độ cứng và chiều dài ly như sau:

Đồ thị liên hệ giữa momen k z và l y

Đồ thị liên hệ giữa momen kφx (kφy) và l y

Nhận xét:

+ Dựa vào đồ thị ta có:

•Giảm ly thì kφx giảm và kφy tăng

•Tăng ly thì kφx tăng và kφy giảm

→Tăng độ nhạy của sensor bằng

cách giảm chiều rộng b của dầm

d0 h a a1 a2 w c lx ly b fix1 fix2

Bộ thông số hình học của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (μm)

Tần số dao động riêng theo phương y

Kết quả mô phỏng:

fy=2204x10Hz

Tần số dao động riêng của hệ bản cực trên theo phương y

Tần số dao động riêng theo phương z

Kết quả mô phỏng:

fz=4x10917Hz

 dao động riêng theo

phương y là nguy hiểm nhất

Tần số dao động riêng của hệ bản cực trên theo phương y

Tính tần số dao động riêng theo công thức thực nghiệm

Mục đích: tính tần số dao động riêng theo phương có tần số dao động riêng nhỏ nhất bằng công thức lý thuyết so sánh với kết quả mô phỏng

Theo công thức tính khối lượng quy đổi của phần di động [11]:

Trong đó:

Mp – khối lượng phần di động

M – khối lượng dầm

Sau khi tính toán ta có: m= 4x10,4x10.10-8kg

Đặt lực Fy =1μN ta đi tìm chuyển vị theo phương y bằng Ansys, kết quả là:

● Các phương pháp vi gia công

Gia công vi cơ khối ( Bulk micromachining)

Gia công vi bề mặt ( Surface micromachining)

Công nghệ Liga

Chọn phương pháp gia công vi cơ khối.

- Đơn giản, dễ gia công chế tạo, giá thành thấp.

- Không gia công

được màng quá mỏng hoặc quá dầy

Vi gia công

(Micromachine)

- Là phương pháp đơn giản

Mô hình của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung

● Các bước gia công

(a) Chuẩn bị Lớp Silicon mỏng (10 μm)

Lớp SiO 2 (4 μm)

Lớp Silicon nền (100 μm)

(d)Phủ điện cực cho đế thủy tinh

(e) Quá trình dán - Anodic Bonding

(f) Ăn mòn bằng hơi HF đỗi với lớp SiO 2 (c) Quá trình gia công bề mặt đáy

(b) Quá trình gia công bề mặt trên

• Đồ án đã trình bày được các vấn đề sau:

* Tìm hiểu tổng quát về công nghệ MEMS, Vi cảm biến cơ học

* Tìm hiểu lý thuyết tĩnh điện.(cơ sở căn cứ để nghiên cứu nguyên lý

hoạt động của sensor kiểu điện dung).

* Thiết lập công thức tính lực cho sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung

(cấu trúc hình chữ thập dầm càng cua).

* Sử dụng phần mềm Ansys:

+ Giải bài toán cấu trúc để đạt độ chính xác cao nhất

+ Xác định tần số dao động riêng để tránh gây cộng hưởng

* Đưa ra chip kích thước 3x3mm sử dụng làm sensor

* Đề xuất các bước trong qui trình công nghệ gia công sensor

các thầy và các bạn đã lắng nghe !