Mô phỏng đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện của cảm biến áp suất MEMs kiểu điện dung dưới tải áp suất

Là sinh viên khoa Vật lý, nhận thấy tiềm năng rất lớn của công nghệ MEMS và muốn đi sâu vào tìm hiểu nó, được sự hướng dẫn của thầy Đinh Văn Dũng, cũng như sự ủng hộ của các thầy cô tron

Tác giả khoá luận xin được bày tỏ sự biết ơn và giửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới các thầy cô

Do năng lực nghiên cứu có hạn khoá luận chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2009

Tác giả khoá luận

Nguyễn Thị Trà My

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu trong khoá luận là trung thực Khoá luận này chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào Nếu những lời cam đoan trên là sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2009

Tác giả khoá luận

Nguyễn Thị Trà My

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thế giới đang phát triển theo xu hướng quốc tế hoá, toàn cầu hoá nên mỗi chúng ta cần phải không ngừng học tập, nâng cao trình độ Việt Nam là một nước đang phát triển nhưng cũng không nằm ngoài vòng xoáy của sự phát triển của khoa học công nghệ Là sinh viên Việt Nam, chúng ta cần phải nhạy bén nắm bắt thời đại để không bị tụt hậu so với các nước phát triển trên thế giới, và có đủ hành trang để bước vào đời

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đã mang lại nhiều thành tựu, và hàng loạt nguyên liệu mới ra đời thay thế cho nguyên vật liệu thô sơ Đặc biệt

là sự ra đời của các thiết bị điện tử được coi là một phát minh quan trọng của con người Trong cuộc sống hiện đại thời nay, thiết bị điện tử là một thiết bị không thể thiếu được, nó góp phần làm cho cuộc sống ngày càng tiện lợi, hoàn thiện hơn

Gần đây, công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ và linh kiện điện phát triển mạnh, thường gọi là công nghệ chế tạo vi cơ điện tử- MEMS Công nghệ MEMS có nhiều ứng dụng trong thực tế, một trong các ứng dụng quan trọng của nó là chế tạo các cảm biến có kích thước ngày càng thu nhỏ

Là sinh viên khoa Vật lý, nhận thấy tiềm năng rất lớn của công nghệ MEMS và muốn đi sâu vào tìm hiểu nó, được sự hướng dẫn của thầy Đinh Văn Dũng, cũng như sự ủng hộ của các thầy cô trong khoa, tác giả khoá luận

đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài: “ Mô phỏng đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện của cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung dưới tải áp suất”

2 Mục đích nghiên cứu

Mô phỏng đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện của cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung dưới tải áp suất

3 Đối tượng nghiên cứu

Cảm biến áp suất MEMS

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung

- Mô phỏng đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện của cảm biến

- Kết quả và thảo luận

5 Phạm vi nghiên cứu

Mô phỏng đặc trưng chuyển đổi tín hiệu điện của cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung dưới tải áp suất

6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tra cứu tài liệu, mô phỏng, thảo luận và đánh giá

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS

1.1 Việc đo tín hiệu áp suất trong kỹ thuật

Áp suất tác động như một biến số trong các hiện tượng liên quan đến chất lỏng hoặc chất khí, do vậy nó là một thông số quan trọng trong nhiều lĩnh vực như nhiệt động học, khí động lực học, âm học, cơ học chất lỏng v.v

Trong số các ngành công nghiệp khác nhau, các cảm biến áp suất được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp năng lượng Vì trong các thiết bị cung cấp năng lượng thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân cần phải đo và theo dõi áp suất một cách liên tục, nếu áp suất vượt quá giới hạn ngưỡng nó sẽ làm hỏng bình chứa và đường ống dẫn, thập chí có thể gây nổ làm thiện hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và tính mạng con người

Áp suất là thông số quan trọng can thiệp vào việc kiểm tra và điều khiển các bộ phận máy móc tự động hoặc do con người điều khiển Ví dụ như hoạt động của người máy thì việc đo áp suất cũng đóng vai trò quan trọng Trong trường hợp này, áp suất được đo trực tiếp trong các bộ khiên chế hoặc

đo gián tiếp để thay thế cho xúc giác con người ( như da nhân tạo ) khi cần xác định hình dạng hay lực cần nắm vật Tất cả các hoạt động trên đều cần đến nhiều công cụ trong đó có cảm biến áp suất là mắt xích đầu tiên Các cảm biến này sẽ cung cấp dữ liệu liên quan đến áp suất của khí nén, hơi nước, dầu nhờn hoặc các chất lỏng khác nhằm xác định sự vận hành của các cơ cấu, hệ thống, máy móc

Trên thực tế, các nhu cầu đo áp suất rất đa dạng đòi hỏi các cảm biến

đo áp suất phải đáp ứng một cách tốt nhất cho từng trường hợp cụ thể Chính

vì vậy các cảm biến đo áp suất chất lưu cũng rất đa dạng Với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ vi cơ điện tử đã giúp cho công

nghệ MEMS có những bước phát triển mạnh mẽ mở ra nhiều các kỹ thuật mới

và đạt được các thành tựu đáng kể Công nghệ MEMS không chỉ bó hẹp trong các loại cảm biến cơ mà còn phát triển ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực cảm biến khác Vì vậy cảm biến áp suất cũng được chế tạo dựa trên công nghệ MEMS

1.2 Giới thiệu cảm biến đo áp suất dựa trên công nghệ MEMS

Các vi cảm biến sử dụng silic làm vật liệu đế và chế tạo bằng các kỹ thuật của công nghệ vi cơ Với khả năng đặc biệt của công nghệ chế tạo cho phép chế tạo các linh kiện có kích thước ngày càng nhỏ, độ chính xác cao, có quy

mô hàng loạt với chất lượng tương đối đồng đều trên cùng một phiến silic Có rất nhiều thế hệ và chủng loại cảm biến được phát triển và sử dụng dùng để đo

áp suất chất lưu như cảm biến áp điện, cảm biến áp từ, cảm biến áp trở, cảm biến điện dung v.v…

Các cảm biến thực hiện theo nguyên lý chuyển đổi tín hiệu cơ- điện Dưới tác dụng của tải cơ học đầu vào, phần tử nhạy của sensor sẽ bị biến dạng Một cấu trúc điện thích hợp tích hợp trên phần tử nhạy để cảm nhận sự biến dạng

đó và chuyển đổi thành tín hiệu điện lối ra Như vậy, ta có thể xem cấu trúc

cơ bản của một sensor áp suất gồm hai phần: phần cơ học và phần điện tử

 Cấu trúc cơ học: thường có các dạng màng đồng phẳng, màng có tâm cứng

 Phần điện tử: dựa trên các hiệu ứng vật lý như hiệu ứng áp điện trở, hiệu ứng áp điện, phương pháp điện

- Hiệu ứng áp điện trở là sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có tác dụng vào vật liệu đó Dựa vào hiệu ứng này, người ta chế tạo ra cảm biến áp suất kiểu điện trở Thông thường việc chuyển đổi này được thực hiện dưới dạng hiệu điện thế chênh lệch thu được qua một cầu điện trở hoặc một biến thế của cầu điện trở

- Một số vật liệu có tính chất đặc biệt là khi bị biến dạng, trên bề mặt đối diện sẽ xuất hiện các diện tích trái dấu Đó chính là hiệu ứng áp điện được ứng dụng để sản xuất cảm biến áp suất kiểu áp điện Lượng điện tích càng lớn nếu vật liệu chịu biến dạng cơ học càng nhiều Một mạch khuếch đại điện tích được kết hợp sẽ cho phép khuếch đại tín hiệu lối ra dưới dạng hiệu điện thế,

có thể thu và sử lý dễ dàng tín hiệu này

- Dựa vào phương pháp điện dung là khi phần tử nhạy bị uốn cong sẽ làm cho điện dung thay đổi Hoàn toàn có thể thu và xử lý được các tín hiệu này nhờ các mạch được tích hợp trên một đế silic

1.3 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung

1.3.1 Cấu trúc

C

Tâm c? ng Màng m?ngMàng m?ng

Đ? c? d?nh

Cảm biến áp suất có cấu trúc gồm một màng silic mỏng có tâm cứng và

có biên gắn cố định với chân đế Màng mỏng dễ bị uốn cong khi có sự tác dụng của áp suất ( phần tử nhạy ) Trên mặt phẳng của màng có cấy điện cực

và trên đế cố định cũng có gắn điện cực tương ứng, giữa hai điện cực có khe hẹp để tạo thành tụ điện Như vậy, tụ điện sẽ có một bản cố định ( trên đế ) và một bản có thể dịch chuyển khi chịu tác dụng của áp suất

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo áp suất kiểu điện dung Khi chịu tác dụng của áp suất, phần tử nhạy sẽ bị uốn cong làm cho khoảng cách giữa hai bản tụ thay đổi, do đó điện dung của tụ cũng thay đổi theo

Một tụ điện phẳng gồm hai bản cực diện tích S, cách nhau một khoảng cách là d, điện môi giữa hai bản cực có hằng số điện môi là ε thì sẽ có điện dung là:

d

S k

1

(1.1) (k=9.109 m/F ) Δd: Khoảng cách giữa hai bản tụ

Với mỗi áp suất nhất định, màng cảm biến sẽ bị uốn cong tới một vị trí xác định Độ dịch chuyển của bản cực động của tụ và điện dung tụ điện vì thế

có giá trị xác định tương ứng với áp suất đó Thông qua việc xác định điện dung C của tụ, hoàn toàn có thể xác định được áp suất tác dụng lên màng

CHƯƠNG 2:

MÔ PHỎNG ĐẶC TRƯNG CHUYỂN ĐỔI

TÍN HIỆU ĐIỆN

2.1 Giới thiệu ANSYS

ANSYS (Analysis Systems ) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ( Finite Element Analysis, FEA ) hoàn chỉnh dùng để mô phòng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện tử, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý

Trong hệ tính toán đa năng của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp PTHH lấy chuyển vị làm gốc (phương pháp chuyển vị)

Để có cái nhìn toàn cảnh cấu trúc bài tính trong ANSYS, ta diễn đạt bằng sơđồ:

Sơ đồ trên cho ta cái nhìn tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS, gồm ba phần chính: tạo mô hình tính, tính toán và xử lý kết quả

Ngoài ba bước tính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đến quá trình chuẩn bị chính là quá trình định hướng cho bài tính Trong qua trình này, ta cần định hướng xem bài toán ta sắp giải dùng kiểu phân tích nào ( kết cấu, nhiệt hay điện từ ), mô hình hoá như thế nào (đối

Tạo mô hình tính

Khai thác các thuộc tính vật liệu: E, Nu, K…

Tạo mô hình hình học: thể tích, diện tích, đường, điểm

Tạo mô hình PTHH: chia lưới như thế nào?

- Vị trí ứng suất cực đại ở đâu?

- Giá trị ứng suất có vượt quá giới hạn đàn hồi?

xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình ba chiều đầy đủ ), dùng kiểu phần

tử nào?

Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơn trong việc giải bài toán của mình Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiện những ý tưởng này trong ANSYS? ANSYS cung cấp hai cách giao tiếp với người dùng: công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh trong một file văn bản rrồi đọc vào từ File/Read input from ( ta cũng có thể dùng kết hợp hai cách này mộy cách linh hoạt: dùng lệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết quả )

2.2 Bài toán mô phỏng dựa trên ANSYS

Mục tiêu của hầu hết bài toán khoa học- kỹ thuật là xác định các đại lượng vật lý chưa biết nào đó gọi là các biến sơ cấp, nó thoả mãn một hay hệ phương trình vi phân cho trước trong một miền xác định với các điều kiện biên cho trước trên biên của miền Ta có thể mô tả bài toán bằng sơ đồ sau:

Việc tìm lời giải từ phương trình vi phân với các điều kiện ràng buộc đã cho bằng phép tính tích phân trực tiếp (dạng mạnh ) trở nên khó khăn Để khắc phục vấn đề này, một công thức biến phân xuất hiện (dạng yếu ) với nhiều phương pháp biến phân ra đời ( phép xấp xỉ gần đúng hay phương pháp

số ) Phương pháp phần tử hữu hạn mà ta tìm hiểu dưới đây là một mẫu ứng dụng của nguyên lý biến phân

Bài toán khoa học- kỹ thuật

PT vi phân + Điều kiện biên

Xấp xỉ gần đúng Tích phân trực tiếp

Ý tưởng chính của công thức biến phân với các phương pháp biến phân

là xây dựng một phiếm hàm năng lượng hay phiếm hàm toàn phương J(u) gọi

là thế năng toàn phần trong các bài toán cơ học vật rắn, sau đó tìm cực tiểu hoá phiếm hàm này theo các biến sơ cấp, sẽ thu được nghiệm yếu ( thực ) của phương trình vi phân với các điều kiện ràng buộc đã cho

Có nhiều phương pháp biến phân của phép xấp xỉ như: phương pháp thặng dư có trọng số, phương pháp bình phương tối thiểu, phương pháp tụ tập điểm v.v Tất cả các phương pháp này đi tìm nghiệm xấp xỉ dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các hàm xấp xỉ Các tham số trong tổ hợp tuyến tính đó được xác định sao cho nghiệm xấp xỉ thoả mãn dạng yếu hay cực tiểu hoá phiếm hàm toàn phương ( phiếm hàm năng lượng ) Sự khác nhau giữa các phương pháp trên là do sự lựa chọn các hàm xấp xỉ Các phương pháp biến phân cổ điển tính trên miền Ω ( miền xấp xỉ của Ω ) của bài toán Phương pháp phần

tử hữu hạn cũng sử dụng các phương pháp biến phân nhưng để tính trên các phương trình rời rạc cho các miền con ( phần tử hữu hạn e )

 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM )

Như đã trình bày ở trên, các bài toán vật lý trong lĩnh vực cơ học vật rắn

và đàn hồi thương được mô tả bằng các phương trình vi phân đạo hàm riêng Một trong các lời giải điển hình cho bài toán loại này là cực tiểu hoá một hàm nào đó liên quan đến các tích phân, thông qua một lớp hàm được xác định bởi bài toán Hàm này được xây dựng nhờ phép phân tích phần tử hữu hạn, phương pháp này gọi là phương pháp phần tử hữu hạn ( FEM) Tư tưởng của FEM là rời rạc hoá cấu trúc Hệ vật lý được mô hình hoá bằng các phần tử rời rạc Mỗi phần tử có các phương trình chính xác mô tả ứng xử của nó với một tải xác định “Tổng” ứng xử của tất cả phần tử trong mô hình sẽ cho ta ứng xử chung của hệ vật lý Các phần tử có số lượng ẩn hữu hạn, do đó chúng là các phần tử hữu hạn

Để dễ hình dung hơn, ta giả sử Ω là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó ( chuyển vị, ứng suất, bién dạng, nhiệt độ, v.v ) Phương pháp xấp xỉ không phải trên toàn bộ miền Ω mà chia miền Ω thành hữu hạn các miền con ( các phần tử ) e:  e Các e

 nối với nhau băng các điểm định trước trên biên gọi là các nút của phần tử Trong mỗi phần tử e , đại lượng cần tìm được xác định gần đúng bằng các hàm xấp xỉ Các hàm xấp

xỉ được biểu diễn qua các giá trị xác định ( cả các giá trị đạo hàm ) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị tại các nút được gọi là các bậc tự do ( chính

là các ẩn số ) của phần tử

Đối với bài toán cơ, khi có ngoại lực tác dụng vào vật thể thì vật thể sẽ bị biến dạng và sinh ra nội lực chống lại tác dụng của ngoại lực, khi đã ở trạng thái cân bằng thì nội lực cân bằng với ngoại lực Các ẩn số của bài toán được hình thành từ đây Các bài toán trong cơ học thường có dạng phương trình vi phân và phải thoả mãn ba điều kiện ràng buộc:

- Điều kiện vật liệu (định luật Hook, ) (1)

- Tính tương thích (2)

- Cân bằng lực (3)

Thực tế việc giải trực tiếp bằng giải tích phương trình vi phân thoả mãn các điều kiện trên là rất khó khăn Vì thế chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng Tuy nhiên khó có phương pháp nào thoả mãn đồng thời cả ba điều kiện trên và trong cơ học vật rắn biến dạng người ta giải bài toán theo ba phương pháp:

- Phương pháp chuyển vị ( phương pháp động học ): các chuyển vị là các đại lương (ẩn ) cần xác định đầu tiên Hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng trường chuyển vị, dùng nguyên lý công di chuyển khả dĩ ( phương pháp này thường hay dùng nhất )

- Phương pháp ứng suất ( phương pháp tĩnh học ): các ứng suất ( lực, mômen ) là các ẩn số Hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng trường ứng suất, dùng nguyên lý công bù khả dĩ

- Phương pháp hỗn hợp: một số đại lượng chuyển vị và một số đại lượng ứng suất là ẩn

Phương pháp PTHH lấy chuyển vị làm gốc đáp ứng chính xác điều kiện (1), (2) và thoả mãn tương đối ràng buộc (3) Phương pháp PTHH lấy ứng suất làm gốc thì đáp ứng chính xác điều kiện (1), (3) và thoả mãn tương đối ràng buộc (2)

 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn:

- Bước 1: Rời rạc hoá miền khảo sát:  e

, số điểm nút được lấy tuỳ thuộc yêu cầu độ chính xác và theo hàm xấp xỉ chọn Các phần tử được chia thành: phần tử một chiều, hai chiều, ba chiều

- Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp, đơn giản dễ tính toán đối với máy tính: dùng dạng đa thức Biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp các giá trị ( các đạo hàm ) của nó tại các nút của phần tử

- Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử ( xác định ma trận độ cứng [K]e của phần tử), vectơ tải {F}e dựa vào các nguyên lý năng lượng dừng (công khả dĩ)