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

● 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 tácdụng vào vậ

Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp

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

Do năng lực nghiên cứu có hạn khoá luận chắc chắn không tránh khỏinhững 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 kếtquả nghiên cứu trong khoá luận là trung thực Khoá luận này chưa từng đượccông bố trong bất kỳ công trình nào Nếu những lời cam đoan trên là sai tôixin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2009.

Tác giả khoá luận.

Nguyễn Thị Trà My

1 Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

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

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đã mang lại nhiều thành tựu, vàhàng 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 củacon người Trong cuộc sống hiện đại thời nay, thiết bị điện tử là một thiết bịkhông 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 pháttriển mạnh, thường gọi là công nghệ chế tạo vi cơ điện tử- MEMS Công nghệMEMS có nhiều ứng dụng trong thực tế, một trong các ứng dụng quan trọngcủa 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 nghệMEMS và muốn đi sâu vào tìm hiểu nó, được sự hướng dẫn của thầy ĐinhVăn 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 hiệuđiện 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 suấtMEMS 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 suấtMEMS 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 suấtMEMS 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 đếnchất lỏng hoặc chất khí, do vậy nó là một thông số quan trọng trong nhiều lĩnhvực 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 đượcứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp năng lượng Vì trong các thiết bịcung cấp năng lượng thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân cần phải đo và theo dõi áp suấtmột cách liên tục, nếu áp suất vượt quá giới hạn ngưỡng nó sẽ làm hỏng bìnhchứa và đường ống dẫn, thập chí có thể gây nổ làm thiện hại nghiêm trọngđến cơ sở vật chất và tính mạng con người

Áp suất là thông số quan trọng can thiệp vào việc kiểm tra và điềukhiển các bộ phận máy móc tự động hoặc do con người điều khiển Ví dụ nhưhoạt 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 cầnxác định hình dạng hay lực cần nắm vật Tất cả các hoạt động trên đều cầnđến nhiều công cụ trong đó có cảm biến áp suất là mắt xích đầu tiên Các cảmbiến này sẽ cung cấp dữ liệu liên quan đến áp suất của khí nén, hơi nước, dầunhờn hoặc các chất lỏng khác nhằm xác định sự vận hành của các cơ cấu, hệthống, 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 triểncủa 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 trongcác loại cảm biến cơ mà còn phát triển ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vựccảm biến khác Vì vậy cảm biến áp suất cũng được chế tạo dựa trên côngnghệ 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 thuậtcủa công nghệ vi cơ Với khả năng đặc biệt của công nghệ chế tạo cho phépchế 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 Córất 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, cảmbiến điện dung v.v…

Các cảm biến thực hiện theo nguyên lý chuyển đổi tín hiệu cơ- điện Dướitác dụng của tải cơ học đầu vào, phần tử nhạy của sensor sẽ bị biến dạng Mộtcấu 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 tâmcứng

● 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 tácdụng vào vật liệu đó Dựa vào hiệu ứng này, người ta chế tạo ra cảm biến ápsuất kiểu điện trở Thông thường việc chuyển đổi này được thực hiện dướidạng hiệu điện thế chênh lệch thu được qua một cầu điện trở hoặc một biếnthế của cầu điện trở

Đ? c? d?nh

C

- Một số vật liệu có tính chất đặc biệt là khi bị biến dạng, trên bề mặt đốidiện sẽ xuất hiện các diện tích trái dấu Đó chính là hiệu ứng áp điện đượcứng dụng để sản xuất cảm biến áp suất kiểu áp điện Lượng điện tích càng lớnnếu vật liệu chịu biến dạng cơ học càng nhiều Một mạch khuếch đại điện tíchđược 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 làmcho điện dung thay đổi Hoàn toàn có thể thu và xử lý được các tín hiệu nàynhờ 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

Màng m?ng

Tâm c? ng Màng m?ng

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 tácdụng 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 khehẹp để tạo thành tụ điện Như vậy, tụ điện sẽ có một bản cố định ( trên đế ) vàmột 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 chokhoảng 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 khoảngcách là d, điện môi giữa hai bản cực có hằng số điện môi là ε thì sẽ có điệndung là:

C  1

k

S

4d (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 tríxác 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 điệndung 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 tửhữu hạn ( Finite Element Analysis, FEA ) hoàn chỉnh dùng để mô phòng, tínhtoán thiết kế công nghiệp, đã và được sử dụng trên thế giới trong hầu hết cáclĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện tử, tương tác giữa cácmôi trường, giữa các hệ vật lý

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

Để có cái nhìn toàn cảnh cấu trúc bài tính trong ANSYS, ta diễn đạtbằng sơ đồ:

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?

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

Ngoài ba bước tính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS cònphải 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 kiểuphân tích nào ( kết cấu, nhiệt hay điện từ ), mô hình hoá như thế nào (đối

Bài toán khoa học- kỹ thuật

PT vi phân + Điều kiện biênTích phân trực tiếp Xấp xỉ gần đúng

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 dànghơn trong việc giải bài toán của mình Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiệnnhững ý tưởng này trong ANSYS? ANSYS cung cấp hai cách giao tiếp vớingười dùng: công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặcviết mã lệnh trong một file văn bản rrồi đọc vào từ File/Read input from ( tacũng có thể dùng kết hợp hai cách này mộy cách linh hoạt: dùng lệnh tạo cấutrúc, 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 đạilượng vật lý chưa biết nào đó gọi là các biến sơ cấp, nó thoả mãn một hay hệphương trình vi phân cho trước trong một miền xác định với các điều kiệnbiên 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 đãcho bằng phép tính tích phân trực tiếp (dạng mạnh ) trở nên khó khăn Đểkhắc phục vấn đề này, một công thức biến phân xuất hiện (dạng yếu ) vớinhiều 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 ứngdụng của nguyên lý biến phân

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 tiểuhoá phiếm hàm này theo các biến sơ cấp, sẽ thu được nghiệm yếu ( thực ) củaphương trình vi phân với các điều kiện ràng buộc đã cho

Có nhiều phương pháp biến phân của phép xấp xỉ như: phương phápthặng dư có trọng số, phương pháp bình phương tối thiểu, phương pháp tụ tậpđiểm v.v Tất cả các phương pháp này đi tìm nghiệm xấp xỉ dưới dạng tổ hợptuyến tính của các hàm xấp xỉ Các tham số trong tổ hợp tuyến tính đó đượcxác định sao cho nghiệm xấp xỉ thoả mãn dạng yếu hay cực tiểu hoá phiếmhàm toàn phương ( phiếm hàm năng lượng ) Sự khác nhau giữa các phươngpháp trên là do sự lựa chọn các hàm xấp xỉ Các phương pháp biến phân cổđiển 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 cácphương 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 hàmnào đó liên quan đến các tích phân, thông qua một lớp hàm được xác định bởibài 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 củaFEM là rời rạc hoá cấu trúc Hệ vật lý được mô hình hoá bằng các phần tử rờirạc Mỗi phần tử có các phương trình chính xác mô tả ứng xử của nó với mộttải xác định “Tổng” ứng xử của tất cả phần tử trong mô hình sẽ cho ta ứng xửchung của hệ vật lý Các phần tử có số lượng ẩn hữu hạn, do đó chúng là cácphần tử hữu hạn

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

:   e

Các e nối với nhau băng cácđiểm 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 cácđiểm 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 bịbiến dạng và sinh ra nội lực chống lại tác dụng của ngoại lực, khi đã ở trạngthái cân bằng thì nội lực cân bằng với ngoại lực Các ẩn số của bài toán đượchình thành từ đây Các bài toán trong cơ học thường có dạng phương trình viphân 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 mãncác điều kiện trên là rất khó khăn Vì thế chỉ có thể giải bằng phương phápgần đúng Tuy nhiên khó có phương pháp nào thoả mãn đồng thời cả ba điềukiện trên và trong cơ học vật rắn biến dạng người ta giải bài toán theo baphương pháp:

- Phương pháp chuyển vị ( phương pháp động học ): các chuyển vị là cácđại lương (ẩn ) cần xác định đầu tiên Hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng trườngchuyển vị, dùng nguyên lý công di chuyển khả dĩ ( phương pháp này thườnghay 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, dùngnguyên lý công bù khả dĩ.

- Phương pháp hỗn hợp: một số đại lượng chuyển vị và một số đại lượngứng 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 ứngsuất làm gốc thì đáp ứng chính xác điều kiện (1), (3) và thoả mãn tương đốiràng 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 lấytuỳ thuộc yêu cầu độ chính xác và theo hàm xấp xỉ chọn Các phần tử đượcchia thành: phần tử một chiều, hai chiều, ba chiều

- Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp, đơn giản dễ tính toán đối với máytính: dùng dạng đa thức Biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp các giá trị ( cácđạo 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)