ĐẠ14//I HỌC QUỐC GIAHÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VI CẢM BIẾN LỰC BA CHIỀU DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ ÁP ĐIỆN TRỞ VÀ CẤU TRÚC TẬP TRUNG ÁP LỰC Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.0203 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH Hà Nội - 2014 Luận văn thạc sỹ LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc chân thành tới PGS.TS Chử Đức Trình, giảng viên trường đại học Công nghệ, người trực tiếp hướng dẫn bảo tận tính giúp hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Đào tạo, thầy cô giáo khoa Điện tử Viễn thông, trường đại học Công nghệ, đại học Quốc Gia Hà Nội dạy dỗ, truyền thụ kiến thức khoa học giúp bước trưởng thành. Xin cảm ơn người thân, gia đình bạn bè luôn động viên, hỗ trợ nhiều để có kết học tập tốt hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày ….tháng … năm 2014 Phạm Hữu Thành Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực hiện. Những kết từ tác giả khác sử dụng luận văn trích dẫn rõ ràng, cụ thể. Không có không trung thực kết tính toán. Nếu có sai trái xin chịu trách nhiệm hoàn toàn. Hà nội, ngày ……tháng……năm 2014 Học viên Phạm Hữu Thành Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu vi cảm biến, cụ thể vi cảm biến lực. Trên sở lý thuyết xây dựng cấu trúc vi cảm biến ba chiều phương pháp tăng độ nhạy cảm biến phương pháp sử dụng cấu trúc tập trung áp lực. Các cấu trúc áp lực có dạng Ellipe, dạng trụ dạng chữ nhật. Cuối luận văn tiến hành mô vi cảm biến sử dụng phần mềm COMSOL PHYSIC. Trình bày kết đạt chứng minh sở lý thuyết tìm hiểu, sở xây dựng hướng phát triển tiếp theo. Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU . 1. Vi điện tử - MEMS 2. Cảm biến lực 3. Một số cảm biến lực . 3.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ 3.2 Vi cảm biến lực áp điện 3.3 Vi cảm biến lực áp điện trở . 3.4 Cảm biến lực laser quang 4. Mục tiêu đề tài . CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN LỰC ÁP ĐIỆN TRỞ 1. Hiện tượng áp điện trở 2.Độ biến thiên điện trở tác động sức căng . 3. Mạch cầu wheatstone . 4. Độ nhạy nhiễu . 4.1 Độ nhạy 4.2 Nhiễu 10 5. Cảm biến lực áp điện trở . 11 6. Vật liệu chế tạo áp điện trở . 14 Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ 7. Vi cảm biến áp điện trở ba chiều . 17 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN LỰC BA CHIỀU 18 1. Vi cảm biến lực ba chiều 18 2. Các cấu trúc tập trung ứng suất 19 3.Phần mềm COMSOL MULTIPHYSIC . 22 4. Mô vi cảm biến lực ba chiều . 23 4.1 Cấu hình ngang (Tác dụng theo phương X) . 24 4.2 Cấu hình dọc (Tác dụng lực theo phương Z) 28 4.3 Cấu hình dài (Tác dụng lực theo phương Y) 31 KẾT LUẬN 34 Tài liệu tham khảo . 35 Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MEMS MicroElectro – Mechanical Systems AFM Atomic Force Microscopy Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: MEMS ngành khoa học liên ngành . Hình 2: Hình ảnh cảm biến lực . Hình 3: Cảm biến lực kiểu tụ . Hình 4: Hiện tượng áp điện . Hình 5: Một cảm biến áp điện Hình 6: Vi cảm biến lực áp điện trở . Hình 7: Ảnh SEM cảm biến lực áp điện trở Hình 8: Cảm biến lực sử dụng tia laser – nguyên tắc hoạt động hệ thống AFM Hình 9: Mạch cầu Wheatstone . Hình 10: Nhiễu Flicker 11 Hình 11: Vi cảm biến lực sử dụng dầm Cantilever . 11 Hình 12: Phân bổ ứng suất dầm . 12 Hình 13: Thanh dầm áp điện trở 13 Hình 14: Cấu trúc áp điện trở . 14 Hình 15: Mô tả thành phần ứng suất dọc ứng suất trượt 14 Hình 16: Mô hình cảm biến lực chiều . 17 Hình 17: Cấu trúc hinh học vi cảm biến ba chiều . 18 Hình 18: Các cấu hình cầu wheatstone tác dụng lực theo phương khác nhau; a) Tác dụng theo phương X; b) Tác dụng theo phương Y; c) Tác dụng lực theo phương Z; d) Công tắc chuyển mạch cầu Wheatstone . 19 Hình 19: Cấu trúc tập trung ứng suất hình Ellipe . 20 Hình 20: Cấu trúc tập trung ứng suất hình chữ nhật 21 Hình 21: Cấu trúc tập trung ứng suất dạng tròn . 21 Hình 22: Giao diện phần mềm COMSOL Multiphysic 22 Hình 23: Thanh dầm cảm biến Cantilever hình L . 23 Hình 24: Ứng suất dầm chưa có lực tác dụng 24 Hình 25: Phân bố ứng suất dầm có lực tác dụng 24 Hình 26: Biểu đồ phân bố ứng suất biến trở RL1, RL2 25 Hình 27: Phân bố ứng suất áp trở RL1, RL2 cấu trúc tập trung ứng suất Ellipe . 26 Hình 28: Phân bố ứng suất áp trở RL1, RL2 cấu trúc tập trung ứng suất tròn 26 Hình 29: Phân bố ứng suất áp trở RL1, RL2 cấu trúc tập trung ứng suất chữ nhật27 Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ Hình 30: Tác dụng lực lên dầm cảm biến theo phương Z 28 Hình 31: Phân bố ứng suất áp trở không sử dụng cấu trúc tập trung áp lực chịu tác dụng lực theo phương Z 28 Hình 32: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Z cấu trúc tập trung áp lực Ellipe . 29 Hình 33: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Z cấu trúc tập trung áp lực dạng trụ 29 Hình 34: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Z cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật 30 Hình 35: Thanh dầm chịu tác dụng lực theo phương Y 31 Hình 36: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Y cấu trúc tập trung ứng suất . 31 Hình 37: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Y cấu trúc tập trung áp lực Ellipe . 32 Hình 38: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Y cấu trúc tập trung áp lực dạng trụ 32 Hình 39: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Y cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật 33 Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Hệ số áp trở Silic đơn tinh thể với nồng độ pha tạp định . 16 Bảng 2: Hệ số áp trở theo phương 16 Bảng 3: Thông số hình học vi cảm biến áp lực ba chiều 23 Bảng 4: Giá trị ứng suất cực đại áp trở (Cấu hình ngang) 27 Bảng 5: Giá trị ứng suất cực đại áp trở (Cấu hình dọc) 30 Bảng 6: Giá trị ứng suất cực đại áp trở (Cấu hình dài) . 33 Học viên: Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ Trong đó: - : hệ số áp trở Silic hướng - : Ứng suất dọc - : Ứng suất ngang - t: Độ dày dầm - : Tỷ lệ Poisson - : Hệ số điều chỉnh cho độ dày áp điện trở Từ công thức ta thấy mối quan hệ ứng suất bề mặt độ biến thiên trở kháng phụ thuộc vào số vật lý yếu tố hình học. Tỷ số thuộc vào độ chênh lệch ứng suất dọc ngang ( − ∆ phụ ). Luận văn tiến hành nghiên cứu phương pháp tăng ứng suất cách đưa cấu trúc tập trung ứng suất (dạng đục lỗ) vào cấu trúc cảm biến. [1] Các cấu trúc tập trung ứng suất có dạng Elippe, hình tròn hình chữ nhật thể hình vẽ sau. Hình 19: Cấu trúc tập trung ứng suấthình Ellipe Luận văn thạc sỹ Hình 20: Cấu trúc tập trung ứng suất hình chữ nhật Hình 21: Cấu trúc tập trung ứng suất dạng tròn Luận văn thạc sỹ 3.Phần mềm COMSOL MULTIPHYSIC Đề tài sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysic để tiến hành mô vi cảm biến áp lực ba chiều. Phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán mô phỏng, ý tưởng phương pháp chia nhỏ cấu trúc thành tập hữu hạn miền liền không liên kết hoàn toàn với mặt biên chúng. Các tham số độ dịch chuyển, ứng suất, . tính toán xác định miền con. Mỗi miền gọi phần tử hữu hạn. Mô hình phần tử hữu hạn cảm biến chia lưới dày đặc dầm nhằm tính toán xác ứng suất phân bố phần tử. Phần mềm COMSOL Multiphysic có môi trường mô cho tất bước trình làm mẫu. Từ chọn hình, vật liệu xác định tính chất vật liệu, chia lưới cài đặt điều kiện nguồn điều kiện cho hệ vật lý cụ thể. Nhờ giao diện vật lý thiết kế cho ứng dụng khác (từ dong chảy, truyền nhiệt,các kết cấu khí, ) nên mô hình thiết lập nhanh chóng. Ngoài khả tự tùy chỉnh, phần mềm liên kết với nhiều giao diện vật lý khác Matlab, AutoCad, . Hình 22: Giao diện phần mềm COMSOL Multiphysic Luận văn thạc sỹ 4. Mô vi cảm biến lực ba chiều Thông số dầm cảm biến: Phần tử Dầm I1 Dầm I2 Phần đặt lực Áp điện trở Đại lượng Ký hiệu Giá trị (µm) Chiều dài L1 500 Chiều rộng W1 60 Chiều cao H1 30 Chiều dài L2 800 Chiều rộng W2 60 Chiều cao H2 30 Chiều dài L3 10 Chiều rộng W3 60 Chiều cao H3 30 Chiều dài LR 50 Chiều rộng WR Chiều cao HR Bảng 3: Thông số hình học vi cảm biến áp lực ba chiều Sử dụng phần mềm mô COMSOL Multiphysic thiết kế cảm biến. Thanh dầm cảm biến có dạng chữ L thể hình 23. Đầu dầm bên trái đặt cố định không di chuyển được. Khi lực đặt lên đầu bên phải cấu trúc dầm, hai phần dầm bị cong. Khi đó, phân bố ứng suất gốc hai phần dầm thể cường độ lực chiều lực. Trong nghiên cứu này, phần mềm COMSOL sử dụng để mô thay đổi ứng suất dầm. Hình 23: Thanh dầm cảm biến Cantilever hình L Học viên: Phạm Hữu Thành 23 Luận văn thạc sỹ 4.1 Cấu hình ngang (Tác dụng theo phương X) 4.1.1 Áp trở không sử dụng cấu trúc tập trung ứng suất Phân bổ ứng suất dầm chưa có lực tác dụng thể hình 24. Toàn dầm phân bố màu. Hình 24: Ứng suất dầm chưa có lực tác dụng Khi đặt lực theo trục X lên đầu bên phải, ứng suất phân bố dầm thể hình 25. Hình 25: Phân bố ứng suất dầm có lực tác dụng Luận văn thạc sỹ Từ hình 25 ta thấy, ứng suất tập trung góc dầm. Đồ thị biểu diễn ứng suất dầm vị trí điện trở rõ hình 26. RL1 RL2 Hình 26: Biểu đồ phân bố ứng suất biến trở RL1, RL2 4.1.2 Cảm biến sử dụng cấu trúc tập trung áp lực Ellipe Với phương pháp đặt lực mô cấu trúc trên, cấu trúc lỗ dạng ellipe đặt vào cấu trúc áp điện trở. Các cấu trúc cấu trúc tập trung ứng suất làm cho điện trở thay đổi lớn hơn. Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2 thể hình 27. Ta thấy ứng suất vị trí cạnh lỗ ứng suất tăng lên mạnh. Cấu trúc cho độ thay đổi điện trở đầu lớn so sánh với cấu trúc cấu trúc tập trung ứng suất. Luận văn thạc sỹ RL1 RL2 Hình 27: Phân bố ứng suất áp trở RL1, RL2 cấu trúc tập trung ứng suất Ellipe 4.1.3 Cảm biến sử dụng cấu trúc tập trung áp lực hình tròn Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2 thể hình 28. Ta thấy cấu trúc hình tròn cho thay đổi ứng suất cạnh lỗ. RL1 RL2 Hình 28: Phân bố ứng suất áp trở RL1, RL2 cấu trúc tập trung ứng suất tròn Luận văn thạc sỹ 4.1.4 Cảm biến sử dụng cấu trúc tập trung áp lực hình chữ nhật Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2được thể hình 29. Ta thấy cấu trúc hình chữ nhật cho thay đổi ứng suất cạnh lỗ. RL1 RL2 Hình 29: Phân bố ứng suất áp trở RL1, RL2 cấu trúc tập trung ứng suất chữ nhật Bảng4 thể tổng ứng suất 50 điểm phân bố chiều dài cảm biến.Từ bảng thấy thay đổi ứng suất lớn cảm biến sử dụng cấu trúc tập trung ứng suất. Cấu trúc tập trung áp lực Áp trở RL1 Áp trở RL2 Ứng suất Tăng/giảm Ứng suất Tăng/giảm 3,28E10 0% 3,73E10 0% 1,05E11 220% 1,05E11 181% Cấu trúc tập trung áp lực hình trụ 7,27E11 121% 7,56E11 102% Cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật 8,05E11 145% 8,34E11 123% Không sử dụng cấu trúc tập trung áp lực Cấu trúc tập trung áp lực Ellipe Bảng 4: Giá trị ứng suất cực đại áp trở (Cấu hình ngang) Luận văn thạc sỹ 4.2 Cấu hình dọc (Tác dụng lực theo phương Z) 4.2.1 Áp trở không sử dụng cấu trúc tập trung ứng suất Khi đặt lực theo trục Z lên đầu bên phải, ứng suất phân bố dầm thể hình 30. Hình 30: Tác dụng lực lên dầm cảm biến theo phương Z Đồ thị phân bố ứng suất vị trí hai điện trở dầm thể hình 31. Hình 31: Phân bố ứng suất áp trở không sử dụng cấu trúc tập trung áp lực chịu tác dụng lực theo phương Z Luận văn thạc sỹ 4.2.2 Cấu trúc tập trung áp lực dạng Elipe Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2 thể hình 32. Ta thấy cấu trúc hình ellipe cho thay đổi ứng suất cạnh lỗ. Hình 32: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Z cấu trúc tập trung áp lực Ellipe 4.2.3 Cấu trúc tập trung ứng suất dạng tròn Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2 thể hình 33. Ta thấy cấu trúc hình tròn cho thay đổi ứng suất cạnh lỗ. Hình 33: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Z cấu trúc tập trung áp lực dạng trụ Luận văn thạc sỹ 4.2.4 Cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2 thể hình 34. Ta thấy cấu trúc hình chữ nhật cho thay đổi ứng suất cạnh lỗ. Hình 34: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Z cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật Tổng ứng suất 50 điểm phân bố theo chiều dài cảm biến cho bảng sau: Cấu trúc tập trung áp lực Không sử dụng cấu trúc tập trung áp lực Cấu trúc tập trung áp lực Ellipe Cấu trúc tập trung áp lực hình trụ Cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật Áp trở RL1 Áp trở RL2 Ứng suất Tăng/giảm Ứng suất Tăng/giảm 6,69E10 0% 8,54E10 0% 2,13E11 218% 2,46E11 188% 1,48E11 121% 1,73E10 102% 1,64E11 145% 1,92% 125% Bảng 5: Giá trị ứng suất cực đại áp trở (Cấu hình dọc) Luận văn thạc sỹ 4.3 Cấu hình dài (Tác dụng lực theo phương Y) 4.2.1 Áp trở không sử dụng cấu trúc tập trung áp lực Khi đặt lực theo trục Y lên đầu bên phải, ứng suất phân bố dầm thể hình 35. Hình 35: Thanh dầm chịu tác dụng lực theo phương Y Đồ thị phân bố ứng suất vị trí hai điện trở dầm thể hình 36. RG1 RG2 Hình 36: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Y cấu trúc tập trung ứng suất Luận văn thạc sỹ 4.3.2 Cấu trúc tập trung áp lực dạng Elipe Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2 thể hình 37. Ta thấy cấu trúc hình ellipe cho thay đổi ứng suất cạnh lỗ. RG1 RG2 Hình 37: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Y cấu trúc tập trung áp lực Ellipe 4.3.3 Cấu trúc tập trung áp lực dạng tròn Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2 thể hình 38. Ta thấy cấu trúc hình tròn cho thay đổi ứng suất cạnh lỗ. RG1 RG2 Hình 38: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Y cấu trúc tập trung áp lực dạng trụ Luận văn thạc sỹ 4.3.4 Cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật Biểu đồ phân bố ứng suất áp trở RL1 RL2 thể hình 39. Ta thấy cấu trúc hình chữ nhật cho thay đổi ứng suất cạnh lỗ. RG1 RG2 Hình 39: Phân bố ứng suất cảm biến tác dụng theo phương Y cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật Tương tự trường hợp trên. Số liệu bảng cho thấy thay đổi lớn cảm biến sử dụng cấu trúc tập trung áp lực. Cấu trúc tập trung áp lực Áp trở RG1 Áp trở RG2 Giá trị cực đại Tăng/giảm Giá trị cực đại Tăng/giảm 6,10E9 0% 6,04E9 0% 6,39E10 947% 6,4E10 960% Cấu trúc tập trung áp lực hình trụ 4,51E10 639% 4,50E10 645% Cấu trúc tập trung áp lực dạng chữ nhật 4,95E10 711% 4,96E10 721% Không sử dụng cấu trúc tập trung áp lực Cấu trúc tập trung áp lực Ellipe Bảng 6: Giá trị ứng suất cực đại áp trở (Cấu hình dài) Luận văn thạc sỹ KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thiết kế mô cấu trúc cảm biến lực ba chiều dựa cấu trúc dầm áp điện trở. Học viên thực số nội dung sau: - Hiểu hoạt động cấu trúc cảm biến lực ba chiều với dầm hình chữ L. - Đã tìm hiểu đáp ứng dầm đặt số cấu trúc tập trung ứng suất điện trở hình ellipe, hình tròn hình chữ nhật. - Đã tiến hành mô cấu trúc vi cảm biến lực ba chiều, kết thu phù hợp với lý thuyết. Việc thực hoàn thiện luận văn cung cấp cho nhiều kiến thức vi cảm biến lực ba chiều đồng thời có nhìn tương đối toàn diện vi cảm biến lực đa chiều. Trong thời gian tới, tập trung phát triển cấu trúc cách nghiên cứu thêm ảnh hưởng cấu trúc tập trung ứng suất với hình dạng khác. Một vấn đề quan trọng cần nghiên cứu mật độ cấu trúc điện trở tác động nhiều đến phân bố ứng suất. Học viên: Phạm Hữu Thành 34 Luận văn thạc sỹ Tài liệu tham khảo 1. Huỳnh Thị Thùy Linh, “Nghiên cứu, thiết kế, mô vi cảm biến lực áp điện trở,” Luận văn thạc sĩ, Kỹ thuật điện tử, Trường Đại học Công nghệ, 2013. 2. Trần Minh Vũ, “Nghiên cứu, thiết kế, mô vi cảm biến áp điện trở,” Luận văn thạc sĩ, Kỹ thuật điện tử, Trường Đại học Công nghệ, 2013. 3. H. M. Công, “Giáo trình cảm biến công nghiệp,” NXB Xây dựng, 2007. 4. T. Chu Duc, J. F. Creemer, and Pasqualina M. Sarro, “Piezoresistive Cantilever Beam for Force Sensing in Two Dimensions”, IEEE Sensors Journal, vol.7, no.1, 2007, p.1546-1555. 5. Jia Wei, “Silicon MEMS for Detection of Liquid and Solid Fronts,” Delft University of Technology thesis, 2010. 6. Stephen D. Sentunia, “Microsystem Design”, Kluwer Acedamic Publishers, 2001. Học viên: Phạm Hữu Thành 35 [...]... ⃗ Mô hình cảm biến là ba chiều được thiết kế với mục đích đo được các lực tác dụng theo cả 3 chiều X,Y và Z CẢM BIẾN Fx, Fy,Fz Vx, Vy, Vz Hình 16: Mô hình cảm biến lực 3 chiều Học vi n: Phạm Hữu Thành 17 Luận văn thạc sỹ CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN LỰC BA CHI TK C CHIỀU 1 Vi cảm biến lực ba chiều c chi Hình 17: Cấu trúc hinh học vi cảm biến ba chiều 17 Hình 17 mô tả cấ trúc của vi cảm biến. .. là nghiên cứu thiết kế một cảm biến lực ba chiều dựa trên thanh dầm hình chữ L có gắn các cảm biến áp điện trở Các áp điện trở sau đó được thay đổi sử dụng phương pháp đục các lỗ để tập trung ứng suất Các lỗ tập trung ứng suất làm tăng độ nhạy của các cảm biến lực này Các lỗ tập trung ứng suất có dạng hình ellipe, hình tròn và hình chữ nhật CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN LỰC ÁP ĐIỆN TRỞ 1 Hiện tượng áp điện trở. .. nhiều chiều rất quan trọng đặc biệt là trong các hệ thống mổ nội soi hoặc mổ tế bào sống Các cảm biến lực có cấu trúc thanh dầm được sử dụng rất phổ biến trong các cấu trúc vi cảm biến Độ lớn của lực tác dụng có thể tính toán nhờ theo dõi độ lệch của dầm Các loại cảm biến lực phổ biến hiện nay là cảm biến kiểu tụ, cảm biến áp điện, cảm biến laser quang, cảm biến áp điện trở 2 Cảm biến lực Cảm biến là thiết. .. phương pháp đặt lực và mô phỏng như ở cấu trúc trên, ở cấu trúc này các lỗ dạng ellipe được đặt vào các cấu trúc áp điện trở Các cấu trúc này sẽ là các cấu trúc tập trung ứng suất và do đó sẽ làm cho điện trở thay đổi lớn hơn Biểu đồ phân bố ứng suất trên áp trở RL1 và RL2 thể hiện trên hình 27 Ta thấy ứng suất tại vị trí cạnh các lỗ ứng suất tăng lên khá mạnh Cấu trúc này cho độ thay đổi điện trở đầu... sỹ Vi cảm biến áp suất là một trong những sản phẩm đầu tiên và quan trọng nhất của MEMS Sau đó, các vi cảm biến như gia tốc, gyroscope, vi cảm biến DNA lần lượt được giới thiệu và đã được ứng dụng rộng rãi hiện nay Các vi cảm biến nêu trên về cơ bản được thiết kế trên nền tảng vi cảm biến lực một chiều hoặc kết hợp nhiều vi cảm biến lực một chiều Tuy nhiên, trong thực tế yêu cầu phải có vi cảm biến lực. .. điện trở trên đế silicon Hình 7 là một ảnh SEM của cảm biến Hình 7: Ảnh SEM của một cảm biến lực áp điện trở 3.4 Cảm biến lực laser quang Vi cảm biến laser quang thường được sử dụng trong các kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy – AFM) và các thiết bị đo có độ phân giải cao Luận văn thạc sỹ AFM là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực. .. cảm biến: Phần tử Đại lượng W1 60 H1 30 Chiều dài L2 800 Chiều rộng W2 60 Chiều cao H2 30 Chiều dài L3 10 Chiều rộng W3 60 Chiều cao H3 30 Chiều dài LR 50 Chiều rộng WR 2 Chiều cao Áp điện trở 500 Chiều cao Phần đặt lực L1 Chiều rộng Dầm I2 Giá trị (µm) Chiều dài Dầm I1 Ký hiệu HR 1 Bảng 3: Thông số hình học của vi cảm biến áp lực ba chiều Sử dụng phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysic thiết kế cảm biến. .. liệu biến dạng cơ là mảng mỏng hay cấu trúc thanh dầm, khi đó phần tử áp điện trở được cấy trên vật biến dạng cơ và mạch điện xử lý bên ngoài được thiết kế một cách thích ứng Hình 6: Vi cảm biến lực áp điện trở [4] Cảm biến lực áp điện trở có ưu điểm là thời gian sử dụng dài, giá thành sản xuất thấp tuy nhiên độ chính xác chưa cao do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường Hình 6 thể hiện một cảm biến lực áp. .. điện tích trái dấu Độ lớn của lực tác dụng tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai bản cực Hình 5 thể hiện cấu trúc của một cảm biến lực áp điện, khi lực thay đổi điện tích trên hai bản cực thay đổi Hình 5: Một cảm biến áp điện 3.3 Vi cảm biến lực áp điện trở Hiệu ứng áp điện trở là hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu dẫn dưới tác dụng của của một ứng suất cơ học Nguyên nhân đó là do đặc tính... với cấu trúc không có cấu trúc tập trung ứng suất Luận văn thạc sỹ RL1 RL2 Hình 27: Phân bố ứng suất trên áp trở RL1, RL2 trong cấu trúc tập trung ứng suất Ellipe 4.1.3 Cảm biến sử dụng cấu trúc tập trung áp lực hình tròn Biểu đồ phân bố ứng suất trên áp trở RL1 và RL2 được thể hiện trên hình 28 Ta thấy cấu trúc hình tròn cũng cho thay đổi ứng suất tại cạnh các lỗ RL1 RL2 Hình 28: Phân bố ứng suất trên . NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VI CẢM BIẾN LỰC BA CHIỀU DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ ÁP ĐIỆN TRỞ VÀ CẤU TRÚC TẬP TRUNG ÁP LỰC Ngành: Công nghệ Điện tử - Vi n thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện. - MEMS 1 2. Cảm biến lực 2 3. Một số cảm biến lực cơ bản 3 3.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ 3 3.2 Vi cảm biến lực áp điện 4 3.3 Vi cảm biến lực áp điện trở 4 3.4 Cảm biến lực laser quang. 5. Cảm biến lực áp điện trở 11 6. Vật liệu chế tạo áp điện trở 14 Luận văn thạc sỹ Học vi n: Phạm Hữu Thành 7. Vi cảm biến áp điện trở ba chiều 17 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN