1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ĐỖ ANH TOẢN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG ĐỘ NHẠY CAO PHÙ HỢP VỚI CÔNG NGHỆ ĂN MÒN KHÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT HÀ NỘI, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ĐỖ ANH TOẢN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG ĐỘ NHẠY CAO PHÙ HỢP VỚI CÔNG NGHỆ ĂN MÒN KHÔ Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã số: 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Văn Dũng HÀ NỘI, 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan với Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ đề tài tự nghiên cứu, tìm hiểu hướng dẫn, góp ý bảo tận tình thầy hướng dẫn PGS.TS Đinh Văn Dũng Kết đề tài trung thực không trùng hợp với kết đề tài khác Nếu sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả luận văn Đỗ Anh Toản LỜI CẢM ƠN Lời cho phép xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đinh Văn Dũng định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường, phòng Sau đại học, thầy cô Bộ môn Vật lý chất rắn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường THPT Yên Lạc tạo điều kiện thuận lợi thời gian công việc cho trình học tập Xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè ủng hộ động viên, nhờ tận tâm nhiệt thành người mà hoàn thành luận văn Tác giả luận văn Đỗ Anh Toản MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn MỤC LỤC Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VI CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG 10 1.1 áp suất cảm biến áp suất 10 1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS kiểu tụ tiêu biểu 12 1.3 Vật liệu công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS 13 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC CẢM BIẾN XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS 23 2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến 23 2.2 Xây dựng chương trình mô 24 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Phân bố độ lệch 35 3.2 Phân bố ứng suất 39 3.3 Đặc trưng biến đổi điện dung 47 3.4 Độ nhạy cảm biến 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 54 DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1 Quan hệ đơn vị đo áp suất 11 Bảng 2.1 Dữ liệu sử dụng mô 33 Bảng 3.1 Mối quan hệ áp suất - điện dung 48 Bảng 3.2 Sự thay đổi áp suất - điện dung 50 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1 Sơ đồ vi cảm biến kiểu tụ 12 Hình 1.2 Một số vi cảm biến cấu trúc màng kiểu tụ tiêu biểu 13 Hình 1.3 Đường cong ứng suất - biến dạng 14 Hình 1.4 Tải đơn trục biến dạng 15 Hình 1.5 Đường cong biến dạng đàn hồi: Sự chuyển nhanh 17 sang miền ứng suất tới hạn đứt gãy silic Hình 1.6 sơ đồ khối hệ thống 19 Hình 1.7 Minh họa hốc ăn mòn công nghệ vi khối 21 10 11 12 13 ướt Hình 1.8 Một số cấu trúc chế tạo công nghệ vi khối 22 ăn mòn khô Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc màng cảm biến áp suất kiểu tụ dạng 24 màng vuông, góc mỏng Hình 2.2 Sơ đồ giải toán khoa học kỹ thuật 25 Hình 2.3 Sơ đồ tính toán phương pháp FEM 29 Hình 2.4 Tổng quan cấu trúc tính 31 ANSYS Hình 3.1 Đồ hoạ phân bố độ lệch theo phương Oz, Đồ hoạ 37 chiều độ lệch tải áp suất 2atm: Hình.3.1a,b màng dày 14 đều; Hình.3.1c,d màng bốn góc mỏng Hình 3.2 Sự phụ thuộc độ lệch cực đại theo trục oz 15 38 màng cảm biến vào áp suất tác dụng Hình 3.3 Đồ hoạ ứng suất cảm biến áp suất, màng có dạng phẳng đều, tải áp suất 2atm: Hình 3.3a Thành 40 phần ứng suất sx; Hình 3.3b Thành phần ứng suất sy; Hình 3.3c Thành phần ứng suất trượt txy 16 Hình 3.4 Đồ hoạ ứng suất cảm biến áp suất, màng có dạng góc mỏng, tải áp suất 2atm: Hình 3.4a Thành 41 phần ứng suất sx; Hình 3.4b Thành phần ứng suất sy; Hình 3.4c Thành phần ứng suất trượt txy 17 Hình 3.5 Phân bố ứng suất thẳng góc sx ;(a)Màng dày đều, (b) Màng góc mỏng 18 Hình 3.6 Sự phụ thuộc ứng suất sx vào áp suất màng dày màng góc mỏng 19 23 44 Hình 3.9 Phân bố ứng suất trượt txy ; (a) Màng dày (b) Màng góc mỏng 22 44 Hình 3.8 Sự phụ thuộc ứng suất sy vào áp suất màng dày màng góc mỏng 21 43 Hình 3.7 Phân bố ứng suất thẳng góc sy ; (a) Màng dày (b) Màng góc mỏng 20 42 45 Hình 3.10 Sự phụ thuộc ứng suất txy vào áp suất màng dày màng góc mỏng 46 Hình 3.11 Sự phụ thuộc điện dung vào tải áp suất cảm biến 49 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cảm biến đo áp suất quan tâm nghiên cứu nhiều trung tâm giới với ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đo lường, dự báo thời tiết, thiết bị sử dụng ngành hàng không, hàng hải, thiết bị sử dụng thể dục thể thao, khí tài quân v.v…Đã có nhiều loại thành phẩm cảm biến đo áp suất chế tạo dựa công nghệ khác thương mại hóa thị trường Trong số đó, cảm biến đo áp suất chế tạo dựa công nghệ MEMS giành thị phần đáng kể thể ưu điểm trội với khả đặc biệt công nghệ giá thành sản phẩm Một số nhóm nghiên cứu nước phát triển công nghệ linh kiện MEMS ĐHBK Hà Nội, ĐH công nghệ Hà Nội, Viện khoa học công nghệ Việt Nam quan tâm tới cảm biến áp suất Vấn đề cải tiến nâng cao chất lượng tính ưu việt cảm biến đo áp suất chế tạo dựa công nghệ MEMS chủ đề thu hút quan tâm Việc chế tạo cảm biến kích thước thu nhỏ đảm bảo chức hoạt động cảm biến có kích thước lớn(thậm chí cải thiện) có ý nghĩa lớn khoa học thực tiễn: thúc đẩy việc liên tục cải tiến công nghệ; vật liệu chế tạo sử dụng hơn, giúp phần hạ giá thành sản phẩm; không gian dành cho thành phẩm đóng gói thu nhỏ hơn; lượng trì hoạt động linh kiện tiêu tốn hơn, kéo dài thời gian sử dụng nguồn nuôi.v.v…Vì thế, việc thực đề tài chế tạo cảm biến đo áp suất kích thước nhỏ dựa công nghệ MEMS khối mang ý nghĩa thời sự, ý nghĩa khoa học thực tiễn, mở khả phát triển công nghệ MEMS để chế tạo cảm biến đo áp suất kích thước nhỏ, khả phát triển ứng dụng cảm biến Cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung linh kiện tích hợp - điện Cấu trúc cảm biến gồm màng mỏng gọi phần tử nhạy phủ lớp kim loại mỏng làm cực thứ tụ điện lớp kim loại khác phủ lên đế cố định làm cực thứ hai, gắn phần tử nhạy với đế thích hợp cho hai nằm đối diện tạo tụ điện có điện dung thay đổi Khi áp suất tác động vào phần tử nhạy, uốn cong phần tử nhạy làm cho khoảng cách hai tụ điện thay đổi điện dung tụ thay đổi theo Đó nguyên lí chuyển đổi tín hiệu sang tín hiệu điện kiểu điện dung Để cải thiện phân bố độ lệch vùng làm việc tuyến tính cảm biến, đồng thời nâng cao độ nhạy cho cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung, đề xuất thiết kế cảm biến sử dụng cấu trúc màng vuông góc mỏng thay cho màng phẳng Trên sở cấu trúc cảm biến áp suất màng phẳng truyền thống, khu vực góc màng nơi xuất ứng suất học nhỏ khu vực tâm màng khu vực khác, bề dày màng thiết kế nhỏ phần khác Đáp ứng tín hiệu cảm biến tải áp suất nhờ cải thiện tốt Màng có tâm cứng: kích thước màng 3x3 mm, tâm cứng 2x2mm, độ dày màng 20 mm , độ dày góc mỏng màng 10 mm , độ dày tâm cứng 380 mm Màng có độ dày khác nhau, Việc chế tạo màng có độ dày khác khó thực công nghệ ăn mòn ướt hay nói cách khác không điều khiển xác ăn mòn ướt Cấu trúc màng thực công nghệ ăn mòn khô thông số cấu trúc phự hợp với công nghệ ăn mòn khô viện ITIM Vì đề tài “ Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung độ nhạy cao phù hợp với công nghệ ăn mòn khô ’’được đặt cho luận văn 44 (a) (b) Hình 3.7 Phân bố ứng suất thẳng góc sy ; (a) Màng dày (b) Màng góc mỏng Các kết thu từ mô cho thấy áp suất tác dụng vào màng tăng ứng suất sy màng góc mỏng lớn màng phẳng ứng với tải áp suất đặt vào 0.9 ø ng suÊt sy x 10-3 (N/mm2) 0.8 0.7 Màng góc mỏng Màng dày 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 áp suất (atm) Hình 3.8 Sự phụ thuộc ứng suất sy vào áp suất màng dày màng góc mỏng 45 Xử lí kết thu từ toán mô ta có hình 3.8 biểu diễn phụ thuộc ứng suất sy vào áp suất màng dày màng góc mỏng Đồ thị ứng suất vuông góc theo trục Oy hai cấu trúc màng cho thấy, áp suất đặt vào màng tăng ứng suất tăng, phụ thuộc tuyến tính hai cấu trúc màng Kết mô dải áp suất đặt vào - atm ứng suất theo trục Oy của màng góc mỏng lớn so với màng dày Cụ thể tải áp suất đặt vào màng atm ứng suất theo Trục oy màng dày 0.618 x 10-3 N/mm2 màng góc mỏng 0.673 x 10-3 N/mm2 Đối với thành phần ứng suất trượt txy thay đổi cấu trúc màng dày cấu trúc màng góc mỏng ta thấy tải áp suất đặt vào thành phần ứng suất có thay đổi Từ kết thu toán mô ứng suất trượt txy màng góc mỏng lớn so với màng phẳng Nhưng thành phần ứng suất nhỏ so với thành phần ứng suất vuông góc sx, sy nên không ảnh hưởng tới độ bền cấu trúc (hình 3.9) (a) (b) Hình 3.9 Phân bố ứng suất trượt txy ; (a) Màng dày (b) Màng góc mỏng 46 Trên hình 3.10 biểu diễn kết phụ thuộc ứng suất trượt txy vào áp suất cấu trúc màng dày màng góc mỏng Ở áp suất atm ứng suất trượt màng dày 0.155 x 10-3 N/mm2, màng có góc mỏng 0.247 x 10-3 N/mm2 (hình 3.10), so với ứng suất lớn áp suất 0.673 x 10-3 N/mm2 rõ ràng không làm ảnh hưởng tới cấu trúc màng 0.9 ø ng suÊt txy x 10-3 (N/mm2) 0.8 0.7 Màng góc mỏng Màng dày 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 ¸ p suÊt (atm) Hình 3.10 Sự phụ thuộc ứng suất txy vào áp suất màng dày màng góc mỏng Trong phần mô xác định ứng suất phá huỷ hai cấu trúc màng.Với ứng suất phá huỷ silic đơn tinh thể 6.10-3 N/mm2 hai cấu trúc màng chịu tải áp suất 10 atm Đây kết mô lý thuyết, thực tế để chế tạo cảm biến người ta chọn vùng làm việc khoảng 20% ứng suất phá huỷ tương đương atm Dải áp suất chọn để khảo sát đặc trưng hoạt động cảm biến áp suất MEMS kích thước nhỏ 47 3.3 Đặc trưng biến đổi điện dung Đối với cảm biến MEMS kiểu điện dung, dịch chuyển tâm cứng màng tác dụng áp suất xác định thông qua thay đổi điện dung tụ điện tích hợp cấu trúc Bằng cách phủ màng kim loại mỏng lên bề mặt tâm cứng màng làm cực tụ điện, đế phẳng khác phủ màng mỏng kim loại làm cực thứ hai, gắn khung đế tâm cứng màng với khung đế cực thứ hai, ta tạo cấu trúc tụ điện dạng tụ phẳng Dịch chuyển tâm cứng màng tác dụng áp suất tương ứng làm thay đổi khoảng cách hai tụ, tức làm thay đổi điện dung tụ điện Điện dung tụ phẳng xác định theo công thức: C= εS k 4pd (3.1) Trong số k= 9.109 (m/F), e = , S diện tích tụ, d khoảng cách hai tụ Các tụ điện chuyển đổi tín hiệu cảm biến áp suất MEMS chế tạo với khoảng cách hai tụ vào khoảng 10 - 15 mm Các thiết bị đo có khả phân giải điện dung cỡ pi-cô Fara Dựa sở này, chọn khoảng cách ban đầu hai tụ d0 = 15 mm làm thông số đầu vào toán mô điện dung Khi có tải áp suất, tâm cứng màng dịch chuyển làm khoảng cách d hai tụ thay đổi Khoảng cách d xác định dựa vào toán mô chuyển vị Khoảng cách hai tụ ứng với tải áp suất xác đinh bởi: d = d0 ± Dd (3.2) đó, Dd độ lệch tâm cứng màng, xác định từ toán mô độ lệch Dựa công thức (3.1) giá trị điện dung tụ điện ứng với 48 giá trị tải áp suất xác định Kết mô trình bày hình 3.11 Ta có bảng thống kê: Màng mỏng góc Màng dày P(atm) C(pF) P(atm) C(pF) 2,358 2,358 0,2 2,577 0,2 2,587 0,4 2,842 0,4 2,866 0,6 3,167 0,6 3,212 0,8 3,578 0,8 3,654 4,109 4,236 1,2 4,826 1,2 5,039 1,4 5,845 1,4 6,217 1,6 7,412 1,6 8,113 1,8 10,123 1,8 11,676 15,967 20,829 Bảng 3.1 Mối quan hệ áp suất - điện dung 49 22 20 18 16 §iÖn dung C (pF) 14 Màng góc mỏng Màng dày 12 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 ¸ p suÊt (atm) Hình 3.11 Sự phụ thuộc điện dung vào tải áp suất cảm biến Có thể nhận thấy, tăng tải áp suất tác dụng lên màng, phạm vi lời giải tuyến tính, chuyển vị tâm cứng tăng tuyến tính Khoảng cách hai tụ giảm giảm theo qui luật tuyến tính Giá trị điện dung tụ tỉ lệ nghịch với thay đổi khoảng cách hai tụ, điện dung tăng theo dạng hàm hy-pe-bol Các kết thu từ toán mô điện dung phù hợp với phân tích Các kết hình 3.11 cho thấy, phạm vi áp suất - atm, điện dung tụ điện thay đổi khoảng từ 2,358 pF đến 15,967 pF màng mỏng bốn góc, khoảng từ 2,358pF đến 20,829 pF màng dày màng mỏng bốn góc điện dung lớn điều chứng tỏ cảm biến màng mỏng bốn góc có độ nhạy cao 50 3.4 Độ nhạy cảm biến Độ nhạy cảm biến kiểu điện dung xác định tỉ số độ biến thiên điện dung với độ lệch cực đại gọi s độ nhạy cảm biến ta có: s= DC Dp Đối với tụ điện phụ thuộc vào khoảng cách d độ biến thiên điện dung DC phi tuyến Màng dày Màng góc mỏng DP (atm) DC (pF) DP (atm) DC (pF) - 0,2 0,2194 - 0,2 0,229 0,2 - 0,4 0,265 0,2 - 0,4 0,279 0,4 - 0,6 0,325 0,4 - 0,6 0,346 0,6 - 0,8 0,411 0,6 - 0,8 0,442 0,8 - 0,351 0,8 - 0,582 -1,2 0,717 -1,2 0,803 1,2 - 1,4 1,019 1,2 - 1,4 1,178 1,4 -1,6 1,567 1,4 -1,6 1,896 1,6 - 1,8 2,771 1,6 - 1,8 3,563 1,8 - 5,844 1,8 - 9,153 0-2 13,609 0-2 18,471 Bảng 3.2 Sự thay đổi áp suất - điện dung 51 Giải áp suất tăng từ - atm độ nhạy: Màng đều: s= DC C - C 13,609 = = = 6,80 (pF/atm) Dp Dp Màng góc mỏng: S = DC C - C 18,471 = = = 9,23 (pF/atm) Dp Dp Từ kết tính toán ta thấy độ nhạy màng góc mỏng lớn màng S > s 52 KẾT LUẬN Các kết đạt từ luận văn “ Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu diện dung độ nhạy cao phù hợp với cụng nghệ ăn mòn khô ’’cho phép rút số kết luận sau: - Đã phát triển cấu trúc cảm biến áp suất dựa cấu trúc màng cảm biến áp suất MEMS dạng phẳng Đó cấu trúc màng có góc mỏng Trên cấu trúc màng cảm biến áp suất phẳng, khu vực góc màng nơi xuất ứng suất học nhỏ khu vực tâm màng, bề dày thiết kế nhỏ phần khác Thiết kế khả thi với quy trình công nghệ ăn mòn khô để chế tạo linh kiện - Đã mô đặc trưng tính màng cảm biến tải áp suất phân bố độ lệch, phân bố ứng suất, ứng suất cực đại màng vùng làm việc tuyến tính dựa phần mềm ANSYS So với cấu trúc màng phẳng, màng cảm biến góc mỏng có đặc trưng đáp ứng học tải áp suất cải thiện tốt Dưới tải áp suất, màng có góc mỏng có độ lệch màng lớn hơn, ứng suất tăng không đáng kể Độ lệch màng thay đổi tuyến tính theo áp suất - Đã mô đặc trưng biến đổi điện dung Đối với màng góc mỏng, độ thay đổi điện dung lớn so với màng phẳng tải áp suất Độ nhạy cảm biến màng góc mỏng cao màng phẳng - Dựa kết thiết kế, nhóm thực nghiệm sử dụng để triển khai quy trình công nghệ chế tạo cảm biến áp suất kiểu điện dung với phẩm chất linh kiện tính toán cải thiện so với cảm biến cấu trúc truyền thống 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đinh Văn Dũng(2004), Nghiên cứu chế tạo cảm biến vi sở hiệu ứng áp trở, Luận án tiến sĩ Vật lý, Thư viện Trường ĐHSP Hà Nội [2] Đ V Dũng, V N Hùng, L V D Khương , T Q Thông, N Đ Chiến (6/ 2000), “ Kỹ thuật giải toán độ lệch màng khảo sát số thông số vật lý sensor áp suất kiểu áp trở phương pháp số”, Tạp chí Khoa học công nghệ, số 25 +26/2002, tr 23 – 27 [3] Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà nội [4] Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang (2006), Giải toán kỹ thuật chương trình ANSYS, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà nội [5] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến (2008), Giáo trình cảm biến, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [6] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi(2003), Hướng dẫn sử dụng ANSYS, NXB Giáo dục, Hà Nội Tiếng Anh [7] Prime Faraday Technology Watch, An Introduction to MEMS,IBSN 184402-007X, January 2002 [8] Pures B, Peeters E and Sansen W (1989), “CAD TOOLS in Mechanical Sensor Design”, Sensors and Actuators, vol 17, pp 423 – 429 54 PHỤ LỤC Chương trình mô cảm biến áp suất! Phụ lục /title,pressure sensor /units,user_micromet !chieu dai theo micromet /prep7 !Cac hang so ve tinh chat dien cua silic p11=6.6e-5 !don vi micromet2/(micromet.kg/s2) p12=-1.1e-5 ! p44=138.1e-5 ! c11=1.66e+5 c12=0.64e+5 c44=0.8e+5 ! !(micromet.kg/s2)/micromet2 ! !Khoi luong rieng cua silic dens_silic=2.329e-15 !kg/micromet3 E_silic=1.7e+5 !(micromet.kg/s2)/micromet2 Poi_silic=0.28 !he so poisson ! Khai bao ansys ve Vat lieu Si de - phan mang cam bien si2=2 et,Si2,solid186 mp,dens,si2,dens_silic !mp,ex,si2,E_silic !mp,ey,si2,E_silic !mp,ez,si2,E_silic !mp,nuxy,si2,Poi_silic tb,anel,Si2,1 !tinh chat nhiet o mot nhiet TBDATA,1,c11,c12,c12,0,0,0 TBDATA,7,c11,c12,0,0,0,c11 TBDATA,13,0,0,0,c44,0,0 TBDATA,19,c44,0,c44 55 !mang chinh a=3000 !canh mang b=2000 !tam cung c=400 !goc mong h1=380 ! day tam cung h2=20 ! day mang h3=10 ! day goc mong LOCAL,11 LOCAL,12,,,,,45 CSYS,11 !Ve mang co day phan vung rectng,-b/2,b/2,-b/2,b/2 rectng,-b/2,b/2,b/2,a/2 rectng,-b/2,b/2,-b/2,-a/2 !Mat tam cung (1) !dien tich mang (2) ! dien tich mang (3) rectng,-a/2,-b/2,-b/2,b/2 !(4) rectng,b/2,a/2,-b/2,b/2 !(5) rectng,-a/2,-b/2,-a/2+c,-b/2 !(6) rectng,-a/2+c,-b/2,-a/2,-a/2+c !(7) rectng,-a/2,-a/2+c,-a/2,-a/2+c !(8) rectng,-a/2,-b/2,b/2,a/2-c !(9) rectng,-a/2+c,-b/2,a/2-c,a/2 !(10) rectng,-a/2,-a/2+c,a/2-c,a/2 !(11) rectng,b/2,a/2,b/2,a/2-c !(12) rectng,b/2,a/2-c,a/2-c,a/2 !(13) rectng,a/2-c,a/2,a/2-c,a/2 !(14) rectng,b/2,a/2,-a/2+c,-b/2 !(15) rectng,b/2,a/2-c,-a/2,-a/2+c !(16) rectng,a/2-c,a/2,-a/2,-a/2+c !(17) !Ghep cac mat de nhom mang aadd,2,3,4,5,6,7,9,10,12,13,15,16 (18) !Tao the tich khoi !ghep cac mat mang voi 56 vext,1,1,1,0,0,-h1 !Tinh tien mat tam cung thao truc z mot doan -h1 (11) vext,18,18,1,0,0,-h2 !tao day mang theo truc z mot doan -h2 (12) vext,8,8,1,0,0,-h3 ! tao be day goc mong -h3 (9) vext,11,11,1,0,0,-h3 ! tao be day goc mong -h3 (10) vext,14,14,1,0,0,-h3 ! tao be day goc mong -h3 (7) vext,17,17,1,0,0,-h3 ! tao be day goc mong -h3 (8) !Lam trung cac the tich giao vglue,all !(chu y, ten cac the tich co the bi thay doi sau lenh nay) vsel,all !Chia luoi !Su dung he toa toan cuc esys,12 type,2 mat,2 ! tam cung mshape,1,3-D esize,5*h1/32 vmesh,11,11,1 !(mang chinh) mshape,1,3-D esize,1*h2/1 vmesh,12,12,1 !goc mong (goc trai duoi) mshape,1,3-D esize,1*h3/1 vmesh,7,7,1 ! goc mong 2(goc trai tren) 57 mshape,1,3-D esize,1*h3/1 vmesh,8,8,1 ! goc mong 3(goc phai tren) mshape,1,3-D esize,1*h3/1 vmesh,9,9,1 ! goc mong 4(phai duoi) mshape,1,3-D esize,1*h3/1 vmesh,10,10,1 ! ksel,all nsel,all esel,all nummrg,kp,5e-10 nummrg,elem,5e-10 nummrg,node,5e-10 nummrg,all ! fini !============================================= /solu antype,stat,new ! !Dat dieu kien bien ve co nsel,s,loc,x,-a/2,-a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 58 d,all,uz,0 nsel,s,loc,x,a/2,a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 nsel,s,loc,y,-a/2,-a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 nsel,s,loc,y,a/2,a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0! -Phụ lục !dat tai ap suat pres_p_in=0.8 ! pres_p=pres_p_in*(1.01325e-7)*(1e+6) asel,s,loc,z,0,0 sfa,all,,pres,pres_p ! -!giai bai toan nsel,all esel,all vsel,all allsel,all solve fini ! [...]... trúc cảm biến, về các đặc trưng hoạt động cơ bản của cảm biến như mô phỏng độ lệch, ứng suất, độ nhạy của cảm biến được thực hiện Từ đó rút ra kết luận về cấu trúc cảm biến mới 2 Mục đích nghiên cứu Mô phỏng và thiết kế mẫu cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung độ nhạy cao, phù hợp với công nghệ ăn mòn khô 3 Nhiệm vụ nghiên cứu Phân tích, đề xuất cấu trúc cảm biến đo áp suất MEMS mới có độ nhạy cao. .. hiệu ứng áp điện, dao động cơ điện, dùng phương pháp transistor áp điện v.v Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, đó là nâng cao độ nhạy cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung 1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS kiểu tụ tiêu biểu 1.2.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng vuông Cấu trúc cảm biến gồm một màng vuông gọi là phần tử nhạy được phủ một lớp kim loại mỏng làm một bản cực của tụ điện, và một... 6 Dự kiến đúng góp mới Đưa ra mẫu cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung có độ nhạy cao dựa trên việc làm mỏng 4 góc màng cảm biến, các thông số kích thước phù hợp với điều kiện ăn mòn khô 10 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS KÍCH THƯỚC NHỎ 1.1 Áp suất và cảm biến áp suất 1.1.1 Áp suất Khi một chất lỏng hay chất khí được chứa trong bình chứa, do chuyển động nhiệt hỗn loạn, các phần tử của... nhạy cao dựa trên việc làm mỏng 4 góc mỏng Mô phỏng hoạt động của cảm biến Thiết kế cảm biến có các thông số kích thước phù hợp với điều kiện ăn mòn khô 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng linh kiện 5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lí thuyết, có sử dụng các tham số công nghệ trong phòng thí nghiệm để lựa chọn tham số đầu vào... vực: Cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến khoảng cách… Cảm biến áp suất là một loại linh kiện chuyển đổi áp suất đầu vào và cho tín hiệu điện ở đầu ra nhằm đo áp suất, lực đầu vào Nhờ tính tiện dụng, kích thước nhỏ cảm biến áp suất được chế tạo bằng công nghệ MEMS được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực: - Dân dụng: tủ lạnh, điều hòa không khí, máy hút bụi, máy giặt, nồi áp suất ... dẫn) có khả năng bị biến dạng khi có áp suất đặt lên Khi áp suất bên ngoài tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào sự chênh lệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn so sánh mà màng bị biến dạng, độ biến dạng của màng phụ thuộc vào độ lớn áp suất tác dụng vào Bằng nhiều cách khác nhau người ta có thể biến đổi độ biến dạng của màng thành tín hiệu điện thông qua sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung, sử dụng... nhật(Hình 1.2b,c) Cảm biến áp suất kiểu tụ điện sử dụng các màng hình dạng phức tạp (Hình 1.2d,c) 14 1.3 Vật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS 1.3.1 Vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS Phần tử nhạy trong các cảm biến cơ hoạt động liên tục dưới tác dụng của tải cơ học đầu vào, chuyển đổi chúng qua biến dạng vật liệu thành một tín hiệu điện lối ra Để làm tối ưu các chức năng chuyển đổi... cho vi cảm biến có độ nhạy cao, vi cảm biến phải được thiết kế sao cho điện dung thu được khi áp suất tác dụng vào phần tử nhạy là lớn nhất có thể Theo công thức (3.1) giá trị điện dung phụ thuộc vào S, e , k và khoảng cách d giữa hai bản tụ điện, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì giá trị S, e , k là không đổi vì vậy điện dung C phụ thuộc vào d; khi khoảng cách d càng nhỏ giá trị điện dung C... mòn dị hướng là các dung dịch kiềm có độ pH lớn hơn 12, ví dụ như KOH, NaOH, CsOH, NH4OH, (CH3)4NOH (TMAH - Tetra Methyl Ammonium Hydroxide) Phương pháp này cho phép tạo ra cấu trúc 3 chiều với độ chính xác cao Hình1.7 : Minh họa hốc ăn mòn trong công nghệ vi cơ khối ướt 22 1.3.2.2 Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô Trong công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô, thay vì ăn mòn phiến Si trong dung dịch KOH, người... nhau Đối với vật liệu Silic thì các dung dịch ăn mòn đẳng hướng thường được sử dụng là HNA, HF hoặc CH3COOH Tuy nhiên khi cấu trúc ăn mòn có dạng khe hẹp và sâu thì tốc độ ăn mòn sẽ giảm hoặc bằng không, đây chính là điểm hạn chế của phương pháp này - Phương pháp ăn mòn dị hướng là phương pháp mà tốc độ ăn mòn theo các hướng là khác nhau Đối với vật liệu Silic đơn tinh thể thì dung dịch ăn mòn dị hướng ... phng v thit k mu cm bin o ỏp sut MEMS kiu in dung nhy cao, phự hp vi cụng ngh n mũn khụ Nhim v nghiờn cu Phõn tớch, xut cu trỳc cm bin o ỏp sut MEMS mi cú nhy cao da trờn vic lm mng gúc mng... thiờn in dung, s dng hiu ng ỏp in, dao ng c in, dựng phng phỏp transistor ỏp in v.v Trong phm vi nghiờn cu ca ti, ú l nõng cao nhy cm bin ỏp sut MEMS kiu in dung 1.2 Cỏc dng cm bin ỏp sut MEMS. .. ng ca cm bin ỏp sut MEMS kớch thc nh 47 3.3 c trng bin i in dung i vi cm bin MEMS kiu in dung, dch chuyn ca tõm cng mng di tỏc dng ca ỏp sut c xỏc nh thụng qua s thay i in dung ca t in c tớch