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
Học viên: Phạm Hữu Thành
kỳ sự không trung thực nào trong kết quả tính toán.
Nếu có gì sai trái tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn.
Hà nội, ngày ……tháng……năm 2014
Học viên
Phạm Hữu Thành Luận văn thạc sỹ
Học viên: Phạm Hữu Thành
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu vi cảm biến, cụ thể là vi cảm biến
lực. Trên cơ sở lý thuyết xây dựng cấu trúc vi cảm biến ba chiều và các phương
pháp tăng độ nhạy của cảm biến bằng phương pháp sử dụng các cấu trúc tập trung
áp lực. Các cấu trúc áp lực có dạng Ellipe, dạng trụ và dạng chữ nhật.
Cuối cùng luận văn tiến hành mô phỏng vi cảm biến sử dụng phần mềm
COMSOL PHYSIC. Trình bày kết quả đạt được và chứng minh cơ sở lý thuyết đã
tìm hiểu, trên cơ sở đó xây dựng những hướng phát triển tiếp theo. Luận văn thạc sỹ
Học viên: Phạm Hữu Thành
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
3. Mạch cầu wheatstone 9
4. Độ nhạy và nhiễu 9
4.1 Độ nhạy 9
4.2 Nhiễu 10
5. Cảm biến lực áp điện trở 11
6. Vật liệu chế tạo áp điện trở 14
Luận văn thạc sỹ
Học viên: Phạm Hữu Thành
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 phỏng 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
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1: MEMS là một ngành khoa học liên ngành 1
Hình 2: Hình ảnh một cảm biến lực 2
Hình 3: Cảm biến lực kiểu tụ 3
Hình 4: Hiện tượng áp điện 4
Hình 5: Một cảm biến áp điện 4
Hình 6: Vi cảm biến lực áp điện trở 5
Hình 7: Ảnh SEM của một cảm biến lực áp điện trở 5
Hình 8: Cảm biến lực sử dụng tia laser – nguyên tắc hoạt động của một hệ thống AFM 6
Hình 9: Mạch cầu Wheatstone 9
Hình 10: Nhiễu Flicker 11
Hình 11: Vi cảm biến lực sử dụng thanh dầm Cantilever 11
Hình 12: Phân bổ ứng suất trên thanh dầm 12
Hình 13: Thanh dầm áp điện trở 13
Hình 14: Cấu trúc của một áp điện trở 14
Hình 27: Phân bố ứng suất trên áp trở R
L1
, R
L2
trong cấu trúc tập trung ứng suất Ellipe 26
Hình 28: Phân bố ứng suất trên áp trở R
L1
, R
L2
trong cấu trúc tập trung ứng suất tròn 26
Hình 29: Phân bố ứng suất trên áp trở R
L1
, R
L2
trong cấu trúc tập trung ứng suất chữ nhật27
Luận văn thạc sỹ
Học viên: Phạm Hữu Thành
Hình 30: Tác dụng lực lên thanh dầm cảm biến theo phương Z 28
Hình 31: Phân bố ứng suất trên áp trở không sử dụng cấu trúc tập trung áp lực khi chịu tác
dụng của lực theo phương Z 28
Hình 32: Phân bố ứng suất trên cảm biến khi tác dụng theo phương Z trong cấu trúc tập
trung áp lực Ellipe 29
Hình 33: Phân bố ứng suất trên cảm biến khi tác dụng theo phương Z trong cấu trúc tập
trung áp lực dạng trụ 29
Bảng 4: Giá trị ứng suất cực đại trên áp trở (Cấu hình ngang) 27
Bảng 5: Giá trị ứng suất cực đại trên áp trở (Cấu hình dọc) 30
Bảng 6: Giá trị ứng suất cực đại trên áp trở (Cấu hình dài) 33Luận văn thạc sỹ
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
1. Vi cơ điện tử - MEMS
MEMS – Microelectromechanical Systems là một công nghệ chế tạo các linh
kiện có chức năng kết hợp của điện và không điện trên chip và dựa trên nền tảng
chế tạo CMOS. Các linh kiện này thông thường có các cấu trúc cỡ µm hoặc thậm
chí là nanomet.
Hiện nay, sản phẩm của công nghệ MEMS đã được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như: cảm biến chuyển động trong điện thoại, antenna
thông minh trong thiết bị di động, microphone MEMS với tính định hướng và thông
minh, các cảm biến trong y tế và nhiều lĩnh vực khác.
MEMS là một ngành khoa học với tính liên ngành rất cao như thể hiện trên
hình 1. Đầu tiên MEMS là kết hợp giữa ngành cơ và điện tử. Nhưng sau vài chục
năm phát triển, MEMS liên quan đến rất nhiều ngành khác như truyền nhiệt, âm
thanh, chất lỏng, điện từ, hóa học, sinh học, quang học, y tế, …
Hình 1: MEMS là một ngành khoa học liên ngành
Luận văn thạc 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.
nhiều SOI wafer.
Hình 3: Cảm biến lực kiểu tụ
Vi cảm biến lực kiểu tụ được sử dụng nhiều trong các gia tốc kế và các cảm
biến trong môi trường khắc nghiệt.
Luận văn thạc sỹ
3.2 Vi cảm biến lực áp điện
Hiện tượng áp điện là hiện tượng xảy ra với một số vật chất nhất định. Chúng
có khả năng thay đổi hình dạng khi được đưa vào môi trường điện và ngược lại có
khả năng tạo ra dòng điện khi chịu tác dụng của lực. Hình 4: Hiện tượng áp điện
Khi chịu tác dụng của lực, tấm áp điện sẽ bị biến dạng và xuất hiện trên hai
bản cực các 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.
Binig, Calvin Quate và Christoph Gerber vào năm 1986. Hình 8:Cảm biến lực sử dụng tia laser – nguyên tắc hoạt động
của một hệ thống AFM
Bộ phận chính của AFM là một mũi nhọn được gắn trên một thanh rung
(Cantilever). Mũi nhọn thường được làm bằng Si hoặc SiN và kích thước của đầu
mũi nhọn là một nguyên tử. Khi mũi nhọn gần bề mặt mẫu vật, sẽ xuất hiện lực Van
der Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn (lực
nguyên tử) làm rung thanh Cantilever. Lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu
mũi dò và bề mặt mẫu. Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ
một tia laser chiếu qua bề mặt thanh rung, dao động của thanh rung làm thay đổi
góc lệch của tia laser và được detector ghi lại. Việc ghi lại lực tương tác trong quá
trình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của vật mẫu.
Ưu điểm của phương pháp laser quang là đo được các độ lệch rất nhỏ nhưng
cần độ chính xác cao khi căn lề và khi điều chỉnh. Ngoài ra tia laser cần đủ lớn gây
khó khăn trong công tác chế tạo vi cảm biến cỡ µm.
Luận văn thạc sỹ
Học viên: Phạm Hữu Thành 7
4. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài này 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.
̅
∗
Trong đó,
q là điện tích các hạt mang điện
̅
là thời gian trung bình tự do giữa các va chạm của các hạt mang điện
∗
là khối lượng thực tế của hạt trong mạng tinh thể.
Dưới tác dụng của lực căng và sự biến dạng, khoảng cách trung bình giữa các
hạt mang điện trong mạng tinh thể thay đổi dẫn đến cả
̅
và
∗
thay đổi, do đó
thay đổi làm cho điện trở suất thay đổi.
2.Độ biến thiên điện trở dưới tác động của sức căng
Xét trạng thái của điện trở dưới tác dụng của sức căng, độ biến thiên của điện
trở là tuyến tính với sức căng của lực tác dụng:
∆
=.
∆
u Wheatstone g
hiện trên hình 9.
Công thức giữa điệ
n áp vào và đi
Nếu ta thiết kế 4 điệ
n tr
Điện áp ra:
=
4. Độ nhạy và nhiễu
4.1 Độ nhạy
Tỷ số giữa sự biế
n thiên đ
của cảm biến.
+
∆
ọ
=
∗
+
ọ
∗
n tr
ở có giá trị bằng nhau, khi đó giá trị của điệ
n tr
R1 = R + ΔR
=
2+∆
−
2
=
1
2
−∆
2+∆
n thiên đ
ầu ra và sự biến thiên đầu vào đượ
c g
=
4.
... i=X,Y,Z
Trong đó:
-
là hằng số Boltzmann ( 1.3810
-23
J/K)
- : Nhiệt độ của điện trở
- : Băng thông nhiễu
- : Giá trị điện trở
Nhiễu Flicker
Nhiễu Flicker xảy ra do sự thay đổi của mật độ hạt. Nhiễu Flicker có công suất
nhiễu tỷ lệ nghịch với tần số.
Điện áp nhiễu Flicker:
=
tần số thấp.
Như vậy, điện áp nhiễu tổng cộng trên điện trở là:
=
4
(
−
)
+
ln
5. Cảm biến lực áp điện trở
Cảm biến lực áp điện trở dựa trên hiệu ứng áp điện trở của vật liệu bán dẫn.
Người ta sử dụng cấu trúc thanh dầm hoặc màng mỏng, biến lực tác dụng lên thanh
Luận văn thạc sỹ
Ta có thể thấy, sự phân bố momen dọc theo chiều dài của dầm là không đồng
đều, nhỏ nhất (bằng không) tại đầu tự do và lớn nhất (cực đại) tại đầu cố định. Tại
bất kỳ mặt cắt ngang nào ứng suất dọc đều thay đổi. Độ lớn của ứng suất dọc tại
một điểm tỷ lệ tuyến tính với khoảng cách đến trục chính.
Trên mỗi mặt cắt ngang, độ lớn cực đại của ứng suất biến thiên tuyến tính với
khoảng cách đến đầu tự do và cực đại tại bề mặt phía trên hoặc phía dưới.
Gọi L là chiều dài thanh dầm, trục x bắt đầu từ đầu tự do đến đầu cố định.
(,ℎ)là ứng suất tại điểm có tọa độ x và khoảng cách đến trục chính là h. Mô-men
tổng cộng tương ứng với tiết diện ngang được tính theo công thức:
=
∬
(
,ℎ
)
ℎ=
∫ ∫
(
(
,ℎ
)
)
ℎ
()
..
=
Ứng suất cực đại:
=.=
Trong đó, chiều dài L và độ dày t của áp điện trở là hữu hạn và ít thay đổi. Khi
điện trở được chế tạo bằng Silic pha tạp các yếu tố áp điện sẽ nằm tại mặt dưới của
áp trở (hình 13a), ngược lại nếu các áp điện trở được chế tạo từ Silic đa tinh thể lắng
đọng các yếu tố áp điện sẽ nằm tại mặt trên của áp trở (hình 13b).
Hình 13: Thanh dầm áp điện trở
Luận văn thạc sỹ
2 đầu điện trở
Vùng điện trở
6. Vật liệu chế tạo áp điện trở
Ta sử dụng Silic pha tạp chọn lọc để chế tạo áp điện trở. Vùng có tính năng
điện trở được pha tạp vừa phải (nồng độ từ 10
Với
) và 3 ứng suất trượt (
,
,
) được mô tả như sau:
Hình 15:Mô tả thành phần ứng suất dọc và ứng suất trượt [6]
Luận văn thạc sỹ
Học viên: Phạm Hữu Thành 15
Đơn giản hóa các ký hiệu:
T
1
,
T
2
,
T
3
,
T
4
,
T
và
=
=
=0.
Dưới tác dụng của lực.
⎣
⎢
⎢
⎢
⎢
⎡
⎦
⎥
⎥
⎥
∆
∆
∆
∆
⎦
⎥
⎥
⎥
⎥
⎤
Mối liên hệ giữa điện trở suất và ứng suất:
⎣
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎡
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎤
=
[
][
]
=
⎣
⎢
⎢
⎢
⎢
⎡
0
0
0
0
0
0
0
0
0
⎦
⎥
⎥
⎥
⎥
⎤
⎝
⎜
⎜
⎛
⎣
⎢
⎢
⎢
⎢
⎡
Copyright: Tài liệu đại học ©