Khoá luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Trang

mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay khoa học công nghệ phát triển, đặc biệt là khoa học Vật lý
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Kinh tế - xã hội, giáo dục,
các phương tiện dạy học mới hiện đại được áp dụng ngày càng phổ biến trong
giáo dục - đào tạo, các phương tiện dạy học này được đưa vào các cấp học từ:
phổ thông, cao đẳng, đại học Đặc biệt trong giai đoạn hiện nay phát triển
nền kinh tế hội nhập, giáo dục không thể chỉ hiểu là một phúc lợi xã hội, một
sản phẩm kéo theo của nền kinh tế - xã hội. Giáo dục là một chìa khoá mở cửa
cho đất nước đi vào tương lai. Việc ứng dụng khoa học công nghệ, khoa học
Vật lý vào phương tiện dạy học hiện đại giúp nâng cao chất lượng dạy học. Vì
vậy, hướng phát triển của khoa học giáo dục là đẩy mạnh nghiên cứu và ứng
dụng của khoa học công nghệ và khoa học Vật lý.
Nghiên cứu những vấn đề về khoa học công nghệ và khoa học Vật lý
phục vụ cho mục tiêu phát triển sự nghiệp giáo dục là định hướng chung cho
sự phát triển nghiên cứu giáo dục ở nước ta.
Nghiên cứu và hoàn thiện các vấn đề khoa học giáo dục đảm bảo tiếp
cận với xu thế phát triển mới mẻ đa dạng của giáo dục và khoa học trong thời
kỳ mới.
Trong Vật lý học ngành khoa học công nghệ giữ một vai trò quan trọng,
như việc nghiên cứu và phát triển công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đã có
nhiều ứng dụng trong Vật lý học, một trong những ứng dụng quan trọng là chế
tạo ra cảm biến dựa trên công nghệ vi cơ điện tử MEMS để đo áp suất. nghiên
cứu và chế tạo ra pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời luôn được chú trọng và
quan tâm. Bởi vì đây thực sự là những ngành công nghệ sẽ phục vụ đắc lực
cho con người trong nền giáo dục xã hội hiện đại. Những năm gần đây, nhờ sự
phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử đã

Khoá luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Trang

Chương 1
cảm biến áp suất MEMS và phần mềm mô phỏng ANSYS
1.1. Cảm biến áp suất MEMS
1.1.1. vài nét về cảm biến áp suất MEMS
Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều ngành khoa
học Vật lý mới ra đời mang lại nhiều thành tựu to lớn trong cuộc sống. Vào
những năm 1960 của thế kỷ XX một cuộc cách mạng hóa về công nghệ
MEMS đã ra đời. MEMS (Micro - Electro - Mechanical - System) là công
nghệ tạo ra các linh kiện tích hợp thành phần cơ và thành phần điện tử có kích
thước từ vài m đến vài mm. Khi mới ra đời công nghệ vi cơ MEMS đã được
ứng dụng để chế tạo các đầu đo áp suất với độ nhạy cảm cao và chính xác.
Các vi cảm biến áp suất dựa trên hiệu ứng áp trở đã được nghiên cứu và phát
triển. Các vi cảm biến đầu tiên loại này sử dụng màng silic vuông hoặc màng
chữ nhật loại n, định hướng bề mặt (100), kích thước cạnh màng khoảng vài
m đến vài mm, bề dày màng khoảng vài chục m tuỳ theo áp suất cần đo và
ở trong những phạm vi khác nhau.
1.1.2. Cảm biến áp suất MEMS màng chữ nhật phẳng
áp suất tác động như một biến số trong các hiện tượng liên quan đến sự
biến dạng của mẫu vật liệu màng phẳng mỏng đàn hồi, do đó áp suất là thông
số quan trọng trong nhiều lĩnh vực như ngành công nghệ chế tạo. Trong các
ngành công nghệ khác nhau, các cảm biến áp suất được ứng dụng rất nhiều
vào những mục đích khác nhau. Và có nhiều phương pháp để đo áp suất,
thông thường áp suất cần đo được chuyển thành sự thay đổi chiều dài, chiều
rộng của mẫu vật liệu phần tử đàn hồi. Sự thay đổi kích cỡ này được cảm
nhận bởi phần tử nhạy ví dụ như đầu đo áp điện trở.


của một hệ thống như thế là việc phần tử đàn hồi có thể được bỏ đi, do đó có
thể bỏ được các vấn đề như độ tuyến tính, dão, dẻo, mỏi liên quan đến phần tử
đàn hồi. Tuy nhiên việc áp dụng các hệ thống như thế chỉ giới hạn cho áp suất
tương đối nhỏ.
Cảm biến áp suất vi cơ Silic thường dựa vào kỹ thuật nói trên, và các
phần tử đàn hồi và cấu tử nhạy được phân biệt rõ ràng. Như vậy, cảm biến áp
suất được chế tạo bằng vật liệu Silic dựa trên hiệu ứng áp trở và công nghệ
MEMS bao gồm: một màng phẳng đàn hồi và các cấu tử nhạy (áp điện trở) đặt
trên màng để cảm nhận biến dạng cơ của màng. Bằng cách cấy các áp điện
trở nhạy cơ trên phần tử đàn hồi (màng phẳng), có thể chuyển đổi tín hiệu cơ
(uốn cong) thành tín hiệu điện lối ra (dòng điện, hiệu điện thế) qua sự biến đổi
giá trị các áp điện trở đó. Thông thường việc chuyển đổi này được thực hiện
dưới dạng hiệu điện thế chênh lệch thu được qua một cầu điện trở Wheatstone
[1]. Như vậy ta có thể xem cấu trúc cơ bản nhất của một cảm biến vi cơ bao

gồm hai phần, phần cấu trúc cơ và phần cấu trúc điện, cấu thành nên cảm biến
áp suất.

Khoa vật lý

K31B_Lý
7


Khoá luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Trang

Cấu trúc cơ học: Trong các bộ vi cảm biến, phần tử nhạy tín hiệu là
phần tử có khả năng thay đổi dễ dàng trạng thái của nó khi có tín hiệu của đại

khi có ứng suất cơ học đặt vào vật liệu đó. Và sự thay đổi này được thực hiện
dưới dạng hiệu điện thế chênh lệch thu được qua một cầu điện trở Wheatstone
(hình 3). Một số vật liệu khi bị biến dạng, trên bề mặt xuất hiện những điện
tích trái dấu và lượng điện tích này xuất hiện càng lớn nếu vật liệu chịu biến
dạng cơ học càng nhiều và ngược lại đó chính là hiệu ứng áp điện.

Hình 3. Cầu điện trở Wheatstone trên màng đàn hồi điện áp lối ra
Cầu gồm 4 điện cực có giá trị tĩnh như nhau được đặt ở các vị trí có
hiệu ứng áp trở cực đại trên một màng silic. Vì cầu có giá trị tĩnh của các điện
trở là như nhau, nên khi phần tử nhạy chưa biến dạng, cầu điện trở là cân bằng
và thế hiệu lối ra bằng 0. Khi phần tử nhạy bị uốn cong, các áp điện trở thay
đổi giá trị làm cầu mất cân bằng. Theo hiệu ứng áp điện trở, sự thay đổi giá trị
của các điện trở phụ thuộc một cách định lượng vào sự biến dạng vật liệu, tức
là phụ thuộc một cách định lượng vào tác dụng cơ học.

Khoa vật lý

K31B_Lý
9


Khoá luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Trang

1.2. Phn mm ANSYS v ng dng mụ phng hot ng ca cm
bin
1.2.1. Gii thiu phn mềm ANSYS:
Cỏc dũng sn phn ca ANSYS cụng ty ANSYS ó thit lp nờn mt
chun mc trong mt phng k thut, cụng ty ANSYS xõy dng, phỏt trin,


Hoàng Thị Trang

1.2.2. ng dng mụ phng hot ng ca cm bin
Với những tính năng ưu việt ANSYS ngày càng được sử dụng nhiều
trong khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong các công nghệ mới như công nghệ
mô phỏng và thiết kế các vi cảm biến. Ngày nay với xu hướng nghiên cứu tìm
tòi để mô phỏng các loại cảm biến, từ đó tìm ra quy tắc thiết kế tối ưu nhất.
Cùng với sự giúp đỡ đắc lực của công nghệ thông tin, công việc này đã trở nên
đơn giản hơn.
Với cảm biến áp suất MEMS nói riêng ANSYS giúp chúng ta mô
phỏng cấu trúc cơ, cấu trúc điện của cảm biến. Và đặc biệt là mô phỏng cơ
tính của cảm biến dưới tác dụng của tải cơ học đặt vào. ANSYS sử dụng cả
giao diện đồ hoạ nên việc mô phỏng này trở nên rất tinh vi và chính xác, mang
lại hiệu quả cao cho người sử dụng.
a. Mụ phng cu trỳc c:
Mụ hỡnh cu trỳc c ca cm bin ỏp sut MEMS l mt mng phẳng
silic (hình 2). Mc ớch ca vic mụ phng ny l:
- xỏc nh ng x ca mng silic khi cú ti c hc ỏp sut t vo.
- Tỡm ra v trớ thớch hp t phn t nhy cm (áp điện trở ) để lấy
tín hiệu ra.
- Định hướng ngưỡng áp suất tối đa màng có thể chịu được cho các loại
màng có kích thước khác nhau.
c. Mô phỏng cấu trúc điện:
Cấu trúc điện hình thành từ dây, 4 áp điện trở hình thành nên cầu điện
trở Wheatstone để chuyển tín hiệu vào là áp suất thành tín hiệu lối ra của cầu
điện trở là điện áp. Mô hình này được minh hoạ trên (hình 3)
Điện áp lối ra của cầu điện trở Wheatstone được tính dễ dàng qua phép
phân tích mạch (hình 4 sơ đồ mạch điện)
V out (


4

Hình 4. Cầu điện trở Wheatstone sơ đồ Mạch điện và Mô hình
phần tử hữu hạn.

Từ những phần trên tôi đề xuất một bài toán xây dựng chương trình mô phỏng
dựa trên ANSYS để mô phỏng cấu trúc cơ của cảm biến áp suất MEMS màng
chữ nhật kích thước màng: chiều rộng màng 1000àm, chiều dài màng
2000àm, bề dày màng 20 àm, đáp ứng cơ của cấu trúc dưới tải áp suất từ 0atm
đến 10atm

Khoa vật lý

K31B_Lý
12


Khoá luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Trang

Chương 2. Xây dựng chương trình mô phỏng
2.1. Cấu trúc cơ bản một bài toán trong ANSYS.

Tạo mô hình tính (Preprocessor )
Khai báo các thuộc tính vật liệu: E.
Tạo mô hình hình học: thể tích, diện tích, đường,điểm.
Tạo mô hình PTHH: chia lưới như thế nào?


bài tính. Trong quá 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
xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 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. [2]
2.1.1. Tạo mô hình tính (Preprocessor)
Trong phần này ta phải tạo ra mô hình hình học rồi tạo ra mô hình
phần tử hữu hạn tức là tạo ra các nút và phần tử. Đầu tiên ta phải chọn kiểu
trong thư viện phần tử (điều này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, kết cấu,
dạng tải trọng tác dụng, độ chính xác cần tính). Các tính chất vật liệu, hằng số
được nhập vào cho thích hợp với từng loại phần tử.
2.1.2. Tính toán (Solution)
Phần tính toán sẽ giải phương trình hệ thống để tính.
2.1.3. Xử lý kết quả (Postprocessor)
Trong phần này:
+ Xử lý và xem kết quả tính được
+ Tính kết quả biến dạng
+ Tính ứng suất
2.2. Các thông số đầu vào của một bài toán mô phỏng.
Thông số đầu vào của bài toán mô phỏng cơ tính cảm biến áp suất
MEMS màng phẳng chữ nhật bao gồm: Tính chất vật liệu Silic, thông số kích
thước màng, vùng tải áp suất, kiểu phần tử, kiểu chia lưới .v.v

Khoa vật lý

K31B_Lý
14


bằng việc sử dụng phần tử solid 186

Khoa vật lý

K31B_Lý
15


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

Hoµng ThÞ Trang

2.3.2. Bµi to¸n m« pháng
Bµi to¸n cña chóng ta ®­îc m« pháng nh­ sau:
/title,pressure sensor
/units, user_micromet

!chieu dai theo micromet

*SET,p11,6.5E-5
*SET,p12,-1.1E-5
*SET,p44,138.1E-5
*set,c11,1.674e5
*set,c12,0.652e5
*set,c44,0.796e5
Dpoly=2.329e-15
/prep7
! Vat lieu Si ap tro
et,1,solid226,101
si1=1

mp,dens,si2,Dpoly
!mp,rsvx,si2,7.8
!mp,rsvy,si2,7.8
!mp,rsvz,si2,7.8
tb,anel,2,1
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
!mang chinh
a=1000

!chieu rong mang ( )

b=2000
d=20

!chieu dai mang ( )
!be day mang

!Ve mang co do day phan vung
rectng,-500,500,-1000,1000

!Mat chinh cua mang y

(1)

!Tao the tich khoi
vext,1,1,1,0,0,-d


d,all,ux,0
d,all,uy,0
d,all,uz
nsel,s,loc,y,b/2,b/2
d,all,ux,0
d,all,uy,0
d,all,uz,0
nsel,all
esel,all
vsel,all
fini
!=============================================
/solu
antype,status,new
!Dat tai ap suat

Khoa vËt lý

K31B_Lý
18


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

Hoµng ThÞ Trang

nsel,s,loc,z,0,0
sf,all,pres,4
allsel,all
solve

Khoá luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Trang

Hình 3.1b Phân bố độ lệch màng 1000 àm x 2000 àm x 20 àm dưới tải
áp suất 4atm (một chiều)
Hình 3.1a và 3.1b biểu diễn độ lệch theo phương Z (độ võng màng theo
Uz). Ta thấy rằng độ võng màng đạt giá trị lớn nhất tại tâm màng. khi đặt tải
áp suất nhỏ lên màng phẳng chữ nhật sao cho độ lệch màng tại tất cả các điểm
trên màng đều rất nhỏ so với độ dày màng, độ lệch màng w tại điểm bất kì
được mô tả bởi phương trình: [2]
4w
4w
4w p

2


x 4
x 2 y 2 y 4 D

Trong đó D là độ cứng chống uốn của màng và được định nghĩa như sau:
Ed 3
D=
12(1 v 2 )
E là mô đun Young, là tỉ số Poison, d là độ dày màng, P là áp suất.

Khoa vật lý

K31B_Lý

tróng đó, hệ số 1,4x10-3 tìm được từ chương trình mô phỏng.
ở mỗi áp suất tác dụng, độ lệch lớn nhất đó có một giá trị xác định.
Chương trình mô phỏng ANSYS cho phép đưa ra các độ lệch cực đại đó. Kết
quả độ lệch cực đại của màng theo tải áp suất được đưa ra ở trong bảng 3.1c và
hình 3.1d.
Bảng 3.1c. Bảng so sánh độ lệch cực đại theo áp suất khác nhau.
Độ lệch cực đại Uz (DMX)
áp suất P(atm)

( àm )

0

0

2

50.45

4

100.9

6

151.349

8

201.779


100.9

50

0

50.45

2

4

6

8

10

P (atm)

Hình 3.1d. Khảo sát độ lêch cực đại theo áp suất tác dụng lên màng
Thay đổi áp suất từ 0atm đến 10atm và tiến hành khảo sát sự thay đổi độ
lệch màng thì kết quả cho ta thấy với một giá trị áp suất nhất định thì có một
giá trị về độ lệch màng nhất định, và với áp suất cao thì độ lệch càng cao về
phía tâm màng và với áp suất khác nhau độ lệch có giá trị khác nhau, kết quả
giá trị được biểu thị trên bảng 3.1c.và từ đó ta có được đồ thị hình 3.1d. Và ở
áp suất 10atm độ lệch màng đạt giá trị lớn nhất.
3.2. Phân bố ứng suất
Khi đặt tải áp suất lên màng, màng cảm biến sẽ bị uốn cong và xuất hiện


O

y

x

Hình 3.2. Các thành phần ứng suất thẳng góc và ứng suất trượt
khi uốn cong cấu trúc.
Ta chỉ xét các thành phần ứng suất quan trọng của ứng suất trong cấu trúc
màng theo x, y, và ứng suất trượt xy, được xác định bởi biểu thức sau [1]:
x=

Ed 2 w
2w


2(1 2) x 2
y 2

y=

Ed 2 w
2w


2(1 2) y 2
x 2

xy = dGxy

Khoá luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Trang

c. phân bố ứng suất theo trục Z
Hình 3.3. phân bố ứng suất màng 1000 àm x 2000àm x 20àm
theo áp suất 4atm
Hình 3.3 biểu diễn trường phân bố ứng suất X, ứng suất Y, ứng suất Z,
Trong trường hợp ứng suất X, ứng suất Y đạt cực trị tại tâm màng và trung
điểm cạnh màng, chúng trái dấu nhau và giá trị tuyệt đối tại trung điểm cạnh
lớn hơn tại tâm màng. ứng suất theo Z đạt cực trị tại tâm màng bốn cạnh của
màng cảm biến nhưng ứng suất rất nhỏ.
kết quả tính toán cho thấy phân bố ứng suất làm màng cảm biến bị biến
dạng xuất hiện ở khu vực tâm màng là trái dấu với biến dạng tại khu vực trung
điểm các cạnh màng: trong khi biến dạng ở tâm màng là biến dạng giãn thì
biến dạng ở trung điểm các cạnh màng là biến dạng nén và ngược lại. Vì thế,
ứng suất thẳng góc xuất hiện ở các khu vực này cũng trái dấu nhau: khi ở tâm
màng phân bố ứng suất âm thì ở điểm giữa các cạnh màng lại phân bố ứng

Khoa vật lý

K31B_Lý
26


Khoá luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Trang

suất dương (hình 3.3a phân bố ứng suất thẳng góc x) và (hình 3.3b phân bố


(N/àm2 )

0

0

2

50.449

4

100.899

6

151.348

8

201.798

10

252.247

Đồ thị phân bố ứng suất cực đại theo áp suất:

ứng suất lớn nhất (N/m2)


P (atm)

Hình 3.6. Khảo sát ứng suất màng theo áp suất

Khoa vật lý

K31B_Lý
28