Khoá luận tốt nghiệp
Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý
=======================================================

Mở đầu

I. Lý do chọn đề tài
Ngày nay chúng ta đang chứng kiến sự phát triển như vũ bão của khoa
học công nghệ, đang sống trong xã hội mở cửa hội nhập toàn cầu. Xã hội đó
đòi hỏi con người phải làm chủ được công nghệ và không ngừng sáng tạo ra
những công nghệ mới, đáp ứng một cách tốt nhất đòi hỏi của cuộc sống.
Các ngành khoa học phát triển không ngừng, đặc biệt là khoa học Vật
lý- đã và đang đem lại những thành tựu rất lớn, đã góp phần không nhỏ trong
công cuộc nâng cao chất lượng cuộc sống của nhân loại toàn cầu. Nhiều phát
kiến, nhiều công nghệ đã ra đời. Trong đó ngành công nghệ vi điện tử đã đạt
được đỉnh cao. Ngày nay, trên một đế Silic, công nghệ vi điện tử có thể chế
tạo được một tổ hợp linh kiện thay thế cho 1 mạch linh kiện cổ điển, trong đó
đặc biệt phải kể đến công nghệ chế tạo vi cơ điện tử MEMS (Micro Electro
Mechanical Systems) - là công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ và linh kiện
điện. Công nghệ này cho phép ta chế tạo ra những linh kiện cực kì nhỏ gọn mà
vẫn đáp ứng được những yêu cầu khắt khe về chức năng. Cụ thể MEMS chính
là sự kết hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các yếu tố điện trên
một phiến Silic bằng công nghệ vi chế tạo.
Công nghệ MEMS có nhiều ứng dụng trong thực tế, một trong những
ứng dụng quan trọng là chế tạo các cảm biến áp suất. Hiện nay cảm biến áp
suất đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt theo hướng mô phỏng
các đặc trưng.
Là một sinh viên ngành vật lý, có mong muốn có thêm nhiều hiểu biết
về các ngành khoa học mới- đặc biệt là hiểu biết về công nghệ MEMS và
những ứng dụng MEMS trong thực tế, và cũng nhận thấy rằng đây là một
công nghệ có tiềm năng rất lớn đối với sự phát triển của nhân loại, em rất

+ Đưa ra các vị trí tối ưu để đặt các áp trở nên màng cảm biến.
- Kết luận:
Về đặc trưng đáp ứng cơ của cảm biến áp suất MEMS màng vuông dựa
trên cấu trúc và nhóm hoạt động của cảm biến áp suất MEMS và hệ phần mềm
mô phỏng ANSYS.
V. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu mô phỏng đặc trưng đáp ứng cơ của cảm biến áp suất
MEMS màng vuông tâm cứng dựa trên cấu trúc, nguyên lý hoạt động của
cảm biến áp suất MEMS và hệ phần mềm mô phỏng ANSYS.

=======================================================
2


Khoá luận tốt nghiệp
Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý
=======================================================
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 như vũ bão của khoa học công nghệ nhiều
ngành khoa học mới ra đời mang lại biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn
xã hội. Vào cuối những năn 50 của thế kỷ XX một cuộc cách mạng hoá về
công nghệ Micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành
công nghiệp, MEMS cũng ra đời khi đó. 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 được ứng dụng để chế tạo các đầu đo áp suất và biến dạng
thay thế cho các đầu đo cơ truyền thống. Cùng với sự phát triển của công


Phần tử đàn Biến dạng cơ
hồi

Cấu tử

Tín hiệu điện

nhạy cơ

đầu ra

Một cảm biến áp suất vi cơ 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 của 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. Với 2 phần: Phần
cấu trúc cơ và phần cấu trúc điện cấu thành nên cảm biến áp suất.
Cụ thể ta có các mô hình cấu trúc cơ và cấu trúc điện của cảm biến áp
suất như sau:
- Phần cơ học (cấu trúc nhạy tín hiệu)

H1. Mô hình cấu trúc cơ của cảm biến áp suất

=======================================================
4


Khoá luận tốt nghiệp
Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý
=======================================================

R1

R3
3

R2

R4

4

H.3 Sơ đồ mạch điện và mô hình PTHH
a, Sơ đồ mạch điện

b, Mô hình PTHH

Mô hình phổ biến ứng dụng hiệu ứng áp trở trong việc chuyển đổi tín
hiệu cơ điện sử dụng cầu điện trở gồm 4 điện trở có các giá trị tĩnh như nhau
được đặt ở các vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại trên một màng Silic (H3).
Trong phương pháp lấy thế hiệu lối ra nguồn nuôi cầu điện trở khoảng vài (V)
được cấp cho cầu qua các đỉnh 1 và 3. Thế hiệu lối ra được lấy trên 2 và 4. Các
điện trở R1, R2, R3, R4 được tạo ra bằng phương pháp cấy tạp chất trên phần
tử nhạy. Vì 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. Do cách bố
trí các điện trở, sự biến đổi của R1 và R3 là ngược chiều với R2 và R4. Nếu


x

(b)

a/2

y

H4. Sơ đồ màng Silic và htđ 0xy
a, Sơ đồ màng Silic
b, Hệ toạ độ Oxy

Vì hình vuông có tính chất đối xứng nên chỉ cần xét độ lệch màng trong
góc phần tư thứ nhất, sau đó lấy đối xứng cho tất cả các phần còn lại
Đối với các áp suất nhỏ sao cho độ lệch màng tại tất cả các điểm trên
màng rất nhỏ so với h . Độ lệch màng w tại điểm bất kỳ được mô tả [1]
D

4w
4w
4w

2
D

D
p
x 4
x 2 y 2

xz
x

xy

xy

y
y

O
x

Trong đó đối với cấu trúc màng đang xét các thành phần quan trọng của
ứng suất là x, y và ứng suất trượt xy.
x=

Eh
2(1 2)

2w
2w


2

y 2
x

y=

như đã trình bày ở trên, còn tồn tại 1 số vấn đề như sau: Khi có sự chênh lệch
áp suất p giữa 2 mặt màng Silic, phần tử nhạy sẽ thay đổi trạng thái dưới dạng
uốn cong . Tuy nhiên trong quá trình đó, trên bề mặt màng độ uốn cong sẽ là
không đồng đều. Tại những vị trí khác nhau độ uốn cong sẽ là khác nhau. Có
những vị trí mà tại đó độ uốn cong là cực đại và ngược lại có những vị trí độ
uốn cong là cực tiểu. Cụ thể tại vị trí trung điểm của cạnh màng, độ cong
màng là cực đại. Chính vì lý do trên mà khi ta đặt một cấu trúc điện thích hợp
trên phần tử nhạy để cảm nhận sự uốn cong đó và chuyển đổi nó thành tín
hiệu điện lối ra, thì do có sự không đồng đều của uốn cong trên bề mặt màng
Silic, mà tín hiệu đầu ra thu được sẽ là không tuyến tính.
Đây chính là vấn đề còn tồn tại đối với các vi cảm biến áp suất màng
vuông.
1.1.3. Đề xuất mới của cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông
Sơ đồ

a2 = 300m

h2 = 20m
h1 = 40 m
a1 = 1mm
H6. Mô hình đề xuất của cảm biến áp suất loại mới

=======================================================
9


Khoá luận tốt nghiệp
Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý
=======================================================
Cấu trúc mới của cảm biến gồm:

cong trên khắp bề mặt màng là đồng đều với nhau hơn.Và khi ta đặt 1 cấu trúc
điện thích hợp lên phần tử đàn hồi đó. Tín hiệu điện lối ra mà ta thu được sẽ
tuyến tính hơn. Cấu trúc mới của cảm biến áp suất màng Silic vuông này đã

=======================================================
10


Khoá luận tốt nghiệp
Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý
=======================================================
khắc phục được nhược điểm của cảm biến áp suất MEMS vuông thông
thường.
1.2. Phần mềm ANSYS và ứng dụng trong mô phỏng cảm biến
1.2.1. Giới thiệu về ANSYS
ANSYS là 1 chương trình tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu
hạn dùng cho mục đích chung tổng hợp với chương trình có chứa trên 100.000
dòng lệnh. ANSYS có khả năng giải các bài toán tĩnh, động học, truyền nhiệt,
dòg chảy và trường điện từ. ANSYS là chương trình phân tích tính toán dựa
trên phần tử hữu hạn (FEA- Finte Element Analisis) hàng đầu trong hơn 35
năm qua. Phiên bản hiện tại là ANSYS 9.0 Multiphysis không những cho phép
giải các bài toán kỹ thuật phục vụ công nghiệp mà còn cho phép giải các bài
toán trong lĩnh vực MEMS phù hợp với kích thước Micromet. ANSYS không
những giải được những bài toán kỹ thuật đơn trường mà còn cho phép giải các
bài toán đa trường: Phân tích nhiệt - ứng suất, phân tích điện - cơ, phân tích
chất lỏng - cơ, phân tích điện - nhiệt. Ngoài ra chương trình còn cho phép sử
dụng cả giao diện đồ hoạ và câu lệnh trong môi trường Window và Linux đã
giúp phần mềm này trở nên dễ sử dụng hơn.
Ngoài chương trình ANSYS, hiện tại còn có các phần mềm sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn khác như: FEMLAB, SUGAR, MEMPRO. Đối

phục vấn đề này, 1 công thức biến phân xuất hiện (dạng yếu) với nhiều
phương pháp biến phân ra đời (phép xấp xỉ gần đúng hay phương pháp số) [2].
Phương pháp phần tử hữu hạn mà ANSYS sử dụng chính là 1 mẫu ứng dụng
của nguyên lý biến phân. Cụ thể các bài toán vật lý trong lĩnh vực cơ học vật
rắn và đàn hồi thường được mô tả bằng các phương trình vi phân đạo hàm
riêng. Và 1 trong các lời giải điển hình cho loại bài toán này là cực tiểu hoá 1
hàm nào đó, liên quan đến tích phân, thông qua 1 lớp hàm được xác định bởi
bài toán. Hàm này được xây dựng nhờ phép tích phân phần tử hữu hạn FEA .
Phương pháp này được gọi là phương pháp phần tử hữu hạn FEM . Với tư
tưởng của phương pháp này là rời rạc hoá cấu trúc.
Kết luận : Với cấu trúc và phương pháp phần tử hữu hạn mang hiệu quả
cao như vậy mà ANSYS đã và đang trở thành một gói phần mềm phân tích
phần tử hữu hạn hoàn chỉnh, dùng để mô phỏng, tính toán và thiết kế công
nghệ đã và đang được sử dụng trên toàn thế giới trong hầu hết các lĩnh vực của
kỹ thuật.

=======================================================
12


Khoá luận tốt nghiệp
Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý
=======================================================
1.2.2. ứng dụng của ANSYS trong mô phỏng cảm biến
Với những tính năng ưu việt của mình. ANSYS ngày càng được sử
dụng rộng rãi 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 rất nhiều.

3

R2

R4

4

H8. Mô hình cầu điện trở và mô hình PTHH

Với 1 cấu trúc điện thích hợp được tích hợp trên phần tử đàn hồi để cảm
nhận sự uốn cong và chuyển đổi tín hiệu cơ (sự uốn cong) đầu vào thành tín
hiệu điện lối ra. Và điện áp lối ra được tính bằng
Vout = Vin (

R1
R2

)
R1 R3 R 4 R 2

ANSYS mô phỏng đáp ứng tín hiệu điện đó, tìm ra vị trí tối ưu để đặt
các áp điện trở sao cho tín hiệu điện trên lối ra là rõ nét nhất trong phạm vi có
thể.
1.2.2.2. áp dụng vào nghiên cứu mô phỏng cơ tính của cảm biến
Như đã trình bày ở trên, cấu trúc cơ của cảm biến áp suất là 1 màng
Silic mỏng, đàn hồi, dễ dàng uốn cong khi có chênh lệch áp suất. ANSYS giúp
chúng ta mô phỏng sự uốn cong đó.
Mục đích của việc mô phỏng này là:
+ Xác định ứng xử của màng Silic khi có tải cơ học (áp suất ) đặt vào.

việc mô phỏng trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.

=======================================================
15


Khoá luận tốt nghiệp
Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý
=======================================================

Chương 2
Xây dựng chương trình mô phỏng

2.1. Cấu trúc chung của bài toán mô phỏng trong ANSYS

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

Tính toán (Solution)
Đặt tải: tải tập trung, tải bề mặt,
tải vật thể, tải quán tính (Inertia
Giải

Xử lý kết quả
(Postprocessor)
Khai thác:

+ Chương trình cũng sẽ tự tìm ra ma trận độ cứng tổng thể
+ Nhập tải trọng vào chương trình sẽ xác định được Véctơ tải trọng
+ áp điều kiện biên, ta thu được phương trình hệ thống
2.1.2. Tính toán (Solution)
Phần tính toán sẽ giải phương trình hệ thống để tính q (ẩn số chuyển vị)
Vì ANSYS dùng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc.
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 bài toán mô phỏng
Thông số đầu vào của bài toán mô phỏng cơ tính cảm biến áp suất
MEMS màng vuông bao gồm: Tính chất vật liệu Silic, thông số kích thước
màng, vùng tải áp suất, kiểu phần tử, kiểu chia lưới .v.v

=======================================================
17


Khoá luận tốt nghiệp
Trần Thị Ngọc Quỳnh - Lớp K31 Vật lý
=======================================================
2.2.1 Tính chất vật liệu Silic
Với Silic đơn tinh thể, hướng [110], trên phiến Silic (100) các thông số
vật liệu gồm [2]:
+ Mođun Young E = 1,698.1012 dyn/cm2
+ Hệ số Poisson = 0,28
+ Mođun trượt G = 0,622.1012 dyn/cm2
+ Khối lượng riêng = 2,33.10-6 kg/mm3.

2.3. Xây dựng chương trình mô phỏng
2.3.1. Các bước mô phỏng chung một bài toán trong ANSYS:
2.3.1.1. Mô hình hoá màng đàn hồi:
File chương trình và Menu được sử dụng để dựng mô hình phân tích.
Các lệnh xây dựng mô hình màng được viết trong Notepađ ghi thành file và
đọc vào ANSYS.
Mô hình đầu vào này bao gồm: Kích thước, vị trí màng, các đặc tính vật
liệu, kiểu phần tử, cách chia lưới.v.v
2.3.1.2. áp đặt điều kiện biên và tải tác dụng
Chia lưới mô hình, đặt các điều kiện biên và áp suất tác dụng lên màng.
Các kết quả mô phỏng phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị lớn nhất sẽ thu
được dễ dàng dưới các áp suất khác nhau.
Các phân bố sẽ cho biết vị trí nào trên màng có ứng suất lớn nhất từ đó
sẽ tối ưu hoá cách sắp xếp các điện trở nhạy (áp điện trở). Tại điểm mà ở đó
ứng suất kéo lớn nhất tiến đến giá trị ứng suất phá huỷ vật liệu thì giá trị áp
suất đặt vào là giới hạn trên của tầm đo đối với màng đang xét.
2.3.1.3. Xử lý kết quả và thảo luận
2.3.2. Bài toán mô phỏng
Bài toán của chúng ta đươc mô phỏng như 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


TBDATA,19,c44,0,c44
! Vat lieu Si de
et,2,solid186
si2=2
mp,dens,si2,Dpoly

=======================================================
20


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
TrÇn ThÞ Ngäc Quúnh - Líp K31 VËt lý
=======================================================
!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 ( )

la=a
wa=a
d=10


!Chieu rong dien tro

kc=10

!Khoang cach tu mep mang den dau dien tro

kc1=20
m=50

! cach y
! cach x

!Mo hinh bo tri cac dien tro
!--------------------------------------------

=======================================================
21


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
TrÇn ThÞ Ngäc Quúnh - Líp K31 VËt lý
=======================================================
!--------------y1-y2-----------------!-------------------------------------------!--------x1--------------x2---------------------!---------------------------------------!------------------------------------!--------------y3-y4------------!-----------------------------------CSYS,11
!Ve mang co do day phan vung
rectng,-la/2,la/2,-wa/2,wa/2

!Mat chinh cua mang y

(1)


rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,m,-m

!Than dien tro x2 (nam o dam trai - ben

duoi-phai) (8)
!Ve dau cua cac dien tro
rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,a/2-kc,a/2-kc-2*w!Dau tren dien tro y1 (9)
rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,a/2-kc-l2,a/2-kc-l2-2*w! Dau duoi dien tro y1
(10)
rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),a/2-kc,a/2-kc-2*w

!Dau tren dien tro y2 (11)

rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),a/2-kc-l2,a/2-kc-l2-2*w! Dau duoi dien tro y2
(12)

=======================================================
22


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
TrÇn ThÞ Ngäc Quúnh - Líp K31 VËt lý
=======================================================
rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,-a/2+kc,-a/2+kc+2*w
y3

!Dau tren dien tro

(13)


a/2-kc+w/2,a/2-kc-3*w/2,-m+w,-m-w !Dau duoi dien tro x2 (20)

!Cac diem tiep xuc
rectng,-(w+kc1),-kc1,a/2-kc-w/2,a/2-kc-3*w/2

!Diem tiep xuc tren y1(21)

rectng,-(w+kc1),-kc1,a/2-kc-l2-w/2,a/2-kc-l2-3*w/2 !Diem tiep xuc duoi y1
(22)
rectng,kc1,w+kc1,a/2-kc-w/2,a/2-kc-3*w/2!Diem tiep xuc tren y2
rectng,kc1,w+kc1,a/2-kc-l2-w/2,a/2-kc-l2-3*w/2

(23)

!Diem tiep xuc duoi y2 (24)

rectng,-(w+kc1),-kc1,-a/2+kc+w/2,-a/2+kc+3*w/2 !Diem tiep xuc duoi y3 (25)
rectng,-(w+kc1),-kc1,-a/2+kc+l2+w/2,-a/2+kc+l2+3*w/2 !Diem tiep xuc tren
y3

(26)

rectng,kc1,w+kc1,-a/2+kc+w/2,-a/2+kc+3*w/2!Diem tiep xuc duoi y4 (27)
rectng,kc1,w+kc1,-a/2+kc+l2+w/2,-a/2+kc+l2+3*w/2
y4

!Diem tiep xuc tren

(28)


aadd,5,13,14!ghep phan than va hai dau dien tro y3 (4)
aadd,6,15,16!ghep phan than va hai dau dien tro y4 (5)
aadd,7,17,18!ghep phan than va hai dau dien tro x1 (6)
aadd,8,19,20!ghep phan than va hai dau dien tro x2 (7)
!Tao the tich khoi
vext,1,1,1,0,0,-d

!Tinh tien mat mang theo truc z mot doan -d

(1) (9)
vext,2,2,1,0,0,-d1 !Tinh tien tam cung giua theo truc z mot doan -d
(2) (10)
vext,3,7,1,0,0,-c

!Tinh tien cac dien tro theo truc z mot doan -c

(3,...7) (11...15)
vext,33,33,1,0,0,-c !Tinh tien cac dien tro theo truc z mot doan -c
(8) (16)
vext,21,32,1,0,0,-c !Tinh tien cac tiep xuc tdien tro theo truc z mot doan
-c

(9,...20) (9...20)

!Lam trung cac the tich giao nhau
vovlap,all !(chu y, ten cac the tich co the bi thay doi)
vsel,all
!Chia luoi
esys,12
!Chia khoi cac diem tiep xuc o dau dien tro

nummrg,node,5e-8
nummrg,all
!Noi cau dien tro
Vs=5
!----------------asel,s,area,,21
asel,a,area,,29
nsla,s,1
cp,1,volt,all
*get,nsx,node,0,num,min

=======================================================
25