THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC
*****

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ
Đề Tài :Thiết kế cảm biến lưu lượng sử dụng
hiệu ứng điện dung trong đo vận tốc dòng khí
trong ống dẫn khí tự nhiên
Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Xuân Khải
Sinh viên thực hiên:

Nguyễn Văn Sơn

-20143861

Nguyễn Tài Trưởng - 20144821
Đồng Tuấn Anh

- 20140055

Nguyễn Đức Tiến

-20144474

Page 1




111Equation Chapter 1 Section 1Hình 1 cho ta thấy sơ đồ của hệ thống vi cảm biến hoạt
động dựa trên sự biến thiên lưu lượng điện dung. Một tấm dạng ván được hỗ trợ bởi hai dầm
congxon sẽ có chuyển vị khỏi mặt phẳng dưới áp lực động tạo ra bởi luồng khí xung quanh.
Các bản tụ điện đặt song song với điện cực di động, gắn với tấm sẽ thay đổi điện dung khi
cấu trúc bị lệch. Bằng cách đo sự thay đổi điện dung, vận tốc dòng khí có thể được tính
toán. Để tăng độ nhạy của thiết bị, nhưng vẫn giữ kích thước tới hạn lớn (10 μm), các thông
số kỹ thuật của ba hàng tụ điện cần được thiết kế.
Page 2


THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ

Hình 1

Hình 2: Sơ đồ mặt cắt của cảm biến lượng điện dung
Page 3


THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ
Đơn giản hóa mô hình:
 Áp lực động của dòng khí được coi như một dải lực phân bố tác dụng lên dầm
 Trong điều kiện hỗn loạn với hệ số Reynolds lớn, lực kéo trên tấm ván có thể đơn

giản hóa bằng một lực tập chung:
1
Fd = CD ( ρ v 2 ) A
2
22\* MERGEFORMAT ()
Trong đó:

từ đầu tự do của dầm. Giả định rằng tấm và các bản
tụ có cùng một hệ số kéo, dựa vào định luật Xác định khối tâm của cơ hệ, ta có thể tìm được
Fd
L1
vị trí đặt lực
tại
được tính như sau:
 1  1 9d + 6 f + 19δ  A f 
L1 =  +  +
L
÷
÷
2 2
÷
6
L
A
+
A

f
p 


Trong đó:

Page 4

33\* MERGEFORMAT ()


÷
6L
2
 A f + Ap
Đặt
Công thức số (2) trở thành:

1

L1 =  + c ÷L
2

Af

Bởi vì

Ap

là rất nhỏ so với

nên c cũng khá là nhỏ

Góc xoay và độ võng tại điểm cuối của dầm do lực
vi phân đàn hồi:

c ≈ 0.077

Fd

gây ra được xác định từ phương trình

66\* MERGEFORMAT ()

Trong đó: l, E và I lần lượt là chiều dài, modun đàn hồi và momen quán tính của thanh dầm.
Tại thời điểm ban đầu, độ võng và góc xoay của chúng bằng với độ võng và góc xoay tại
phía đầu dầm cố định. Và độ võng phía cuối tấm được xác định bởi:
z p = zb + θb L

77\* MERGEFORMAT ()
zp

Điện dung do độ võng

gây ra được xác định bởi:

 z

 z

C = C0 1 − p ( 1 + D )  + C1 1 − p ( 1 + D ')  + C p
t
t





88\* MERGEFORMAT ()

Trong đó:
 t là độ dày của thiết bị

δ

Ae
tdo

1010\* MERGEFORMAT ()

1111\* MERGEFORMAT ()
Page 6


THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ

D=

1+

D' =

2 L1

1+

l  9d + 6 f + 18δ 

÷
β
4l



C = C0 + C1 + C p −

C0 + C1 + C0 D + C1D '
zp
t

1414\* MERGEFORMAT ()

Từ công thức (4), (5) và (6) ta có
z p = zb + θ b L =

Fd l 3  3L1 
Fd l 2  2 L1 
1
+
+
L
.

÷
1 +
÷
3EI 
2l 
2 EI 
l 

l 2  l L + L1 LL1 
zp =
+

2
l 
3

(C0 + C1 + C0 D + C1D ')CD ρ Al 2  l L + L1 LL1 
b=
+
 +
÷
2tEI
2
l 
3

Ta thu được phương trình quan hệ giữa điện dung và vận tốc dòng khí như sau:
C = a − bv 2

1616\* MERGEFORMAT ()

Bảng: Các thông số
Thông số
Cỡ chip
Chiều dài tấm
Chiều rộng tấm
Chiều dày thiết bị
Chiều dài dầm
Chiều rộng dầm
Chiều rộng bản tụ
Khoảng cách giữa hai bản tụ
Khoảng cách giữa bản tụ và

280 μm

f

100 μm

N

287

10 μm

Hình 3 cho thấy chuyển vị của tấm và điện cực di động tính bằng phương pháp phần tử hữu
hạn (FEM). Dựa vào chuyển vị của tấm, biến điện dung so với vận tốc dòng khí có thể được
tính toán.

Page 8


THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ

Hình 3

Hình 5
Hình 5 cho thấy quá trình chế tạo của các cảm biến lưu lượng bằng cách sử dụng các tấm
Silic trên nền cách điện (SOI). Quá trình chế tạo đơn giản và chỉ cần ba mặt nạ quang khắc.
Đầu tiên, 200 nm Cr / Au bị bốc hơi bằng cách bốc hơi bằng cách sử dụng tia điện trong môi
trường chân không và được tạo mẫu để tạo miếng đệm điện (Hình 5a). Tiếp theo, một phản
ứng khắc sâu bằng ion (DRIE) được sử dụng ở cả hai mặt của tấm lót SOI để xác định dầm,
Page 9

ở áp suất khí quyển (14,7 psi) và nhiệt độ
Page 11

250 C


THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ

Vận tốc không khí được đo bằng một máy đo nhiệt độ TPI 575C1. Công cụ BK Precision
890C được sử dụng để đo điện dung giữa hai điện cực của cảm biến lưu lượng. Một quạt
không khí có thể điều chỉnh tốc độ được sử dụng để tạo ra dòng không khí. Hình 8 thể hiện
dung lượng đầu ra của cảm biến lưu lượng so với vận tốc dòng không khí ở nhiệt độ phòng.
Dữ liệu phù hợp nhất được thể hiện bằng đồ thị của một đường cong bậc hai bao gồm thứ tự
đầu tiên và thứ tự thứ hai của vận tốc. Điều quan trọng cần lưu ý là tất cả các cảm biến dòng
chảy đều nhạy cảm với sự thay đổi mật độ của khí, và do đó là một hàm của nhiệt độ. Sẽ là
không mong muốn nếu cơ chế chuyển đổi bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường
xung quanh. Lợi ích của điện dung (ví dụ so với áp điện trở) là sự chuyển đổi là không nhạy
cảm với sự dao động nhiệt độ.

Hình 9 cho thấy một thiết lập thử nghiệm để kiểm tra phản ứng của dòng chảy cảm biến
dưới nhiệt độ thay đổi. Hình 10 cho thấy điện dung so với nhiệt độ trên thiết bị cho khác
nhau của tấm là khác nhau, tương ứng với khác nhau áp lực năng động. Đối với không có độ
lệch, tương đương với không có dòng chảy, dung lượng đầu ra vẫn không thay đổi cho một
phạm vi nhiệt độ rộng. Đối với một độ lệch tương đương với luồng không khí 15,6 m / s,
Page 12


THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ
dung lượng dao động khoảng 2% khi nhiệt độ từ 200 oC đến 1400 oC. Lưu ý rằng 2% sự
thay đổi có thể được giảm đáng kể bởi đo và hiệu chuẩn, nhiệt độ môi trường xung quanh.

mòn, được coi là công việc trong tương lai.

Page 14