TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ RÔBỐT
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG TS. PHẠM HỒNG PHÚC ThS. NGUYỄN ANH TUẤN Sinh viên thực hiện : BÙI VĂN HUY LÃ XUÂN HÙNG Lớp : Cơ điện Tử 2 - K50 Giáo viên hướng dẫn
:
Hà Nội, 6/2010
NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS
CẤU TRÚC VÀ XÂY DỰNG CÔNG THỨC
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC
KẾT LUẬN
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS ●
Khái niệm về vi cơ điện tử - MEMS
Hệ thống vi cơ điện tử-MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là hệ thống tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, bộ kích hoạt và các cấu kiện điện tử, được sản xuất bằng công nghệ micro.
Hai dòng sản phẩm chính của công nghệ MEMS là cảm biến (sensor) và bộ kích hoạt (actuator). Sensor tực
Actuator nhiệt Actuator áp điện
Sensor gia tốc
Sensor
Actuator Sensor vận tốc góc
Actuator tĩnh điện
Sensor nhiệt
Actuator hợp kim
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS ●
Ứng dụng của MEMS
●
●
Điện tử gia dụng Vũ trụ, quốc phòng
M E M S
●
●
Ứng dụng y sinh
Lĩnh vực giao thông
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS ●
Định hướng phát triển MEMS
Công Sử Chuyển Tích
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS Vi cảm biến cơ học- Micromechanical Sensor Định nghĩa Cảm biến vi cơ là một thiết thiết bị tiếp nhận một tín hiệu đầu vào cơ năng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Phân loại ●
Ø
Ø
Cảm Cảm Cảm
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH •
Ø
Lý Thuyết Tĩnh Điện Điện dung của bản tụ song song: C =
Ø
A.ε .ε 0
(2.1)
x Lực pháp tuyến trên bản cực di
động: 1 ∂C ( x ) 2 A.ε .ε 0 2 .V = − .V F n = . 2 2 ∂ ( x ) 2. x
Bản cực cố định (2.2)
Bản cực di động
Trong đó: A là diện tích của bản tụ ε là hằng số điện môi của chất điện môi giữa hai bản tụ ε0 =8,854x10-12 là hằng số điện môi của chân không x khoảng cách giữa hai bản tụ V điện áp đặt vào
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH Ø
Lực tiếp tuyến trên bản cực di động
Ft
=
h.εε . 0 V . 2. g 0
Bản cực di động 2
(2.3)
Trong đó: h là chiều rộng của bản tụ g0 là khe hở giữa hai bản tụ V là điện áp đặt vào
Bản cực cố định
Từ phương trình (2.2) và (2.3) ta có: Fn y = Ft g
0 0
Trong đó: y0 là khoảng chồng lên nhau tại thời điểm đang xét. Nhận xét: Fn ≥ Ft do y0 ≥ g0
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH Chuyển vị pháp Phương trình xác định độ chuyển vị cua dầm: tuyến Ø
A.ε .ε 0 .V 2 2
2( g0 − x )
(2.4)
− k.x = 0
Trong đó: V là điện áp giữa 2 bản cực g0 là khe hở ban đầu k là độ cứng của hệ dầm Điều kiện trạng thái ổn định: ∂ F ∂ x Ø
< 0⇒< x
1 . g 3
Chuyển vị góc
C (ϕ ) =
Bε ε0 dx
∫ (d − ϕ x )
−a
B ε0ε ( d + ϕ a) (2.5) ln ϕ ( d )− aϕ
=
Điều kiện trạng thái ổn định:
V
d
Công thức tính điện dung theo chuyển vị góc a
0
2
∂ E (= ϕ 2
∂ϕ
0)
a >0
O
a
X
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH ● Ø
Ø
Ø
Mục Đích Của Đề Tài Thiết kế, tính toán, mô phỏng micro sensor đo lực 3 bậc tự do sử dụng hiệu ứng tĩnh điện. Nguyên lý hoạt động của micro sensor đo lực dựa vào hiệu ứng tĩnh điện. Lực tác dụng làm thay đổi điện dung giữa các điện cực điện dung thay đổi làm điện áp thay đổi, xác định giá trị điện áp thay đổi tính ngược lại lực tác dụng. Dựa vào mục đích và nguyên lý trên em đưa ra một số thiết kế sensor đo lực 3 bậc tự do.
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH ●
Cấu trúc sensor phương án 1
Ưu điểm: - Kết cấu đơn giản.
Cố định Dầm thẳng Bản cực trên
Bản cực dưới Nhược điểm: - Chuyển vị góc khi đo Mx (My) nhỏ => sự thay đổi điện dung nhỏ => độ nhạy của sensor thấp.
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH ●
Cấu trúc sensor phương án 2 Dầm càng cua Răng lược cố định
Ưu điểm: Cùng một giá trị chuyển vị điện dung thay đổi lớn hơn rất nhiều.
Nhược điểm: Khi đo Mx khó xác định được sự thay đổi của điện dung theo góc xoay φ Khi đo Fx, Fy 2 đoạn của dầm càng cua đều bị uốn nên tín hiệu đo bị nhiễu.
Răng lược di trượt
Cố định
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH ●
Cấu trúc sensor phương án 3
Ưu điểm: - Kết cấu đơn giản. - Điện dung thay đổi lớn theo chuyển vị của dầm và dễ dàng xác định được.
Nhược điểm: - Khi đo Fz điện dung thay đổi bị giới hạn bởi điều kiện ổn định giữa 2 bản cực : y < (1/3)d0
Bản cực trên
Bản cực trên Dầm càng cua
Chọn cấu trúc này do có nhiều ưu điểm nhất
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH ●
V 0 =
Mạch điện đo giá trị thay đổi điện dung 2(V P − V F )(C S −C R )
(2.6)
CS
CS + CR +2 C P Với: CS;CR;CP : điện dung của biến tụ, tụ tham chiếu và điện dung trở khí.
VP;VF;V0: điện áp điều khiển, rơi trên diode, giữa điểm A và B xuất hiện khi Cs≠Cr.
RF
A +V p
Cc D1
-Vp
D2 Cc B Cp
C
CS
D3 D
CR
D4 Cp
Cf Cf
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH Ø
Tính cho trường hợp đo Mx
Áp dụng (2.4) điện dung giữa 2 bản cực khi khối nặng xoay góc φx là:
C x (ϕ x )=
− a1
∫− a
2
a2
bε ε0 (d − ϕ x y )
= 2C0
+
N ϕ x
b 0 εε d y + ∫ (d x y− ϕ ) a
dy
1
2
+M x
4
ϕ (2.7)
Trong đó:
N =
2C0 (a1 + a1 a2 + a2 ) 2
2
2
3d
2C0 (a41 + a31 a2 + a21 a22 M = 5d 4
3
+a1 a2
a+42 )
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH Độ biến thiên điện dung: 2 4 ) bC ϕ − = N M d x x + ϕ Từ (2.5) và (2.7) ta có φx là nghiệm của phương trình:
∆C
=C(ϕ
4 x+
Mϕ Nϕ Mx= kx
2 x=
(2.8)
C
sx
ϕ x Tính My Tương tự ta có φy là nghiệm của phương trình:
Ø
4 MyNϕ =ky.φy ϕ y+ M
2 y=
(2.7)
C sy
(2.9)
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH Tính Fz Fz=kz∆d (2.10) Trong đó: kz hệ số chống uốn của hệ dầm, xác định bằng mô phỏng cấu trúc. ∆d chuyển vị của dầm: Ø
∆d = d − d0 =
C − C0 C0
. d0 =
∆C. d0
C 0
(2.11)
d0 là khoảng cách ban đầu giữa 2 bản cực. Aε ε 0 d C là0 =khoảng cách sau khi tác dụng lực Fz. d ∆C là giá trị thay đổi điện dung xác định bằng mạch điện. điện dung ban đầu.
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Cho một ví dụ sensor có các thông số mạch điện như sau: CR=0,32 pF, CP=0,15pF, VP=1,5V, VF=0,5V, C0=CR=0,32 pF Điều kiện ổn định: |∆C| < 1/3C0= 0,107 pF Chọn |∆C|max =0,1pF Tính toán cho trường hợp ∆C =|∆C|max =0,1pF Cs= CR+∆C =0,42pF. Áp dụng công thức (2.5): V0 =0,19V ●
Ø
Ø
RF
A +V p
Cc D1
-Vp
D2 Cc B Cp
C
CS
D3 D
CR
D4 Cp
Cf Cf
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Xác định sơ bộ kích thước hình học của sensor Yêu cầu đề tài: Thiết kế sensor kiểu điện dung có kích thước bao 3×3mm2. ●
Sơ bộ thông số hình học của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (μm)
d0
h
a
a1
a2
w
c
lx
ly
b
fix1 fi fix2
10
30
300 300 600 150 100 1000 200 10 250 800
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Xác định các hệ số cứng của dầm Xác định kφx kφx: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc Đặt momen Mx= 1µNm vào khối nặng Khối nặng bị xoay 1 góc φ0x: ●
Ø
φ0x= a tan(U x max ) = a tan( 117 ) 4w
600
=0,1926 rad Trong đó: Uymax: là chuyển vị lớn nhất của khối nặng. Xác định bằng Ansys Uxmax= 117µm kφx = 1/ φ0x =5,2 µNm/ rad
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Xác định kφy kφy: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc Đặt momen My= 1µNm vào khối nặng Khối nặng bị xoay 1 góc φ0y: Ø
φ0y=a tan(
U x max 4w
) = a tan(
54 600
)
=0,09 rad Trong đó: Uymax: là chuyển vị lớn nhất của khối nặng. Xác định bằng Ansys Uxmax= 54µm kφy = 1/ φ0y =11,1 µNm/rad
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Xác định kz kz: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc
Ø
Đặt lực Fz= 1µN vào khối nặng Khối nặng chuyển vị Uzmax Xác định bằng Ansys Uzmax= 0,015µm kz = 1/ Uzmax =66,67 µN/µm
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Ø
Tính Mx Ta có: Cs =0,42pF =
2ε ε 0 a (a32 − a31 ) 3 4 4= N 4 3d
pF
2εε 0 a( a25 − a15) = 800366pF M = 6 5d
Theo (2.51) ta có: kφmin =N.V2=0,00075 (μNm/rad) Giải phương trình (2.8) ta có: φx = ± 0,0143rad Mx = kφx.φx = ±0,074µNm
Chuyển Chuyển vị của bản cực trên ứng vớ i Mx=0,074µNm
Ø
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Tính My Tương tự ta có: φy = ± 0,0143rad My = kφy.φy = ±0,159µNm
Chuyển Chuyển vị của bản cực trên ứng vớ i My=0,159µNm
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Ø
Tính Fz Chuyển vị của sensor ∆d = d − d 0 =
∆C.d 0
C 0
= 3,125 ( µ m )
Fz =kz .∆d =208,36μN Chuyển Chuyển vị của của bản cực trên ứng vớ i Fz=208,3µN
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Đề xuất bộ thông số hình học của Sensor Bằng mô phỏng bài toán cấu trúc đã xác định được các hệ số cứng. Để tìm được kích thước hợp lí ta thay đổi Đồ thị liên hệ giữa các độ cứng và chiều dài ly như sau: ●
Đồ thị liên hệ giữa momen kz và ly
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Nhận xét: + Dựa vào đồ thị ta có: •Giảm ly thì kφx giảm và kφy tăng. •Tăng ly thì kφx tăng và kφy giảm. •Tăng ly thì kz giảm. + Theo đồ thị ta có tại ly=330μm kφx= kφy và tương đối nhỏ. + Điều kiện ổn định: kφ>kφmin Theo đồ thị ta có kφ ≥ kφmin Đồ thị liên hệ giữa momen kφx (kφy) và ly →Tăng độ nhạy của sensor bằng cách giảm chiều rộng b của dầm.
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Bộ thông số hình học của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (μm)
d0
h
a
a1
a2
w
c
lx
ly
b
fix1 fi fix2
10
30
300 300 600 150 100 1000 200 10 250 800
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Xác định tần số riêng của hệ dầm Mục đích: để tránh tần số dao động riêng của hệ dầm bằng với tần số của ngoại lực tác dụng gây ra hiện tượng cộng hưởng phá hủy cấu trúc. Tần số dao động riêng Theo phương x. Kết quả mô phỏng: fx=8330Hz. ●
Tần số dao động riêng của hệ bản cực trên theo phương x
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Tần số dao động riêng theo phương y Kết quả mô phỏng: fy=2204Hz.
Ø
Tần số dao động riêng của hệ bản cực trên theo phương y
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Tần số dao động riêng theo phương z Kết quả mô phỏng: fz=4917Hz dao động riêng theo phương y là nguy hiểm nhất. Ø
Tần số dao động riêng của hệ bản cực trên theo phương y
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO Tính tần số dao động riêng theo công thức thực nghiệm Mục đích: tính tần số dao động riêng theo phương có tần số dao động riêng nhỏ nhất bằng công thức lý thuyết so sánh với kết quả mô phỏng. Ø
Theo công thức tính khối lượng quy đổi của phần di động [11]: m = M p +0,3 +0,37 714.M
Trong đó: Mp – khối lượng phần di động. M – khối lượng dầm. Sau khi tính toán ta có: m= 4,4.10-8kg Đặt lực Fy =1μN ta đi1 tìm K chuyển 1 vị theo25phương y bằng Ansys, kết quả là: z fr = = =2191 -8 m 2π 3.4,4 .10 Uy=0,12μm →2πky =1/Uy=8,3 μN/μm Tần số dao động riêng của hệ:
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG SENSOR S ENSOR LỰC ●
Các phương pháp vi gia công Gia công vi cơ khối ( Bulk micromachining)
Vi gia công (Micromachine)
Gia công vi bề mặt ( Surface micromachining)
Công nghệ Liga
Chọn phương pháp gia công vi cơ khối.
- Đơn giản, dễ gia công chế tạo, giá thành thấp. Không gia công được màng quá mỏng hoặc quá dầy.
-
- Là phương pháp đơn giản - Giá thành cao. Gia công được màng mỏng hoặc dày, độ chính xác cao. - Giá thành cao, cần chú ý an toàn.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG SENSOR S ENSOR LỰC
Mô hình của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG SENSOR S ENSOR LỰC ●
Các bước gia công (a)
Chuẩn bị
Lớp Silicon mỏng (10 μm)
(d)Phủ điện cực cho đế thủy tinh
Lớp SiO2 (4 μm)
Lớp Silicon nền (100 μm)
(b) Quá trình gia công bề mặt trên
(c) Quá trình gia công bề mặt đáy
(e) Quá trình dán - Anodic Bonding
(f) Ăn mòn bằng hơi HF đỗi với lớp SiO2
KẾT LUẬN Đồ án đã trình bày được các vấn đề sau: * Tìm hiểu tổng quát về công nghệ MEMS, Vi cảm biến cơ học. * Tìm hiểu lý thuyết tĩnh điện.(cơ sở căn cứ để nghiên cứu nguyên lý hoạt động của sensor kiểu điện dung ). ). * Thiết lập công thức tính lực cho sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (cấu trúc hình chữ thập dầm càng cua ). * Sử dụng phần mềm Ansys: + Giải bài toán cấu trúc để đạt độ chính xác cao nhất. + Xác định tần số dao động riêng để tránh gây cộng hưởng. * Đưa ra chip kích thước 3x3mm sử dụng làm sensor. * Đề xuất các bước trong qui trình công nghệ gia công sensor. •
Chúng em xin chân thành cám ơn các thầy và các bạn đã lắng nghe !
