-1- Lời cam đoan Tôi xin cam đoan với Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ đề tài tự nghiên cứu, tìm hiểu hướng dẫn, góp ý bảo tận tình thầy hướng dẫn PGS.TS Đinh Văn Dũng Kết đề tài trung thực không trùng hợp với kết đề tài khác Nếu sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả luận văn Trần Đức Tiến -2- Lời cảm ơn Đầu tiên, cho phép bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Đinh Văn Dũng định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường, phòng Sau đại học, thầy cô Bộ môn Vật lý chất rắn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn người thân gia đình, bạn bè giúp đỡ động viên suốt trình học tập hoàn thiện luận văn Tác giả luận văn Trần Đức Tiến -3- Mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu Chương Tổng quan cảm biến áp suất MEMS kích thước nhỏ .5 1.1 áp suất cảm biến áp suất 1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu 1.3 Vật liệu công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS .8 1.4 Cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông kiểu áp trở 23 Chương Phát triển cấu trúc cảm biến Xây dựng chương trình mô cấu trúc đặc trưng hoạt động cảm biến dựa phần mềm ANSYS 26 2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến 26 2.2 Xây dựng chương trình mô 27 Chương Kết mô thảo luận 36 3.1 nhy cm bin .36 3.2 Sự phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a1 góc làm mỏng 36 3.3.Sự phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a1 góc làm mỏng 37 3.4 Kích thước tối ưu góc làm mỏng 38 3.5 Sự cải thiện độ lệch màng 38 3.6 Sự cải thiện ứng suất 40 3.7 Sự phụ thuộc điện áp vào tải áp suất 43 3.8 Khảo sát phụ thuộc độ nhạy vào điện áp nguồn nuôi 44 Kết luận 45 Tài liệu tham khảo 46 Phụ lục .48 -3- Mở ĐầU Công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) hứa hẹn cách mạng hoá loại sản phẩm cách tích hợp yếu tố vi điện lại với Silic theo công nghệ vi cơ, cách tạo hệ thống chíp hoàn chỉnh (systems on a chip) MEMS dùng để tạo cấu trúc, linh kiện hệ thống phức tạp theo đơn vị micro, công nghệ có khả cho phép phát triển sản phẩm thông minh, tăng khả tính toán yếu tố vi điện tử với vi cảm biến vi kích hoạt có khả nhận biết điều khiển Ngoài ra, MEMS mở rộng khả thiết kế ứng dụng Nghiên cứu mô đặc trưng hoạt động linh kiện MEMS hướng nghiên cứu ứng dụng thành tựu công nghệ tin học vào việc xác lập lí thuyết đặc trưng hoạt động linh kiện trước tiến hành thực nghiệm Đây công việc quan trọng hỗ trợ đắc lực cho công nghệ nhằm tìm thiết kế tối ưu linh kiện phù hợp với điều kiện công nghệ điều kiện làm việc linh kiện, nhờ tiết kiệm thời gian chi phí cho nghiên cứu công nghệ khảo sát thực nghiệm tốn Đề tài Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở độ nhạy cao đặt cho luận văn Trên cở sở nghiên cứu cấu trúc, vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS truyền thống, đề tài phát triển cấu trúc cảm biến áp suất Dựa phần mềm ANSYS , mô cấu trúc cảm biến, đặc trưng hoạt động cảm biến mô độ lệch, ứng suất, độ nhạy cảm biến thực Từ rút kết luận cấu trúc cảm biến Nội dung luận văn trình bày chương Chương Tổng quan cảm biến áp suất MEMS kích thước nhỏ Chương tìm hiểu loại cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu cấu trúc, nguyên lý hoạt động, vật liệu công nghệ để chế tạo chúng Từ chọn cấu trúc phù hợp để phát triển -4- Chương Phát triển cấu trúc cảm biến - xây dựng chương trình mô cấu trúc đặc trưng hoạt động cảm biến dựa phần mềm ANSYS Cảm biến áp suất màng vuông dày kiểu áp trở lựa chọn để phát triển cấu trúc Từ viết chương trình cho toán mô ANSYS Chương Kết mô thảo luận Trong chương tìm thông số cạnh làm mỏng tối ưu, kết mô độ nhạy, độ lệch, ứng suất ba cấu trúc cảm biến màng dày đều, màng có góc mỏng màng góc mỏng tối ưu so sánh rút kết luận -5- Chương Tổng quan cảm biến O áp suất MEMS KIểU áP TRở 1.1 áp suất cảm biến áp suất 1.1.1 áp suất Một chất lỏng hay chất khí chứa bình chứa, chuyển động nhiệt hỗn loạn, phần tử chất lỏng hay chất khí va chạm vào thành bình chứa gây áp lực lên thành bình chứa áp lực vuông góc đơn vị diện tích thành bình chứa áp suất Ta có công thức sau: p F S (1.1) Trong F lực tác dụng, có đơn vị Newton (N), S diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị mét vuông (m2) Trong hệ SI áp suất có đơn vị N/m2, đơn vị dẫn xuất áp suất Pascal (Pa) (1Pa = 1N/1m2) Một số đơn vị dẫn xuất thường dùng áp suất: dyn/cm2 = 0.1 N/m2 = 10-5N/cm2 = 10-7N/mm2 bar = 105 N/m2 = 105 Pa = 1,0197 kG/cm2 = 0.9869 atm atm = 1.01325 bar = 760 mmHg (0oC) = 0.101325 N/mm2 = 1,033 kf/cm2 1.1.2 Cảm biến đo áp suất Cảm biến đo áp suất quan tâm nghiên cứu nhiều trung tâm giới Đã có nhiều loại thành phẩm cảm biến đo áp suất chế tạo dựa công nghệ khác thương mại hóa thị trường Trong số đó, cảm biến đo áp suất chế tạo dựa công nghệ MEMS giành thị phần đáng kể thể ưu điểm trội khả đặc biệt công nghệ giá thành sản phẩm -6- Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, nhiều loại cảm biến áp suất đời Phổ biến sử dụng màng Màng (diaphragm) mỏng (thường chất bán dẫn) có khả bị biến dạng có áp suất đặt lên Khi áp suất bên tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào chênh lệch áp suất cần đo áp suất chuẩn so sánh mà màng bị biến dạng, độ biến dạng màng phụ thuộc vào độ lớn áp suất tác dụng vào Bằng nhiều cách khác người ta biến đổi độ biến dạng màng thành tín hiệu điện thông qua biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung sử dụng hiệu ứng áp điện, dao động điện, dùng phương pháp transistor áp điện v.v 1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu Trong công nghệ MEMS có hai phương pháp sử dụng rộng rãi cảm biến kiểu áp trở cảm biến kiểu tụ trình bày 1.2.1 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở Cấu trúc cảm biến sử dụng thường màng vuông có cấy áp điện trở kiểu cầu Wheatstone kiểu điện trở điện cực Cầu điện trở Wheatstone: Mô hình phổ biến ứng dụng hiệu ứng áp điện trở việc chuyển đổi tín hiệu - điện sử dụng cầu điện trở Wheatstone mô tả hình R1 R2 Vout R4 R3 Vin Cầu gồm bốn điện trở có giá trị tĩnh đặt vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại màng silic Trong phương pháp lấy hiệu lối ra, nguồn nuôi cầu điện trở khoảng vài vôn cấp cho cầu qua điểm 3, hiệu lối lấy điểm Các điện trở R1, R2, R3, R4 tạo phương pháp cấy tạp chất phần tử nhạy Vì giá trị tĩnh -7- điện trở nhau, nên phần tử nhạy chưa biến dạng, cầu điện trở cân hiệu lối Khi phần tử nhạy bị uốn cong, áp điện trở thay đổi giá trị làm cầu cân Do cách bố trí điện trở, biến đổi hai điện trở R1 R3 ngược chiều với hai điện trở lại R2 R4 Nếu R1 R3 tăng giá trị R2 R4 giảm giá trị ngược lại Điện điểm tăng điện điểm lại giảm Sự chênh lệch vi sai gữa nhánh tăng gấp đôi so với nhánh Đây phương pháp vi sai đo chênh lệch điện nhánh cầu điện trở Theo hiệu ứng áp điện trở, thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc cách định lượng vào biến dạng vật liệu, tức phụ thuộc cách định lượng vào tác dụng học, nên hiệu lối phụ thuộc cách định lượng vào tác dụng học Đo hiệu lối ra, hoàn toàn xác định tác dụng học đặt lên phần tử nhạy Nguyên lý làm việc dựa biến dạng màng hay cấu trúc dầm (gọi chung phần tử nhạy) chuyển thành tín hiệu điện tương ứng nhờ áp điện trở cấy phần tử nhạy Khi phần tử nhạy cảm biến bị uốn cong, áp điện trở thay đổi giá trị Độ nhạy vùng làm việc tuyến tính vi cảm biến phụ thuộc nhiều vào kích thước cấu trúc cơ, dạng kích thước áp điện trở, vị trí áp điện trở phần tử nhạy Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng bị biến dạng áp lực phân bố màng bị thay đổi Do hiệu ứng áp trở, giá trị điện trở thay đổi từ chuyển đổi thành tín hiệu điện lối 1.2.2 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu tụ Cấu trúc cảm biến gồm màng gọi phần tử nhạy phủ lớp kim loại mỏng làm cực tụ điện, lớp kim loại khác phủ lên đế cố định làm cực thứ hai, gắn phần tử nhạy với đế cách thích hợp cho hai cực nằm đối diện nhau, ta tạo tụ có điện dung thay đổi Nguyên lí hoạt động cảm biến trình bày sau: -8- Khi có áp suất tác động vào phần tử nhạy, uốn cong phần tử nhạy làm cho khoảng cách hai tụ thay đổi, điện dung tụ thay đổi theo Đó nguyên lí chuyển đổi tín hiệu sang điện kiểu điện dung Hoàn toàn ta thu xử lí dễ dàng tín hiệu nhờ mạch tích hợp đế silic 1.3 Vật liệu công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS 1.3.1 Vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS MEMS bao gồm cấu trúc vi điện hoạt động cách hòa hợp, thống Mỗi phận linh kiện MEMS thường cấu tạo vật liệu khác ví dụ: dây dẫn làm từ kim loại, điện trở làm từ bán dẫn pha tạp Tính chất vật liệu phận ảnh hưởng đến đặc tính linh kiện Vì thế, việc tạo nên linh kiện MEMS đòi hỏi kiến thức vững vàng loại vật liệu để kết hợp chúng cách tốt thiết kế xây dựng quy trình chế tạo hợp lý Trên thực tế, công nghệ MEMS tập hợp chung kỹ thuật chế tạo khác Vì vậy, vật liệu sử dụng công nghệ MEMS rộng rãi : silic, thủy tinh, gốm, polymer Tuy nhiên vật liệu chủ yếu sử dụng để chế tạo cảm biến dựa công nghệ MEMS silic Vật liệu silic biết đến vật liệu công nghệ vi điện tử, sử dụng để chế tạo điện trở, tụ điện, transitor, chíp vi mạch tổ hợp v.v Các linh kiện MEMS phát triển trước hết dựa công nghệ vi điện tử để tạo mạch điện tử tổ hợp sử dụng kỹ thuật ăn mòn để tạo cấu trúc cơ, dựa đặc điểm đặc biệt cấu trúc mạng tinh thể để ăn mòn cấu trúc Với phẩm chất trội vật liệu silic tính chất cơ, tính chất điện, vật liệu silic trở thành vật liệu chủ yếu công nghệ MEMS 1.3.1.1 Vật liệu Silic -9- Phần tử nhạy cảm biến hoạt động liên tục tác dụng tải học đầu vào, chuyển đổi chúng qua biến dạng vật liệu thành tín hiệu điện lối Để làm tối ưu chức chuyển đổi tín hiệu cảm biến, việc phân tích đặc trưng học cấu trúc quan trọng Cũng cần nói thêm rằng, vật liệu silic sử dụng vật liệu công nghệ vi điện tử Kết hợp với khả ăn mòn dị hướng tạo cấu trúc chiều có độ xác cao, cấu trúc nhạy phần xử lí electron tổ hợp dễ dàng đế silic, vật liệu silic biết đến vật liệu công nghệ MEMS Trong phần này, phân tích tính chất cơ, đặc điểm mạng tinh thể tính chất áp trở quí báu silic nhằm làm bật vai trò silic vi cảm biến áp trở dạng cấu trúc phát triển nguyên lí a) Tính chất vật liệu silic ng suất giới hạn đàn hồi (yield strength), độ bền kéo (tensile strength), độ cứng (hardness) độ dão mỏi (creep) vật liệu liên quan mật thiết đến đường cong đàn hồi, tức đường cong ứng suất-biến dạng vật liệu thể hình 1.3 [1], [2], [6], [7], trục thẳng đứng mô tả ứng suất , trục nằm ngang mô tả biến dạng - Đối với biến dạng nhỏ, định luật Hook áp dụng cho ứng suất biến dạng tỷ lệ đường biểu diễn mối quan hệ ứng suất-biến dạng tuyến tính Biến dạng vật liệu phạm vi biến dạng đàn hồi Khi tải trọng đặt vào nhỏ ( < E), độ biến dạng tỷ lệ bậc với ứng suất, bỏ tải trọng biến dạng đi, vật trở lại kích thước ban đầu - 39 - (a) (b) (c) (d) Hình 3.5 Đồ hoạ độ lệch màng có dạng phẳng đều, tải áp suất 1atm: ( a) Phân bố độ lệch theo phương Ox; (b) Phân bố độ lệch theo phương Oy; (c) Phân bố độ lệch theo phương Oz; (d) Đồ hoạ chiều độ lệch (a) (b) (c) (d) Hình 3.51 Đồ hoạ độ lệch màng có dạng góc mỏng, tải áp suất 1atm: ( a) Phân bố độ lệch theo phương Ox; (b) Phân bố độ lệch theo phương Oy; (c) Phân bố độ lệch theo phương Oz; (d) Đồ hoạ chiều độ lệch - 40 - (a) (c) (b) (d) Hình 3.52 Đồ hoạ độ lệch màng có dạng góc mỏng tối ưu, tải áp suất 1atm: ( a) Phân bố độ lệch theo phương Ox; (b) Phân bố độ lệch theo phương Oy; (c) Phân bố độ lệch theo phương Oz; (d) Đồ hoạ chiều độ lệch Dưới áp suất tác dụng màng có góc mỏng tối ưu có độ lệch lớn so với màng phẳng màng góc mỏng Có thể lí giải điều sau: Do độ dày màng góc màng nhỏ hơn, nên độ lệch màng vị trí góc màng lớn hơn, kéo theo độ lệch màng vị trí khác, có tâm màng, lớn Tại áp suất atm, độ lệch tâm màng màng phẳng 9.77 m, màng góc mỏng 10.65 m, màng góc mỏng tối ưu 39.5m 3.6 Sự cải thiện ứng suất Từ kết mô ta thấy bị uốn cong màng xuất ứng suất, gồm thành phần ứng suất thẳng góc x, y, z dọc theo trục toạ độ, thành phần ứng suất trượt xy, yz, xz Các thành phần quan trọng ứng suất cấu trúc màng xét x, y ứng suất trượt xy Hình 3.6, 3.61, 3.62 mô tả quan hệ hiệu ứng áp trở với thành phần ứng suất - 41 - (a) (b) (c) Hình 3.6 Đồ hoạ ứng suất cảm biến áp suất, màng có dạng phẳng đều, tải áp suất 1atm: (a) Thành phần ứng suất x; (b) Thành phần ứng suất y; (c) Thành phần ứng suất trượt xy (a) (b) (c) Hình 3.61 Đồ hoạ ứng suất cảm biến áp suất, màng có dạng góc mỏng, tải áp suất 1atm: (a) Thành phần ứng suất x; (b) Thành phần ứng suất y; (c) Thành phần ứng suất trượt xy (a) (b) (c) Hình 3.62 Đồ hoạ ứng suất cảm biến áp suất, màng có dạng góc mỏng tối ưu, tải áp suất 1atm: (a) Thành phần ứng suất x; (b) Thành phần ứng suất y; (c) Thành phần ứng suất trượt xy Biến dạng xuất tâm màng trái dấu so với biến dạng khu vực trung điểm cạnh màng, biến dạng tâm màng biến dạng giãn biến - 42 - dạng trung điểm cạnh màng biến dạng nén ngược lại Vì ứng suất thẳng góc xuất khu vực trái dấu nhau, tâm màng phân bố ứng suất âm cạnh màng lại quan sát dương Phân bố ứng suất thẳng góc có hai cực trị trái dấu, cực trị tâm màng cực trị điểm cạnh màng Đây vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại Tuy nhiên ứng suất tâm màng nhỏ so với trung điểm cạnh màng áp điện trở đặt trung điểm sát cạnh màng Trên đồ hoạ chiều cho thấy từ vùng biến dạng nén sang biến dạng giãn, ta quan sát thấy khu vực chuyển tiếp có phân bố ứng suất nhỏ ứng suất Miền nằm miền cực trị ứng suất tâm màng lân cận trung điểm cạnh màng Xét thành phần ứng suất trượt ta thấy xuất góc màng Trong ứng suất thẳng góc đạt cực trị tâm màng trung điểm cạnh màng, ứng suất trượt lại nhỏ khu vực Tuy nhiên thành phần ứng suất trượt nhỏ thành phần ứng suất vuông góc khác Vì thay đổi cấu trúc màng không ảnh hưởng nhiều tới độ bền cảm biến mà vùng ứng suất trung điểm cạnh màng mở rộng làm tăng vùng làm việc tuyến tính nơi đặt áp điện trở vuông góc với cạnh màng Kết mô ứng suất theo trục Oy của màng góc mỏng tối ưu lớn so với màng dày màng góc mỏng Cụ thể tải áp suất đặt vào màng 1atm ứng suất màng góc mỏng tối ưu 0.4 x 10-3 N/m2 màng góc mỏng 0.1 x 10-3 N/m2, màng dày 0.09 x 10-3 N/m2 - 43 - 3.7 Sự phụ thuộc điện áp vào tải áp suất Cầu điện trở Wheatstone thiết kế gồm điện trở có giá trị tĩnh nhau, đặt khu vực trung điểm cạnh màng Hai điện trở đặt song song với cạnh màng chiều dài là: 100 m, hai điện trở thiết kế kiểu chữ đặt vuông góc với cạnh màng chiều dài điện trở chọn là: 50 m, chiều rộng điện trở là: 10 m, độ sâu lớp khuếch tán điện trở chọn là: m Với thông số này, áp điện trở có giá trị tĩnh khoảng 500 , cầu điện trở thiết kế phù hợp với điện áp nguồn nuôi V chiều [1] Kết phụ thuộc hiệu lối theo áp suất phạm vi tải áp suất mô cho thấy áp suất đặt vào ta có giá trị hiệu lối xác định Sự phụ thuộc hiệu lối theo áp suất xem tuyến tính (hình 3.7) Từ việc xác định hiệu lối ta biết áp suất tác dụng vào màng Mng dy u m ng gúc m ng ti u 100 90 80 Điện áp (mV/V) 70 60 50 40 30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 atm áp suất (atm) Hình 3.7 Điện áp cầu Wheatstone cảm biến chịu tải áp suất - 44 - So sánh kết đầu toán mô ta nhận thấy thay đổi cấu trúc màng phẳng truyền thống màng bốn góc mỏng tối ưu điện lối màng bốn góc mỏng tối ưu chênh lệch so với màng phẳng áp suất 2atm 11.42 mV/V Điều cho thấy thay đổi cấu trúc màng vùng ứng suất trung điểm cạnh màng tăng Nó làm tăng vùng làm việc tuyến tính cho áp điện trở, nhờ mà tín hiệu điện lối tăng 3.8 Khảo sát phụ thuộc độ nhạy vào điện áp nguồn nuôi Với kích thước góc làm mỏng trên, tải áp suất 1atm Ta khảo sát phụ thuộc độ nhạy vào điện áp nguồn nuôi cách thay giá trị điện áp nguồn nuôi vào toán mô Chương trình mô ANSYS cho phép xác định độ nhạy với kết sau : nhy 250 200 150 100 50 V Hình 3.8 Độ nhạy cảm biến điện áp nguồn nuôi thay đổi Kết cho thấy, vùng khảo sát điện áp độ nhạy không thay đổi đạt giá trị 221 mV/Vatm ta thay đổi điện áp nguồn nuôi - 45 - KếT LUậN Các kết đạt từ luận văn Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở độ nhạy cao cho phép rút số kết luận sau: - Đã phát triển cấu trúc cảm biến áp suất dựa cấu trúc màng cảm biến áp suất MEMS dạng phẳng màng góc mỏng Đó cấu trúc màng có góc mỏng tối ưu Trên cấu trúc màng cảm biến áp suất phẳng hay góc mỏng, khu vực góc màng nơi xuất ứng suất học nhỏ khu vực tâm màng khu vực trung điểm cạnh màng, bề dày thiết kế nhỏ phần khác Điều làm cho khu vực đặt áp điện trở có phân bố ứng suất vừa lớn vừa Đã khảo sát lựa chọn kích thước cạnh a1 a2 góc làm mỏng giá trị tối ưu Đó a1 = 400 m a2 = 370 m ứng với cảm biến có kích thước màng x mm2 - Đã mô đặc trưng tính màng cảm biến tải áp suất phân bố độ lệch, phân bố ứng suất màng vùng làm việc tuyến tính dựa phần mềm ANSYS So với cấu trúc màng phẳng hay màng góc mỏng, màng cảm biến góc mỏng tối ưu có đặc trưng đáp ứng học tải áp suất cải thiện tốt Dưới tải áp suất, màng có góc làm mỏng tối ưu có độ lệch màng cao hơn, có phân bố ứng uất vùng đặt áp điện trở đồng hơn, có độ nhạy cao so với cấu trúc lại - Dựa thiết kế tối ưu, nhóm thực nghiệm triển khai quy trình công nghệ chế tạo cảm biến với đặc trưng linh kiện xác định cải thiện tốt so với cấu trúc tương tự Tài liệu tham khảo - 46 - Tiếng Việt [1] Đinh Văn Dũng(2004), Nghiên cứu chế tạo cảm biến vi sở hiệu ứng áp trở, Luận án tiến sĩ Vật lý, Thư viện Trường ĐHSP Hà Nội [2] Đ V Dũng, V N Hùng, L V D Khương , T Q Thông, N Đ Chiến (6/ 2000), Kỹ thuật giải toán độ lệch màng khảo sát số thông số vật lý sensor áp suất kiểu áp trở phương pháp số, Tạp chí Khoa học công nghệ, số 25 +26/2002, tr 23 27 [3] Đ V Dũng, V N Hùng, T Q Thông, N Đ Chiến (12/ 2001), Nghiên cứu thiết kế sensor áp suất kiểu cầu điện trở, Hội nghị Khoa học lần thứ 19 Trường Đại học Bách Khoa Hà nội, Tuyển tập Công trình Khoa học 2001, Phân ban Vật lý Kỹ thuật, tr 33 37 [4] Đinh Văn Dũng (2010), Cải thiện phân bố ứng suất nâng cao độ nhạy cảm biến áp suất MEMS kiểu áp trở dựa giải pháp màng góc mỏng, Tạp chí Khoa học Công nghệ, ISSN 0868 3980, Các trường Đại học Kĩ thuật [5] Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang (2006), Giải toán kỹ thuật chương trình ANSYS, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà nội [6] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến (2008), Giáo trình cảm biến, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [7] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi(2003), Hướng dẫn sử dụng ANSYS, NXB Giáo dục, Hà Nội [8] Nguyễn Thành Long (2009) Nghiên cứu mô hình hóa cấu trúc mô đặc trưng hoạt động cảm biến áp suất MEMS kích thước nhỏ, Thư viện Trường ĐHSP Hà Nội Tiếng Anh - 47 - [9] Alavi M, Buttgenbach S, Schumacher A, and Wagner H J (1992), Fabrication of Microchannels by Laser Manchining and Anisotropic Etching of Silicon, Sensors and Actuators, vol A 32, pp 299 302 [10] Boukabache A, Pons P, Blasquez G and Dibi Z (2000), Characterization and modeling of the mismatch of TCRs and their effects on the drift of the offset voltage of piezoresistive pressure sensors, Sensors and Actuators, vol A 84, pp 292 296 [11] D V Dung, T Q Thong , V N Hung and N D Chien (9/2001), Design and fabrication of four terminal silicon pressure sensor, Communications in Physics, ISSN 0868 3166, vol 11, no 3, pp 169174 [12] D V Dung, T Q Thong, V N Hung and N D Chien (11/1999), Using finitedifference method to calculate membrane deflection, stress distribution and pressure sensitivity of piezoresistive sensors, Proceedings of the Third International Wordshop on Materials Science (IWOMS99), Ha noi, pp 853 856 [13] Dzung Viet Dao (2003), Study on Silicon Piezoresistive Six Degree of Freedom Micro Force Moment Sensors and Application to Fluid Mechanics, Doctoral Program in Science and Engineering Ritsumeikan University [14] Kloeck B, Collins S D, de Rooij N F and Smith R L (1989), Study of electronchemical etch stop for high precision thickness control of silicon membranes, IEEE Transaction Electron Devices, vol 36, no 4,pp 663 669 [15] Marc Madou (1997), Fundamentals of Microfabrication, CRC Press LLC, USA - 48 - Phụ lục Chương trình mô cảm biến áp suất! Phụ lục /title,pressure sensor /units,user_micromet !chieu dai theo micromet /prep7 !Cac hang so ve tinh chat dien cua silic p11=6.6e-5 !don vi micromet2/(micromet.kg/s2) p12=-1.1e-5 ! p44=138.1e-5 ! c11=1.66e+5 !(micromet.kg/s2)/micromet2 c12=0.64e+5 ! c44=0.8e+5 ! !Khoi luong rieng cua silic dens_silic=2.329e-15 !kg/micromet3 E_silic=1.7e+5 !(micromet.kg/s2)/micromet2 Poi_silic=0.28 !he so poisson ! Khai bao ansys ve vat lieu Si ap tro -cac dien tro si1=1 et,1,solid226,101 mp,dens,si1,dens_silic !mp,ex,si1,E_silic !mp,ey,si1,E_silic !mp,ez,si1,E_silic !mp,nuxy,si1,Poi_silic mp,rsvx,si1,7.8e+16 !don vi (micromet2.kg/s3A2).micromet mp,rsvy,si1,7.8e+16 mp,rsvz,si1,7.8e+16 TB,PZRS,1 TBDATA,1,p11,p12,p12 TBDATA,7,p12,p11,p12 TBDATA,13,p12,p12,p11 TBDATA,19,0,0,0,p44,0,0 TBDATA,25,0,0,0,0,p44,0 TBDATA,36,p44 tb,anel,Si1,1 !tinh chat nhiet o mot nhiet 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 ! Khai bao ansys ve Vat lieu Si de - phan mang cam bien - 49 - si2=2 et,Si2,solid186 mp,dens,si2,dens_silic !mp,ex,si2,E_silic !mp,ey,si2,E_silic !mp,ez,si2,E_silic !mp,nuxy,si2,Poi_silic tb,anel,Si2,1 !tinh chat nhiet o mot nhiet 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 h=10 !be day mang h1=h-5 !be day mang ghep c=2 !be day dien tro !Dien tro l1=100 !chieu dai dien tro truc x l2=50 !chieu dai dien tro truc y w=10 !chieu rong dien tro kc=10 !khoang cach tu mep mang den dau dien tro kc1=20 !cach y m=50 !cach x !mang ghep a1= 400 !chieu dai a2=370 !chieu rong !Mo hinh bo tri cac dien tro ! -! y1-y2 ! -! x1 x2 -! -! y3-y4 ! -LOCAL,11 LOCAL,12,,,,,45 CSYS,11 !Ve mang co day phan vung rectng,-a/2+a1,a/2-a1,a/2,-a/2 ! rectng,-a/2,a/2,a/2-a2,-a/2+a2 ! rectng,a/2,a/2-a1,a/2,a/2-a2 ! - 50 - rectng,-a/2,-a/2+a1,-a/2,-a/2+a2 ! rectng,-a/2,-a/2+a1,a/2,a/2-a2 ! rectng,a/2,a/2-a1,-a/2,-a/2+a2 ! !Ve than cac dien tro rectng,-w-kc1,-kc1,a/2-kc-w,a/2-kc-w-l2 ! rectng,kc1,kc1+w,a/2-kc-w,a/2-kc-w-l2 ! rectng,-(w+kc1),-kc1,-a/2+kc+w,-a/2+kc+w+l2 ! rectng,kc1,kc1+w,-a/2+kc+w,-a/2+kc+w+l2 ! rectng,-a/2+kc,-a/2+kc+w,m,-m ! rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,m,-m ! !Ve dau cua cac dien tro rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,a/2-kc,a/2-kc-2*w rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,a/2-kc-l2,a/2-kc-l2-2*w rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),a/2-kc,a/2-kc-2*w rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),a/2-kc-l2,a/2-kc-l2-2*w rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,-a/2+kc,-a/2+kc+2*w rectng,-(3*w/2+kc1),-kc1+w/2,-a/2+kc+l2,-a/2+kc+l2+2*w rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),-a/2+kc,-a/2+kc+2*w rectng,kc1-w/2,(3*w/2+kc1),-a/2+kc+l2,-a/2+kc+l2+2*w rectng,-a/2+kc-w/2,-a/2+kc+3*w/2,m+w,m-w rectng,-a/2+kc-w/2,-a/2+kc+3*w/2,-m+w,-m-w rectng, a/2-kc+w/2,a/2-kc-3*w/2,m+w,m-w rectng, a/2-kc+w/2,a/2-kc-3*w/2,-m+w,-m-w !Cac diem tiep xuc rectng,-(w+kc1),-kc1,a/2-kc-w/2,a/2-kc-3*w/2 ! rectng,-(w+kc1),-kc1,a/2-kc-l2-w/2,a/2-kc-l2-3*w/2 ! rectng,kc1,w+kc1,a/2-kc-w/2,a/2-kc-3*w/2 ! rectng,kc1,w+kc1,a/2-kc-l2-w/2,a/2-kc-l2-3*w/2 ! rectng,-(w+kc1),-kc1,-a/2+kc+w/2,-a/2+kc+3*w/2 ! rectng,-(w+kc1),-kc1,-a/2+kc+l2+w/2,-a/2+kc+l2+3*w/2 ! rectng,kc1,w+kc1,-a/2+kc+w/2,-a/2+kc+3*w/2 ! rectng,kc1,w+kc1,-a/2+kc+l2+w/2,-a/2+kc+l2+3*w/2 ! rectng,-a/2+kc,-a/2+kc+w,m-w/2,m+w/2 ! rectng,-a/2+kc,-a/2+kc+w,-m+w/2,-m-w/2 ! rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,m-w/2,m+w/2 ! rectng,a/2-kc,a/2-kc-w,-m+w/2,-m-w/2 ! !Ghep cac than va tiep xuc dien tro aadd,7,13,14 ! aadd,8,15,16 ! aadd,9,17,18 ! aadd,10,19,20 ! aadd,11,21,22 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! - 51 - aadd,12,23,24 ! !Ghep mat chinh de aadd,1,2 ! !Tao the tich khoi vext,3,6,1,0,0,-d1 ! vext,12,,,,,-d ! vext,7,11,1,0,0,-c ! vext,37,37,1,0,0,-c ! vext,25,36,1,0,0,-c ! !Lam trung cac the tich giao vovlap,all ! vsel,all !Chia luoi !Su dung he toa toan cuc esys,12 type,1 mat,1 !Chia khoi cac diem tiep xuc o dau dien tro esize,2*c/1 mshape,1,3-D vmesh,12,23,1 !Chia luoi than dien tro esize,2*c/1 mshape,1,3-D vmesh,24,29,1 !Chia luoi de type,2 mat,2 mshape,1,3-D esize,2*h1/1 vmesh,30,30,1 esize,2*h1/1 vmesh,1,4,1 ! -ksel,all nsel,all esel,all nummrg,kp,5e-10 nummrg,elem,5e-10 nummrg,node,5e-10 nummrg,all ! - 52 - fini !============================================= /solu antype,stat,new ! !Noi cau dien tro, dat diue kien bien ve dien asel,s,area,,29 asel,a,area,,34 nsla,s,1 cp,1,volt,all *get,V_in,node,0,num,min d,V_in,volt,5*(1e+12) !micromet2.kg/s3A ! asel,s,area,,27 asel,a,area,,35 nsla,s,1 cp,2,volt,all ! *get,V_G,node,0,num,min d,V_G,volt,0 ! asel,s,area,,36 asel,a,area,,31 nsla,s,1 cp,3,volt,all *get,V_Out_Neg,node,0,num,min ! asel,s,area,,33 asel,a,area,,25 nsla,s,1 cp,4,volt,all *get,V_Out_Pos,node,0,num,min ! asel,s,area,,26 asel,a,area,,28 nsla,s,1 cp,4,volt,all ! asel,s,area,,30 asel,a,area,,32 nsla,s,1 cp,4,volt,all ! - - 53 - !Dat dieu kien bien ve co nsel,s,loc,x,-a/2,-a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 nsel,s,loc,x,a/2,a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 nsel,s,loc,y,-a/2,-a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 nsel,s,loc,y,a/2,a/2 d,all,ux,0 d,all,uy,0 d,all,uz,0 ! -Phụ lục !dat tai ap suat pres_p_in=0.8 ! pres_p=pres_p_in*(1.01325e-7)*(1e+6) asel,s,loc,z,0,0 sfa,all,,pres,pres_p ! -!giai bai toan nsel,all esel,all vsel,all allsel,all solve fini Phụ lục /post1 Pressure=pres_p_in V1=volt(V_out_Pos) V2=volt(V_out_Neg) V_output=abs(V1-V2)*1000/(1e+12) ! !dien ap tinh bang milivolt