Tài liệu Đồng mô phỏng nhiệt - cơ cho cảm biến gia tốc ba chiều pot

Đồng mô phỏng nhiệt - cơ
cho cảm biến gia tốc ba
chiều

Tóm tắt:
Trong quy trình thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp điện
trở thì việc xác định vị trí các áp điện trở cần dùng phân tích
cơ trong ANSYS và các áp điện trở này kết nối thành ba
mạch cầu Wheastone tương ứng sao cho khuếch đại tối đa tín
hiệu mong muốn và giảm thiểu nhiễu pháp tuyến.
Bài toán đồng mô phỏng giữa các trường nhiệt - cơ cũng cần
được giải quyết cho phép đánh giá chính xác hơn hoạt động
của cảm biến.

Hình 1. Lưu đồ chương trình
1. GIỚI THIỆU
Thập kỷ vừa qua, công
nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đã đạt được những thành tựu
đáng kể mà ở đó các linh kiện vi điện tử được tích hợp với
các cấu trúc cơ kích thước rất nhỏ. Trong các loại linh kiện
MEMS thì vi cảm biến gia tốc được sử dụng rất rộng rãi, chỉ
sau cảm biến áp suất. Yêu cầu hiện nay với các cảm biến gia
tốc là phải có đáp ứng tuyến tính và tỷ số tín hiệu trên tạp
phải lớn. Cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở tuy có nhược
điểm là chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ nhưng lại có những ưu
điểm vượt trội như đáp ứng điện một chiều tốt, mạch điện
đơn giản, độ nhạy và độ tin cậy cao. Hơn nữa, công nghệ chế
tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở lại rẻ và cho phép chế tạo các
cảm biến với nhiều bậc tự do.

2. THIẾT LẬP
Cảm biến gia tốc kiểu áp trở là loại cảm biến vòng hở tiêu
biểu được chế tạo trên cơ sở vật liệu silic. Sử dụng vật liệu
silic, ngoài tận dụng được tính chất cơ rất tốt thì hiệu ứng áp
mô phỏng
trở trên silic cũng đủ lớn, rất phù hợp để đo các gia tốc tác
động vào cảm biến
Điện trở của một vật liệu sẽ
thay đổi khi có một ứng suất
tác động. Nguyên nhân của
hiệu ứng áp điện trở là do tính
bất đối xứng trong cấu trúc giải
năng lượng của vật liệu. Mối
liên hệ giữa ứng suất và sự
thay đổi điện trở được cho bởi:

Hệ số áp điện trở phụ thuộc vào nồng độ hạt tải và nhiệt độ
theo công thức sau (To là nhiệt độ phòng):


Hình 2. Cấu hình cảm
biến gia tốc 3 chiều
được lựa chọn
Cảm biến kiểu áp trở chịu ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ. Để dự
đoán tác động của nhiệt độ chúng ta cần thiết lập một bài
toán đồng mô phỏng nhiệt - cơ (hình 1). Trước đó để có thể
xử lý bài toán tác động nhiệt chúng ta cần hai chương trình
riêng rẽ để tính toán, gây tốn thời gian và sai số sẽ xảy ra khi
chuyển kết quả giữa hai chương trình. Cấu trúc cảm biến mô
tả trong hình 2.

Hình 4. Áp điện trở được coi là nguồn nhiệt
Khi cảm biến hoạt động, các áp điện trở lại là các nguồn
nhiệt. Ứng suất do nhiệt gây nên lại được biến thành điện thế
ở đầu ra. Hình 3 là mô hình truyền nhiệt của áp điện trở.
Việc khảo sát sự tăng nhiệt độ trên các áp điện trở do hiện
tượng toả nhiệt Joule khi cảm biến đã hoạt động ổn định với
nhiệt độ môi trường xác định là cần thiết. Sự liên hệ giữa độ
tăng nhiệt độ v và công suất tiêu thụ P được xác lập:
Ở đó RT là trở kháng nhiệt, là độ nhạy nhiệt, và P là công
suất trên mỗi áp điện trở. Bài toán giải tích sẽ rất phức tạp
nên có thể lựa chọn một cách giải gần đúng để tính toán độ
tăng nhiệt độ. Hình 5 là kết quả mô phỏng nhiệt dùng phần
mềm ANSYS với nguồn nhiệt ở đây chính là các áp điện trở.
Hình 6 là kết quả phân tích ứng suất cơ trên các thanh dầm
tương ứng với sự phân bố nhiệt như hình 5.
Hình 5. Phân bố nhiệt
độ trên cảm biến
Hình 6. Phân bố ứng
suất trên dầm 1 do nhiệt
độ gây nên
Hình 7 là phân bố ứng suất trên thanh dầm một theo ba trục
X, Y và Z khi tác động bởi AZ trong trường hợp thực (toả
nhiệt trên các áp điện trở khi cung cấp điện thế lối
vào). 
Kết quả trên hình 7 cho phép tính toán lại các thông số độ
nhạy, độ phân giải của cảm biến sao cho gần với thực tế nhất,
giúp tiết kiệm chi phí nhằm đưa sản phẩm vào thương mại
hoá.

Hình 7. Phân bố ứng suất trên thanh dầm 1 khi có tác động
của AZ và toả nhiệt