THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO KIỂU ĐIỆN DUNG

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
Giáo viên hướng dẫn : TS. PHẠM HỒNG PHÚC
ThS. NGUYỄN ANH TUẤN
Hà Nội,
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
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
Sensor gia tốc
Sensor vận tốc góc
Sensor nhiệt
Actuator nhiệt
Actuator áp điện

Actuator tĩnh điện
Actuator hợp kim
Sensor Actuator
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS
●

Ứng dụng của MEMS
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS
●
Định hướng phát triển MEMS
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS
●
Vi cảm biến cơ học- Micromechanical Sensor

Định nghĩa
Cảm biến vi cơ là một thiết bị tiếp nhận một tín hiệu đầu vào cơ năng
và chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Phân loại
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH
•
Lý Thuyết Tĩnh Điện



0

εε
=
2
2
0
2
.
.2

.
)(
)(
.
2
1








εε
−=
∂
∂
=

Lực pháp tuyến trên 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
ε
0
=8,854x10
-12
là hằng số điện môi của chân không
x khoảng cách giữa hai bản tụ
V điện áp đặt vào

(2.1)
(2.2)

Điện dung của bản tụ song song:
Bản cực cố định
Bản cực di động

Lực tiếp tuyến trên bản cực di động
(2.3)
2
0
0
. .
.
2.


 

ε ε
=
Bản cực cố định
Bản cực di động
Trong đó: h là chiều rộng của bản tụ
g
0
là khe hở giữa hai bản tụ
V là điện áp đặt vào
0
0



 
 
=
Từ phương trình (2.2) và (2.3) ta có:
Trong đó: y
0
là khoảng chồng lên nhau tại thời điểm đang xét.

Nhận xét: F
n
≥ F
t
do y
0
≥ g
0
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH

Chuyển vị pháp tuyến
2
0
2
0
. . .
. 0
2( )
 
 

 
ε ε
− =
−
( )
( )
0 0
( ) ln
( )


 
  

   
ϕ
εε εε
ϕ
ϕ ϕ ϕ
−
+
= =
− −
∫
0
1
0 .
3

 


∂
< ⇒ <
∂
2
2
( 0)
0

ϕ
ϕ
∂ =
>
∂
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH
Phương trình xác định độ chuyển vị cua dầm:
(2.4)
Trong đó: V là điện áp giữa 2 bản cực
g
0
là khe hở ban đầu
k là độ cứng của hệ dầm
Điều kiện trạng thái ổn định:
(2.5)

Chuyển vị góc
Công thức tính điện dung theo chuyển vị góc
Điều kiện trạng thái ổn định:
V
X

O a-a
d
●
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
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH

- Kết cấu đơn giản.

- Chuyển vị góc khi đo Mx (My)
nhỏ => sự thay đổi điện dung nhỏ
=> độ nhạy của sensor thấp.
Cố định
Bản cực trên
Bản cực dưới
Dầm thẳng
●

Cấu trúc sensor phương án 2
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH

Cùng một giá trị chuyển vị điện
dung thay đổi lớn hơn rất nhiều.

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 cố định
Dầm càng cua
Răng lược di trượt
Cố định
●
Cấu trúc sensor phương án 3
Chọn cấu trúc này do có nhiều ưu điểm nhất
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH

- Kết cấu đơn giản.
- Điện dung thay đổi lớn
theo chuyển vị của dầm và dễ
dàng xác định được.

- 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
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH
0
2( )( )
2
   
  
   

  
− −
=
+ +
(2.6)
Với: C
S;
C
R;
C
P
: điện dung của biến tụ, tụ tham chiếu và điện dung trở khí.
V
P;
V
F;
V
0
: điện áp điều khiển, rơi trên diode, giữa điểm A và B xuất hiện khi Cs≠Cr.
●

Mạch điện đo giá trị thay đổi điện dung
A
R
F
C
B
D
1
D
D
2
D
3
D
4
C
S
C
R
C
c
C
c
C
p
C
p
C
f
C

f
R
F
+V
p
-V
p
C
S

Tính cho trường hợp đo M
x

XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH
Áp dụng (2.4) điện dung giữa 2 bản cực
khi khối nặng xoay góc φx là:
1 2
2 1
0 0
( )
( ) ( )
 
 
 
 
 
 
  
 
εε εε

ϕ
ϕ ϕ
−
−
= +
− −
∫ ∫
2 4
0
2
 
 
ϕ ϕ
+ +
=
(2.7)
2 2
0 1 1 2 2
2
2 ( )
3
    


+ +
=
4 3 2 2 3 4
0 1 1 2 1 2 1 2 2
4
2 ( )

5
        


+ + + +
=
Trong đó:
Độ biến thiên điện dung:
(2.7)
Từ (2.5) và (2.7) ta có φx là nghiệm của phương trình:
(2.8)
Mx= k
x
(2.9)

Tính My
Tương tự ta có φ
y
là nghiệm của phương trình:

M
y
=k
y
.φ
y

2 4
( )
  

   
ϕ ϕ ϕ
∆ = − = +
4 2
  !
 
ϕ ϕ
+ =

ϕ
4 2
  !
 
ϕ ϕ
+ =
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH

Tính Fz
F
z
=k
z
∆d (2.10)
Trong đó:
k
z
hệ số chống uốn của hệ dầm, xác định bằng mô phỏng cấu trúc.
∆d chuyển vị của dầm:
(2.11)

d
0
là khoảng cách ban đầu giữa 2 bản cực.
d là khoảng cách sau khi tác dụng lực Fz.
∆C là giá trị thay đổi điện dung xác định bằng mạch điện.

điện dung ban đầu.

0 0
0 0
0 0
.
.
   
   
 
− ∆
∆ = − = =
0
0



εε
=
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC SENSOR VÀ CÔNG THỨC TÍNH
●
Cho một ví dụ sensor có các thông số mạch điện như sau:
C

R
=0,32 pF, C
P
=0,15pF, V
P
=1,5V, V
F
=0,5V, C
0
=C
R
=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= C
R
+∆C =0,42pF. Áp dụng công thức (2.5): V
0
=0,19V

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO
A

R
F
C
B
D
1
D
D
2
D
3
D
4
C
S
C
R
C
c
C
c
C
p
C
p
C
f
C
f
R

F
+V
p
-V
p

d
0
h a a
1
a
2
w c l
x
l
y
b fix1 fix2
10 30 300 300 600 150 100 100
0
200 10 250 800
Sơ bộ thông số hình học của sensor lực 3 bậc tự do kiểu điện dung (μm)
●
Xác định sơ bộ kích thước hình học của sensor
Yêu cầu đề tài: Thiết kế sensor kiểu điện dung có kích thước bao 3×3mm
2.
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO

●
Xác định các hệ số cứng của dầm


Xác định k
φx
k
φx
: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc
Đặt momen M
x
= 1µNm vào khối nặng
Khối nặng bị xoay 1 góc φ
0x
:
φ
0x
=

=0,1926 rad
Trong đó:
U
ymax
: là chuyển vị lớn nhất
của khối nặng. Xác định
bằng Ansys U
xmax
= 117µm
k
φx
= 1/ φ
0x
=5,2 µNm/ rad

max
117
tan( ) tan( )
4 600

"
 
#
=
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO


Xác định k
φy
k
φy
: được xác định bằng mô phỏng cấu trúc
Đặt momen M
y
= 1µNm vào khối nặng
Khối nặng bị xoay 1 góc φ
0y
:
φ
0y
=

=0,09 rad
Trong đó:

U
ymax
: là chuyển vị lớn nhất
của khối nặng. Xác định
bằng Ansys U
xmax
= 54µm
k
φy
= 1/ φ
0y
=11,1 µNm/rad


max
54
tan( ) tan( )
4 600

"
 
#
=
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO


Xác định k
z
k
z

: được xác định bằng mô
phỏng cấu trúc
Đặt lực F
z
= 1µN vào khối nặng
Khối nặng chuyển vị U
zmax
Xác định bằng Ansys
U
zmax
= 0,015µm
k
z
= 1/ U
zmax
=66,67 µN/µm


TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO

Tính Mx
Ta có: C
s
=0,42pF
Theo (2.51) ta có:
k
φmin
=N.V
2
=0,00075 (μNm/rad)

Giải phương trình (2.8) ta có:
φ
x
= ± 0,0143rad
M
x
= k
φx
.φ
x
= ±0,074µNm

3 3
0 2 1
4
2 ( )
344
3
  
 $

εε
−
= =
5 5
0 2 1
6
2 ( )
800366
5

  
$

εε
−
= =
%&'()*+,%-

.0,074/
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO

Tính My
Tương tự ta có:
φ
y
= ± 0,0143rad
M
y
= k
φy
.φ
y
= ±0,159µNm

%&'()*+,%-

.0,159/
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO

Tính Fz

Chuyển vị của sensor
F
z
=k
z
.∆d =208,36μN

0
0
0
.
3,125( )
 
   

µ
∆
∆ = − = =
%&'()*+,%-0.208,3/
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SENSOR LỰC 3 BẬC TỰ DO