Nghiên cứu thiết kế cảm biến ba bậc tự do kiểu áp điện trở (3DOF)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ CẢM BIẾN GIA TỐC ÁP TRỞ
3 BẬC TỰ DO
Nhóm 1- KT.CĐT-02
Giảng Viên Hướng Dẫn

PGS. Phạm Hồng Phúc

Thuyết Trình

Nguyễn Phương Linh(*)

Hà Nội, ngày 4 tháng 6 năm 2020



NỘI DUNG ĐỀ TÀI
I

TỔNG QUAN

II

THIẾT KẾ MÔ HÌNH

III

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

IV

QUY TRÌNH CHẾ TẠO

V

KẾT LUẬN


PHẦN I: TỔNG QUAN

4

1. MEMS là gì?

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


5

PHẦN I: TỔNG QUAN
2. Cảm biến gia tốc

Định nghĩa: Cảm biến gia tốc là một thiết bị tiếp nhận tín hiệu
đầu vào là gia tốc và chuyển đổi thành tín hiệu điện để đo lường.
Phân loại:
• Cảm biến gia tốc kiểu tụ điện
• Cảm biến gia tốc kiểu áp điện
• Cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở
Hiệu ứng áp điện trở:
• Là hiện tượng thay đổi vật liệu tinh thể dưới
tác động ngoại lực.
• Ứng dụng rộng rãi.

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

Cảm biến gia tốc áp trở
3 bậc tự do

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


6

PHẦN I: TỔNG QUAN
2. Cảm biến gia tốc
Thành phần:
• Khối gia trọng
• Bộ phận giảm chấn (lò xo, cản nhớt)

• Phần tử cảm ứng

•Phương
 
trình động lực học:

•
•
•
•
•
•

k là hệ số độ cứng của lò xo
c là hệ số giảm chấn
m là khối lượng khối gia trọng
a là gia tốc hệ
x là chuyển vị
là tổng ngoại lực tác dụng lên hệ

Nguyên lý đo
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO

PHẦN I: TỔNG QUAN

7

3. Một số bài báo tham khảo
‘’ Simulation, fabrication and characterization
of a three-axis piezoresistive accelerometer ’’
Ranjith Amarasinghe, Dzung Viet Dao, Toshiyuki Toriyama and Susumu
Sugiyama

Bài báo này nghiên cứu về cảm biến gia tốc áp
trở 3 bậc siêu nhỏ được chế tạo bởi công nghệ
gia công vi cơ khối.

Ưu điểm
• Cấu trúc đơn giản
• Dễ chế tạo
TỔNG QUAN

Nhược điểm
• Kích thước chip lớn
• Khoảng đo trong khoảng
THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN I: TỔNG QUAN

8

3. Một số bài báo tham khảo
‘’A Mathematical Model of a Piezo-Resistive
EightBeam Three-Axis Accelerometer with
Simulation and Experimental Validation.’’
Jinlong Song, Changde He, Renxin Wang, Chenyang Xue and
Wendong Zhang

Bài báo nghiên cứu về mô hình toán học toàn
diện của cảm biến gia tốc áp trở 3 bậc với cấu
tạo gồm 8 dầm ngang, 1 khối gia trọng và 1
khung đỡ.
Ưu điểm
Nhược điểm

• Cấu trúc đơn giản
• Dễ chế tạo
• Độ nhạy cao
TỔNG QUAN

• Kích thước khá lớn so với
thiết bị hiện nay

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO

PHẦN I: TỔNG QUAN

9

3. Một số bài báo tham khảo
“Fabrication and Characteristics of a
Three-Axis Accelerometer with Double
L-Shaped Beams.”
Ying Wang, Xiaofeng Zhao and Dianzhong Wen

Phân tích cấu tạo và đặc tính của cảm
biến gia tốc 3 trục với cấu tạo dầm chữ L.
Ưu điểm
• Độ chính xác cao

TỔNG QUAN

Nhược điểm
• Kết cấu phức tạp

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


10

PHẦN II: THIẾT KẾ
Dầm nhạy cơ
Khung đỡ
Quả nặng

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

Cấu trúc

Kích thước
(DàixRộngxCao) µm

Quả nặng

620x620x630

Dầm

L1=480, L2=840,
w=80, h=10

Kích thước tổng thể

2000x2000x700

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN II: THIẾT KẾ

11

• Kích thước chi tiết

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

12

•1.  Mô phỏng

• Lựa chọn vật liệu là silicon có ứng suất phá hủy
• Chọn hệ số an toàn là n = 10
Ứng suất cho phép:

 Ứng suất sinh ra trên cảm biến:

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

13

2. Ứng suất và chuyển vị
• Ứng suất lớn nhất theo phương Z
Gia tốc (g) Ứng suất (MPa)
1
3.026
2
6.411
3
9.616
4
12.822
5
16.028
6
19.233
7
22.438

8
25.645
9
28.849
10
32.055
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

14

2. Ứng suất và chuyển vị
• Chuyển vị lớn nhất theo phương Z
Gia tốc (g) Chuyển vị (m)
1
0.486
2
0.972
3
1.458
4
1.944

5
2.43
6
2.916
7
3.402
8
3.887
9
4.437
10
4.859
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

15

2. Ứng suất và chuyển vị
• Mô phỏng ứng suất và chuyển vị theo phương Z

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

16

2. Ứng suất và chuyển vị
• Ứng suất lớn nhất theo phương X
Gia tốc (g) Ứng suất (MPa)
1
2.3
2
4.6
3
6.9
4
9.2
5
11.5
6
13.8
7
16.1
8
18.4

9
20.7
10
23.0
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

17

2. Ứng suất và chuyển vị
• Chuyển vị lớn nhất theo phương X
Gia tốc (g) Chuyển vị (m)
1
0.414
2
0.828
3
1.241
4
1.655
5
2.069

6
2.483
7
2.897
8
3.31
9
3.724
10
4.138
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

18

2. Ứng suất và chuyển vị
• Mô phỏng ứng suất và chuyển vị theo phương X

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


19

PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN
3. Tính toán điện áp
• Tenxo áp điện trở đối với
silic đơn tinh thể:

�
�
�
d1 � �Δρ1 � �π11 π12 π12
� � �
�
Δρ
�
d
π12 π11 π12
�2 � � 2 � �
�
d3 � 1 �Δρ3 � �
π12 π12 π11
� �
= . � �= �
d4 � ρ Δρ4 �0
0

0π
�
�
�
�
d5 � �Δρ � �0
0
0
� � � 5� �
d6 �
0
0
0
�
�
�
�
� �
�
Δρ
� 6�

0
0
0
44 0

0π
0

0
0
0
0
44 0
0π

σ xx �
��
�
��
σ
�� yy �
�
��
σ
zz
.� �
�
��τ xy �
��τ �
�� yz �
� �
44 �
��τ xz �

0
0
0

• Công thức liên hệ độ biến thiên điện trở và ứng suất:
ΔR
= π11.σ xx +π12.σ yy +π12.σ zz =π11.σ xx

R

TỔNG QUAN

(σ xx >>σ yy ,σ zz )
THIẾT KẾ

� π11=6,6.105 MPa1
��
3
KTADT
20x1.5x0.4

m
�

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

20

3. Tính toán điện áp

• Công thức điện áp đầu ra:

1 ΔR1 ΔR2 ΔR3 ΔR4
Vout = .(
+
+
+
).Vin
4 R
R
R
R

ΔR
Vout =
.Vin =π11σ xx .Vin
R
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

21

3. Tính toán điện áp
• Mạch cầu Wheatstone:

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

22

4. Điện áp theo gia tốc
R3X

R3Y

R1Z
R1Y
R4Z

R1X
R2X

R3Z
R2Y

R2Z

R4Y

R4X

Vị trí lắp đặt các áp điện trở để đo gia tốc theo 3 phương
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


23

PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN
4. Điện áp theo gia tốc
• Điện áp đầu ra theo phương Z
Gia tốc (g)
Vout (mV)
1
0.60
7.00
2
1.27
6.00

3
1.90
5.00
4
2.54
4.00
5
3.17
3.00
6
3.81
2.00
7
4.44
8
5.08
1.00
9
5.71
0.00
0
10
6.35
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

Đồ thị điện áp đầu ra Vout - gia tốc theo phương Z

2

4

6

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

8

10

12

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


24

PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN
4. Điện áp theo gia tốc
• Điện áp đầu ra theo phương X
Gia tốc (g)
 Vout (mV)
1
0.46
5.00
4.50
2
0.91
4.00

3
1.37
3.50
4
1.82
3.00
5
2.28
2.50
2.00
6
2.73
1.50
7
3.19
1.00
8
3.64
0.50
9
4.10
0.00
0
10
4.55
TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

Đồ thị điện áp đầu ra Vout - gia tốc theo phương X

2

4

6

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

8

10

12

QUY TRÌNH CHẾ TẠO


PHẦN III: MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

25

•5.  Độ nhạy

• Là khoảng gia tốc nhỏ nhất cảm biến có thể đo được
(dải đo nhóm thực hiện từ 1-10g, Điệp áp vào )

Vout 6,35
mV



�0,211(
)
Vin .g 3.10
V.g

TỔNG QUAN

THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

QUY TRÌNH CHẾ TẠO