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

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