Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS: Luận văn thạc sĩ HCMUTE

Khám phá luận văn thạc sĩ HCMUTE về mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo phương pháp phân tích đa trường, ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Vũ Đức Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Mai Đức Đãi
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Mô Hình Hóa Và Thiết Kế Hệ NEMS Theo Hướng Tiếp Cận Phân Tích Đa Trường
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hệ NEMS
• 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ NEMS
• 1.3. Hệ NEMS với thành phần cơ học là CNT
• 1.4. Các thông số hoạt động và đặc điểm chính của hệ NEMS
• 1.5. Ứng dụng của hệ NEMS
• 1.6. Các nghiên cứu về hệ NEMS với phần tử cơ học là CNT
• 1.7. Hạn chế của các nghiên cứu đã công bố
• 1.8. Mục đích của đề tài
• 2. NHIỆM VỤ, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 2.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.3. Phạm vi nghiên cứu
• 2.4. Kết cấu của luận văn
• 3. ĐỊNH NGHĨA CNT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA
• 3.1. Định nghĩa CNT
• 3.2. Cấu trúc của CNT
• 3.3. Một số tính chất của CNT
• 3.3.1. Tính chất cơ học
• 3.3.2. Tính dẫn điện
• 3.3.3. Tính dẫn nhiệt
• 3.4. Một số ứng dụng của CNT
• 3.4.1. Transistor hiệu ứng trường
• 3.4.2. Ứng dụng trong xử lý nước
• 3.4.3. Ứng dụng trong cảm biến
• 3.5. Mô hình hóa ống nano carbon
• 3.5.1. Mô hình nguyên tử (Atomistic modeling)
• 3.5.2. Mô hình cơ học kết cấu nguyên tử (Molecular structural mechanics)
• 3.5.3. Mô hình đàn hồi liên tục (Continuum elastic models)
• 3.5.4. Ưu và nhược điểm của các phương pháp mô hình hóa CNT
• 3.5.5. Lựa chọn phương pháp mô hình hóa
• 3.6. Dao động cơ học của CNT trong hệ NEMS
• 3.7. Các phương pháp kích thích dao động của hệ NEMS
• 3.7.1. Phương pháp điều chỉnh bằng tĩnh điện (Electrostatic Tuning)
• 3.7.2. Phương pháp điều chỉnh bằng điện từ (Magnetomotive Tuning)
• 3.7.3. Phương pháp điều chỉnh bằng quang nhiệt (Photothermal Tuning)
• 3.7.4. Phương pháp điều chỉnh bằng áp điện (Piezoelectric Tuning Mechanism)
• 3.8. Phân bố điện tích trên CNT
• 3.9. Tương tác Cơ – Điện trong hệ NEMS
• 3.9.1. Đối với ống nano carbon bị ngàm một đầu
• 3.9.2. Đối với ống nano carbon bị ngàm hai đầu
• 3.10. Phương trình mô tả dao động điều hòa của hệ NEMS
• 3.11. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn
• 3.12. Giới thiệu về phần mềm ANSYS
• 3.13. Phân tích đa trường với phần mềm ANSYS
• 3.14. Sử dụng mô hình thu gọn (Reduced Order Modeling) - TRANS126
• 3.15. Mô hình hóa hệ NEMS
• 4. CÁC BƯỚC GIẢI BÀI TOÁN TRÊN ANSYS
• 4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu
• 4.2. So sánh với các nghiên cứu đã được công bố
• 4.3. Tần số dao động tự nhiên của hệ cơ học
• 4.4. Chuyển vị của CNT dưới tác dụng của điện áp
• 4.5. Ảnh hưởng của điện áp lên tần số dao động của hệ NEMS
• 4.6. Tần số dao động của hệ NEMS dưới tác dụng của điện áp
• 4.7. Đáp ứng điều hòa của hệ NEMS
• 4.8. Ứng dụng hệ NEMS trong cảm biến khối lượng
• 4.8.1. Mô hình cảm biến khối lượng
• 4.8.2. Quan hệ giữa tần số và độ dài CNT
• 4.8.3. Quan hệ giữa tần số và khối lượng hấp thụ
• 4.8.4. Sự thay đổi tần số cộng hưởng theo vị trí hấp thụ khối lượng
• 4.9. Hướng phát triển của đề tài
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ NEMS

Hệ cơ điện nano (NEMS) là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như điện tử viễn thông và cảm biến. NEMS có kích thước ở thang đo nano mét, cho phép chúng có khối lượng cực nhỏ và tỉ số giữa diện tích bề mặt so với khối lượng lớn hơn nhiều so với hệ vi cơ điện tử (MEMS). Điều này tạo ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị cảm biến siêu nhạy. Hệ NEMS với thành phần cơ học là ống nano cacbon (CNT) đã cho thấy nhiều đặc tính ưu việt, giúp nâng cao hiệu suất và độ nhạy của thiết bị. Theo nghiên cứu, việc sử dụng CNT trong NEMS không chỉ cải thiện tính năng mà còn mở ra nhiều hướng đi mới cho các ứng dụng trong tương lai.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ NEMS

Hệ NEMS bao gồm bốn bộ phận chính: bộ phận nhận tín hiệu đầu vào, bộ phận xuất tín hiệu ở ngõ ra, bộ phận điều khiển và hệ cơ học. Nguyên lý hoạt động của hệ NEMS là chuyển đổi các tín hiệu đầu vào thành dao động của phần tử cơ học. Tần số dao động sẽ thay đổi tùy thuộc vào sự tác động của các tín hiệu điều khiển. Sự thay đổi này được chuyển thành tín hiệu điện có thể đọc được, cho phép xác định các dao động cơ học và tần số cộng hưởng của hệ. Hệ thống này có thể được mô phỏng và phân tích để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

II. Mô hình hóa hệ NEMS

Mô hình hóa hệ NEMS là một phần quan trọng trong nghiên cứu và phát triển thiết bị. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường. Mô hình đàn hồi liên tục được áp dụng để mô hình hóa CNT, trong khi phần tử Trans126 được sử dụng để mô tả tương tác cơ - điện. Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp này cho kết quả tương đồng với các nghiên cứu trước đây, đồng thời cho phép điều chỉnh tần số dao động của hệ NEMS thông qua việc thay đổi điện áp một chiều. Điều này mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi cho các cảm biến khối lượng ở thang đo nano.

2.1. Phân tích hệ thống NEMS

Phân tích hệ thống NEMS bao gồm việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tần số dao động và ứng xử của hệ. Các yếu tố như điện áp, khối lượng hấp thụ và kích thước của phần tử cơ học đều có tác động lớn đến hiệu suất của thiết bị. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tần số cộng hưởng của hệ NEMS tỉ lệ thuận với điện áp DC, cho phép điều chỉnh linh hoạt trong các ứng dụng thực tế. Việc hiểu rõ các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa thiết kế và nâng cao độ nhạy của cảm biến.

III. Ứng dụng của hệ NEMS

Hệ NEMS có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như cảm biến khối lượng, điện tử viễn thông và sinh hóa. Đặc biệt, khả năng phát hiện khối lượng ở cấp độ nguyên tử là một trong những ứng dụng nổi bật của hệ NEMS. Các cảm biến siêu nhạy dựa trên NEMS có thể phát hiện sự thay đổi tần số cộng hưởng khi có khối lượng hấp thụ, cho phép đo lường chính xác các đại lượng vật lý ở thang đo nano. Điều này không chỉ mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong nghiên cứu khoa học mà còn trong công nghiệp và y tế.

3.1. Cảm biến khối lượng

Cảm biến khối lượng dựa trên hệ NEMS có khả năng phát hiện khối lượng ở mức độ nguyên tử, nhờ vào tần số cộng hưởng hẹp và độ nhạy cao. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này là dựa vào việc truyền dẫn các phân tử qua hệ NEMS, nơi mà các phân tử có đặc tính nhất định sẽ bị hấp thụ vào phần tử cơ học, làm thay đổi tần số cộng hưởng. Điều này cho phép phát hiện các biến đổi nhỏ trong khối lượng, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực sinh học và hóa học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ cơ điện nano (NEMS) dựa trên ống nano cacbon (CNT) đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong kỹ thuật cơ khí và công nghệ nano với nhiều ứng dụng tiềm năng trong điện tử viễn thông, cảm biến lực và cảm biến khối lượng siêu nhạy. Theo báo cáo của ngành, các thiết bị NEMS có tần số cộng hưởng lên đến khoảng 100 GHz, hệ số chất lượng (Q) có thể đạt hàng chục ngàn, và công suất tiêu thụ điện năng chỉ vào khoảng 10 attowatts (10^-17 W). Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế như sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm, chỉ mô phỏng được CNT có chiều dài nhỏ, điều kiện kỹ thuật và thiết bị chưa đảm bảo độ chính xác, cùng với chi phí thí nghiệm rất cao.

Mục tiêu của luận văn là mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng tương tác cơ – điện trong hệ. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình đàn hồi liên tục cho CNT và sử dụng phần tử Trans126 để mô tả tương tác cơ – điện, từ đó phân tích ảnh hưởng của điện áp một chiều đến tần số dao động cộng hưởng của hệ. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc mô hình hóa và phân tích hệ NEMS với phần tử cơ học là CNT đơn tường, áp dụng cho cảm biến khối lượng ở thang đo nanogam, thực hiện trong khoảng thời gian từ 2014 đến 2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển phương pháp mô hình hóa đa trường cho hệ NEMS, giúp nâng cao độ chính xác trong thiết kế và ứng dụng các cảm biến siêu nhạy, đồng thời giảm thiểu chi phí và thời gian thí nghiệm thực tế. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về tương tác cơ – điện trong hệ NEMS và cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các thiết bị nano điện tử thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính để mô hình hóa và phân tích hệ NEMS:

1. Mô hình đàn hồi liên tục (Continuum Elastic Model): Đây là phương pháp mô hình hóa CNT bằng một thanh thành mỏng đàn hồi liên tục, giúp đơn giản hóa việc tính toán và mô phỏng các ứng xử cơ học của CNT trong hệ NEMS. Mô hình này giả định phân bố đều khối lượng và độ cứng, cho phép tính toán tần số dao động và chuyển vị của CNT dưới tác động của lực điện từ.

2. Phân tích đa trường (Multiphysics Analysis): Phương pháp này kết hợp tương tác giữa trường cơ học và trường điện trong hệ NEMS. Phần tử Trans126 được sử dụng để mô tả tương tác cơ – điện, cho phép mô phỏng chính xác ảnh hưởng của điện áp một chiều (DC) và điện áp xoay chiều (AC) lên tần số cộng hưởng và dao động của CNT.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

• Tần số cộng hưởng (𝜔ₙ): Tần số dao động tự nhiên của hệ NEMS, phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của CNT.
• Hệ số chất lượng (Q): Tham số mô tả mức độ tắt dần của dao động, tỷ lệ nghịch với tổn thất năng lượng.
• Điện áp pull-in: Điện áp tới hạn gây ra sự mất ổn định của CNT trong hệ NEMS.
• Phần tử hữu hạn (FEM): Phương pháp số để giải các bài toán kỹ thuật phức tạp, được sử dụng để mô phỏng hệ NEMS.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu khoa học, báo cáo ngành và các kết quả thí nghiệm trước đây về hệ NEMS và CNT. Nghiên cứu sử dụng phần mềm ANSYS để thực hiện mô phỏng phần tử hữu hạn, với cỡ mẫu mô hình hóa CNT có chiều dài trong phạm vi nano mét phù hợp với khả năng tính toán.

Phương pháp chọn mẫu là mô hình đàn hồi liên tục cho CNT đơn tường, kết hợp với phần tử Trans126 để mô phỏng tương tác cơ – điện. Phân tích được thực hiện theo timeline từ tháng 5/2014 đến tháng 5/2016, bao gồm các bước: lựa chọn mô hình, xây dựng mô hình trên ANSYS, chạy mô phỏng đa trường, phân tích kết quả và so sánh với các nghiên cứu đã công bố.

Phương pháp phân tích tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của điện áp một chiều đến tần số cộng hưởng, chuyển vị của CNT, và ứng dụng trong cảm biến khối lượng ở thang đo nanogam. Các kết quả được kiểm chứng bằng cách so sánh với dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng từ các nghiên cứu trước đó nhằm đảm bảo tính chính xác và tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình đàn hồi liên tục kết hợp phân tích đa trường cho kết quả tương đồng với nghiên cứu trước: Kết quả mô phỏng cho thấy tần số cộng hưởng của hệ NEMS với CNT đơn tường được mô hình hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn có sai số nhỏ so với các kết quả thực nghiệm và mô phỏng trước đây, với độ lệch dưới 5%.

2. Tần số cộng hưởng tỷ lệ thuận với điện áp một chiều (DC): Khi tăng điện áp DC đặt giữa điện cực và CNT, tần số dao động cộng hưởng của hệ tăng lên rõ rệt. Ví dụ, khi điện áp DC tăng từ 0 V lên khoảng 10 V, tần số cộng hưởng tăng khoảng 15%, cho thấy khả năng điều chỉnh tần số dao động thông qua điện áp.

3. Chuyển vị của CNT dưới tác dụng điện áp: Mô phỏng cho thấy chuyển vị của CNT tăng theo điện áp DC, tuy nhiên không vượt quá giới hạn điện áp pull-in, đảm bảo tính ổn định của hệ. Điện áp pull-in được xác định trong khoảng 12-15 V tùy theo chiều dài CNT.

4. Ứng dụng cảm biến khối lượng ở thang đo nanogam: Nghiên cứu mô hình cảm biến khối lượng dựa trên hệ NEMS cho thấy tần số cộng hưởng giảm khi khối lượng hấp thụ tăng. Ví dụ, khi khối lượng hấp thụ tăng 1 zeptogram, tần số cộng hưởng giảm khoảng 0.1%, chứng tỏ độ nhạy cao của cảm biến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ tính chất cơ học ưu việt của CNT và sự tương tác đa trường trong hệ NEMS. Việc sử dụng mô hình đàn hồi liên tục giúp giảm thiểu sai số do mô hình hóa nguyên tử phức tạp, đồng thời phần tử Trans126 mô tả chính xác tương tác cơ – điện, làm tăng độ tin cậy của mô phỏng.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả về tần số cộng hưởng và ảnh hưởng của điện áp DC phù hợp với các thí nghiệm của V. Sazonova và cộng sự cũng như nghiên cứu của Hsin-Ying Chiu. Sự khác biệt nhỏ có thể do điều kiện biên và kích thước CNT khác nhau trong từng nghiên cứu.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra khả năng thiết kế các hệ NEMS có thể điều chỉnh tần số dao động linh hoạt bằng điện áp, phục vụ cho các ứng dụng cảm biến siêu nhạy trong công nghiệp và y học. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số cộng hưởng theo điện áp DC và bảng so sánh tần số cộng hưởng với các nghiên cứu trước để minh họa rõ ràng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển phần mềm mô phỏng đa trường chuyên dụng: Động viên các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp đầu tư phát triển phần mềm mô phỏng đa trường tích hợp, nhằm nâng cao độ chính xác và giảm thời gian tính toán cho hệ NEMS. Thời gian thực hiện dự kiến 2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

2. Tăng cường nghiên cứu thực nghiệm với CNT có kích thước đa dạng: Khuyến khích thực hiện các thí nghiệm với CNT có chiều dài và đường kính khác nhau để kiểm chứng mô hình và mở rộng phạm vi ứng dụng. Thời gian 3 năm, chủ thể là các phòng thí nghiệm công nghệ nano.

3. Ứng dụng hệ NEMS trong cảm biến khối lượng siêu nhạy: Đề xuất phát triển các thiết bị cảm biến dựa trên mô hình đã nghiên cứu để ứng dụng trong y học, sinh học và công nghiệp, nhằm phát hiện các phân tử và nguyên tử với độ chính xác cao. Thời gian 1-2 năm, chủ thể là doanh nghiệp công nghệ và viện nghiên cứu.

4. Đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu về mô hình hóa đa trường: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu về mô hình hóa đa trường và phần tử hữu hạn trong lĩnh vực NEMS để nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng. Chủ thể là các trường đại học kỹ thuật, thời gian liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và công nghệ nano: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp mô hình hóa đa trường, giúp họ phát triển các đề tài nghiên cứu mới và giảng dạy chuyên sâu về NEMS.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm công nghệ nano: Các kỹ sư có thể áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu để thiết kế các thiết bị NEMS với hiệu suất cao, đặc biệt trong lĩnh vực cảm biến siêu nhạy.

3. Doanh nghiệp công nghệ và startup trong lĩnh vực cảm biến và điện tử nano: Luận văn cung cấp dữ liệu và phương pháp thiết kế giúp tối ưu hóa sản phẩm, giảm chi phí nghiên cứu và phát triển.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu và điện tử: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển luận văn, đề tài liên quan đến mô hình hóa và ứng dụng NEMS.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ NEMS là gì và có điểm khác biệt gì so với MEMS?
   Hệ NEMS là thiết bị cơ điện có kích thước ở thang nano mét, nhỏ hơn nhiều so với MEMS (vi cơ điện tử). NEMS có khối lượng cực nhỏ, tần số cộng hưởng cao hơn (khoảng 100 GHz), và độ nhạy với các đại lượng vật lý như lực, khối lượng rất lớn, phù hợp cho các ứng dụng siêu nhạy.

2. Tại sao ống nano cacbon (CNT) được sử dụng làm phần tử cơ học trong NEMS?
   CNT có độ cứng cao, khối lượng nhẹ, tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, cùng khả năng chịu nhiệt và bền vững trong môi trường khắc nghiệt. Những đặc tính này giúp CNT trở thành vật liệu lý tưởng cho phần tử cơ học trong hệ NEMS.

3. Phương pháp mô hình đàn hồi liên tục có ưu điểm gì?
   Phương pháp này đơn giản hóa mô hình CNT thành một thanh đàn hồi liên tục, giảm thiểu tài nguyên tính toán so với mô hình nguyên tử, cho phép mô phỏng các CNT có chiều dài lớn hơn và tích hợp dễ dàng trong phân tích đa trường.

4. Điện áp một chiều ảnh hưởng như thế nào đến tần số cộng hưởng của hệ NEMS?
   Điện áp DC tạo ra lực tĩnh điện làm tăng độ căng của CNT, từ đó làm tăng tần số cộng hưởng của hệ. Tần số cộng hưởng tỷ lệ thuận với điện áp DC, cho phép điều chỉnh linh hoạt tần số dao động.

5. Ứng dụng chính của hệ NEMS trong cảm biến khối lượng là gì?
   Hệ NEMS có thể phát hiện sự thay đổi nhỏ nhất về khối lượng ở cấp độ nguyên tử hoặc zeptogram nhờ độ nhạy cao của tần số cộng hưởng. Điều này giúp chế tạo các cảm biến siêu nhạy dùng trong y học, sinh học và công nghiệp để phát hiện các phân tử, virus hoặc nguyên tử.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình hóa hệ NEMS dựa trên CNT đơn tường theo hướng tiếp cận phân tích đa trường, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô hình đàn hồi liên tục và phần tử Trans126.
• Kết quả mô phỏng cho thấy tần số cộng hưởng của hệ NEMS tỷ lệ thuận với điện áp một chiều, đồng thời mô hình hóa chính xác chuyển vị và điện áp pull-in của CNT.
• Nghiên cứu đã ứng dụng mô hình để phân tích cảm biến khối lượng ở thang đo nanogam, chứng minh độ nhạy cao và khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ NEMS.
• Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được góp phần khắc phục các hạn chế của các nghiên cứu trước, mở ra hướng phát triển mới cho thiết kế và ứng dụng hệ NEMS.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển phần mềm mô phỏng chuyên dụng, mở rộng nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng trong các lĩnh vực cảm biến siêu nhạy, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu.

Quý độc giả và nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ với Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh để tiếp cận luận văn đầy đủ và tham gia các chương trình hợp tác nghiên cứu phát triển hệ NEMS.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ ÐỨC TUẤN MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ HỆ NEMS THEO HUỚNG TIẾP CẬN PHÂN TÍCH ÐA TRUỜNG NGÀNH: KỸ THUẬT CO KHÍ - 60520103 S K C0 0 4 9 6 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ ĐỨC TUẤN MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ HỆ NEMS THEO HƯỚNG TIẾP CẬN PHÂN TÍCH ĐA TRƯỜNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ ĐỨC TUẤN MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ HỆ NEMS THEO HƯỚNG TIẾP CẬN PHÂN TÍCH ĐA TRƯỜNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS. MAI ĐỨC ĐÃI Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 Luan van i Luan van ii Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC (Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học) I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Vũ Đức Tuấn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23/12/1984 Nơi sinh: Sông Bé Quê quán: Triệu Sơn, Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Phó trưởng phòng Đào tạo, Trường trung cấp nghề Việt – Hàn Bình Dương Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: C68E, Khu phố Bình phước, Phường Bình Nhâm, Thị xã Thuận An, Tỉnh Bình Dương. Điện thoại cơ quan: 0650.3872261 Điện thoại nhà riêng:0948456864 Fax: E-mail: v. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1.

Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 4/2008 Nơi học (trường, thành phố): Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Bảo vệ đồ án tốt nghiệp năm 2008 tại Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM Người hướng dẫn: Hoàng Trọng Bá 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 5/2014 đến 5/2016 Nơi học (trường, thành phố): Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật cơ khí Tên luận văn: Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường iii Luan van Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Bảo vệ luận văn ngày 29/10/2016 tại Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM Người hướng dẫn: TS. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh, trình độ B1 4. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: III.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 2008- Công ty TNHH SX TM Cơ khí Phú Nhân viên thiết kế 2009 Lợi Từ 2009 đến Trường Trung cấp nghề Việt - Hàn Phó trưởng phòng Đào tạo nay Bình Dương IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN/ĐỊA PHƯƠNG Ngày 02 tháng 10 năm 20016 (Ký tên, đóng dấu) Người khai ký tên iv Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2016 Vũ Đức Tuấn v Luan van LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực hiện thì luận văn: “Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường” của tôi đã hoàn thành.

Ngoài sự nỗ lực và cố gắng của bản thân, tôi còn nhận được sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô và bạn bè tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đối với Thầy hướng dẫn khoa học: TS. Mai Đức Đãi đã động viên, tận tình hướng dẫn, phản biện và đóng góp ý kiến cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên và truyền cảm hứng cho tôi hoàn thành tốt luận văn này.

Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2016 Vũ Đức Tuấn vi Luan van TÓM TẮT Hệ cơ điện nano (NEMS) sử dụng ống nano cacbon hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng như: điện tử viễn thông, cảm biến lực và cảm biến khối lượng siêu nhạy… Các công trình nghiên cứu trước đây cũng đã được thực hiện trên phương diện lý thuyết, mô phỏng và thí nghiệm. Tuy nhiên, vẫn đang còn tồn tại một số hạn chế như: có sự khác biệt giữa lý thuyết và thí nghiệm, chỉ mô phỏng được CNT có chiều dài nhỏ, điều kiện về kỹ thuật và thiết bị không đảm bảo được độ chính xác, cộng với khoản chi phí rất tốn kém để thực hiện. Để khắc phục các hạn chế đó, nghiên cứu này sẽ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS theo hướng tiếp cận phân tích đa trường. Trong đó, mô hình đàn hồi liên tục được sử dụng để mô hình hóa CNT và phần tử Trans126 được dùng để mô tả tương tác cơ – điện.

Các kết quả của nghiên cứu này chứng minh rằng phương pháp được sử dụng có kết quả hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu trước đây. Đồng thời cũng chỉ ra rằng có, thể điều chỉnh tần số dao động của hệ NEMS thông qua việc thay đổi điện áp một chiều đặt giữa điện cực và CNT. Tần số cộng hưởng của hệ NEMS tỉ lệ thuận với điện áp DC. Nghiên cứu này cũng đã tiến hành khảo sát ứng xử của hệ NEMS cho ứng dụng cảm biến khối lượng ở thang đo nano.

Từ khóa: Thiết bị NEMS, Mô hính hóa đa trường, Cảm biến siêu nhạy. vii Luan van ABSTRACT Nano electromechanical system based on carbon nanotubes have been promised for use in various applications, such as radio-frequency signal processing, ultrasensitive force detection, ultrasensitive mass detection. These earlier studies have been done in terms of theory, simulation and experiment. However, There are several limitations such as: difference between a theoretical value and an experimental value, small CNT lengths in the simulations, technical conditions and equipment does not guarantee precision, too expensive to do experiments.

To overcome these limitations, This research will be use the finite element method to modeling and designing NEMS approach towards multi-field analysis. In particular, continuous elastic model and Trans126 is used to describe Electro- Machanical interactions. The results of this research showing that our methods are completely similar to earlier studies. It also shows that we can adjust the NEMS oscillation frequency by changing the DC gate voltage.

The NEMS’s resonance frequency proportional to DC voltage. This study was also conducted surveys to behavior of NEMS for mass sensor applications in nano-scale. Keywords: NEMS divice, Multiphysics Modeling, ultrasensitive sensing. viii Luan van MỤC LỤC Trang 1.

Tổng quan về hệ NEMS. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ NEMS. Hệ NEMS với thành phần cơ học là CNT. Các thông số hoạt động và đặc điểm chính của hệ NEMS [3].

Ứng dụng của hệ NEMS. Các nghiên cứu về hệ NEMS với phần tử cơ học là CNT. Hạn chế của các nghiên cứu đã công bố. Mục đích của đề tài.

12 ix Luan van 1. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Nhiệm vụ của đề tài. Đối tượng nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu. Kết cấu của luận văn. Định nghĩa CNT. Cấu trúc của CNT.

Một số tính chất của CNT. Tính chất cơ học. Tính dẫn điện. Tính dẫn nhiệt.

Một số ứng dụng của CNT. Transistor hiệu ứng trường. Ứng dụng trong xử lý nước. Ứng dụng trong cảm biến.

Mô hình hóa ống nano carbon. Mô hình nguyên tử (Atomistic modeling). Mô hình cơ học kết cấu nguyên tử (Molecular structural mechanics). Mô hình đàn hồi liên tục (Continuum elastic models).

Ưu và nhược điểm của các phương pháp mô hình hóa CNT. Lựa chọn phương pháp mô hình hóa. Dao động cơ học của CNT trong hệ NEMS. Các phương pháp kích thích dao động của hệ NEMS.

Phương pháp điều chỉnh bằng tĩnh điện (Electrostatic Tuning). Phương pháp điều chỉnh bằng điện từ (Magnetomotive Tuning). Phương pháp điều chỉnh bằng quang nhiệt (Photothermal Tuning). Phương pháp điều chỉnh bằng áp điện (Piezoelectric Tuning Mechanism).

Phân bố điện tích trên CNT. Tương tác Cơ – Điện trong hệ NEMS. Đối với ống nano carbon bị ngàm một đầu. Đối với ống nano carbon bị ngàm hai đầu.

Phương trình mô tả dao động điều hòa của hệ NEMS. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn [84]. Giới thiệu về phần mềm ANSYS. Phân tích đa trường với phần mềm ANSYS.

Sử dụng mô hình thu gọn (Reduced Order Modeling) - TRANS126. Mô hình hóa hệ NEMS. 47 xi Luan van 4. Các bước giải bài toán trên ANSYS.

Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. So sánh với các nghiên cứu đã được công bố. Tần số dao động tự nhiên của hệ cơ học. Chuyển vị của CNT dưới tác dụng của điện áp.

Ảnh hưởng của điện áp lên tần số dao động của hệ NEMS. Tần số dao động của hệ NEMS dưới tác dụng của điện áp. Đáp ứng điều hòa của hệ NEMS. Ứng dụng hệ NEMS trong cảm biến khối lượng.

Mô hình cảm biến khối lượng. Quan hệ giữa tần số và độ dài CNT. Quan hệ giữa tần số và khối lượng hấp thụ. Sự thay đổi tần số cộng hưởng theo vị trí hấp thụ khối lượng.

Hướng phát triển của đề tài. 67 xii Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT A: Tiết diện mặt cắt ngang AC: Điện áp xoay chiều CM - Continuum: Mô hình liên tục CNT - Carbon nanotube: Ống nano cacbon DC: Điện áp một chiều E: Mô đun đàn hồi I: Mô men quán tính của mặt cắt L: Độ dài của CNT MD – Molecular dynamics: Động lực phân tử MEMS - Microelectromechanical systems: Hệ vi cơ điện tử NEMS - Nanoelectromechanical Systems: Hệ cơ điện nano MWCNT - Multi-Walled Carbon Nanotube: Ống nano cacbon đa tường R: Bán kính CNT ROM - Reduced Order Modeling: Mô hình thu gọn SWCNT - Single-Walled Carbon NanoTube: Ống nano cacbon đơn tường 𝑡: độ dày của CNT 𝜔: Tần số xiii Luan van DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Tính chất cơ học của CNT qua các công trình nghiên cứu. Tần số cộng hưởng của SWCNT so với các nghiên cứu khác. Tần số dao động tự nhiên của ống nano cacbon.

Điện áp pull-in của hệ NEMS với các thông số khác nhau. Tần số riêng của hệ ở các mức điện áp khác nhau. 58 xiv Luan van DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.