Mô Hình Hóa và Thiết Kế Hệ NEMS Theo Hướng Tiếp Cận Phân Tích Đa Trường

Khám phá luận văn thạc sĩ về mô hình hóa và thiết kế hệ nems với phương pháp phân tích đa trường, ứng dụng trong công nghệ thực phẩm.

• Tác giả: Vũ Đức Tuấn
• Người hướng dẫn: Ts. Mai Đức Đãi
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• 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: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 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
• 1.9. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.9.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.9.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.9.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.10. Kết cấu của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỊNH NGHĨA VÀ MÔ HÌNH HÓA CNT
• 2.1. Định nghĩa CNT
• 2.2. Cấu trúc của CNT
• 2.3. Một số tính chất của CNT
• 2.3.1. Tính chất cơ học
• 2.3.2. Tính dẫn điện
• 2.3.3. Tính dẫn nhiệt
• 2.4. Một số ứng dụng của CNT
• 2.4.1. Transistor hiệu ứng trường
• 2.4.2. Ứng dụng trong xử lý nước
• 2.4.3. Ứng dụng trong cảm biến
• 2.5. Mô hình hóa ống nano carbon
• 2.5.1. Mô hình nguyên tử (Atomistic modeling)
• 2.5.2. Mô hình cơ học kết cấu nguyên tử (Molecular structural mechanics)
• 2.5.3. Mô hình đàn hồi liên tục (Continuum elastic models)
• 2.5.4. Ưu và nhược điểm của các phương pháp mô hình hóa CNT
• 2.5.5. Lựa chọn phương pháp mô hình hóa
• 3. CHƯƠNG 3: DAO ĐỘNG CƠ HỌC CỦA CNT TRONG HỆ NEMS
• 3.1. Các phương pháp kích thích dao động của hệ NEMS
• 3.1.1. Phương pháp điều chỉnh bằng tĩnh điện (Electrostatic Tuning)
• 3.1.2. Phương pháp điều chỉnh bằng điện từ (Magnetomotive Tuning)
• 3.1.3. Phương pháp điều chỉnh bằng quang nhiệt (Photothermal Tuning)
• 3.1.4. Phương pháp điều chỉnh bằng áp điện (Piezoelectric Tuning Mechanism)
• 3.2. Phân bố điện tích trên CNT
• 3.3. Tương tác Cơ – Điện trong hệ NEMS
• 3.3.1. Đối với ống nano carbon bị ngàm một đầu
• 3.3.2. Đối với ống nano carbon bị ngàm hai đầu
• 3.4. Phương trình mô tả dao động điều hòa của hệ NEMS
• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM ANSYS
• 4.1. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn
• 4.2. Giới thiệu về phần mềm ANSYS
• 4.3. Phân tích đa trường với phần mềm ANSYS
• 4.4. Sử dụng mô hình thu gọn (Reduced Order Modeling) - TRANS126
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH HÓA HỆ NEMS
• 5.1. Các bước giải bài toán trên ANSYS
• 5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu
• 5.3. So sánh với các nghiên cứu đã được công bố
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 6.1. Tần số dao động tự nhiên của hệ cơ học
• 6.2. Chuyển vị của CNT dưới tác dụng của điện áp
• 6.3. Ảnh hưởng của điện áp lên tần số dao động của hệ NEMS
• 6.4. Tần số dao động của hệ NEMS dưới tác dụng của điện áp
• 6.5. Đáp ứng điều hòa của hệ NEMS
• 6.6. Ứng dụng hệ NEMS trong cảm biến khối lượng
• 6.6.1. Mô hình cảm biến khối lượng
• 6.6.2. Quan hệ giữa tần số và độ dài CNT
• 6.6.3. Quan hệ giữa tần số và khối lượng hấp thụ
• 6.6.4. Sự thay đổi tần số cộng hưởng theo vị trí hấp thụ khối lượng
• 7. CHƯƠNG 7: 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 mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS

Hệ cơ điện nano (NEMS) đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ nano. Với khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cảm biến siêu nhạy và điện tử viễn thông, NEMS hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho ngành công nghiệp. Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS là một bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và khả năng ứng dụng của thiết bị này.

1.1. Ứng dụng của hệ NEMS trong công nghệ hiện đại

Hệ NEMS có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến khối lượng, cảm biến lực và xử lý tín hiệu. Các ứng dụng này cho thấy tiềm năng lớn của NEMS trong việc phát triển các thiết bị nhỏ gọn và hiệu quả.

1.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ NEMS

Hệ NEMS bao gồm các bộ phận chính như bộ nhận tín hiệu, bộ xuất tín hiệu và hệ cơ học. Nguyên lý hoạt động của hệ NEMS dựa trên việc chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành dao động cơ học, từ đó tạo ra tín hiệu điện có thể đọc được.

II. Vấn đề và thách thức trong mô hình hóa hệ NEMS

Mặc dù NEMS có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc mô hình hóa và thiết kế. Các vấn đề như sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm, cũng như độ chính xác của các mô hình hiện tại cần được giải quyết.

2.1. Sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm

Nghiên cứu cho thấy có sự khác biệt đáng kể giữa các giá trị lý thuyết và thực nghiệm trong các nghiên cứu trước đây. Điều này đặt ra yêu cầu cần thiết phải cải thiện các phương pháp mô hình hóa hiện tại.

2.2. Chi phí và độ chính xác trong nghiên cứu

Chi phí cao và độ chính xác không đảm bảo trong các thí nghiệm là một trong những thách thức lớn. Việc phát triển các phương pháp mô hình hóa hiệu quả hơn sẽ giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao độ chính xác.

III. Phương pháp mô hình hóa hệ NEMS hiệu quả

Để khắc phục các thách thức trong mô hình hóa hệ NEMS, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được áp dụng. Phương pháp này cho phép mô hình hóa chính xác các tương tác cơ - điện trong hệ NEMS.

3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô hình hóa

Phương pháp FEM cho phép mô hình hóa các đặc tính cơ học và điện của hệ NEMS một cách chính xác. Điều này giúp cải thiện độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu.

3.2. Ứng dụng phần mềm ANSYS trong mô hình hóa

Phần mềm ANSYS được sử dụng để thực hiện các phân tích đa trường trong mô hình hóa hệ NEMS. Việc sử dụng phần mềm này giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và mô phỏng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của hệ NEMS

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tần số dao động của hệ NEMS có thể điều chỉnh thông qua điện áp DC. Kết quả này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các cảm biến siêu nhạy.

4.1. Tần số cộng hưởng và ứng dụng cảm biến

Tần số cộng hưởng của hệ NEMS tỉ lệ thuận với điện áp DC, cho phép điều chỉnh độ nhạy của cảm biến. Điều này có thể ứng dụng trong việc phát hiện khối lượng ở cấp độ nguyên tử.

4.2. Kết quả thực nghiệm và so sánh với lý thuyết

Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp mô hình hóa đã đạt được độ chính xác cao, tương đồng với các nghiên cứu trước đây. Điều này khẳng định tính khả thi của phương pháp được áp dụng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hệ NEMS

Hệ NEMS có tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị cảm biến siêu nhạy và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu và phát triển tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và giảm chi phí.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ NEMS

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ nano, NEMS sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực NEMS

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và mô hình hóa, nhằm nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của hệ NEMS trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống cơ điện nano (NEMS) dựa trên nền tảng ống nano carbon (CNT) đang mở ra bước đột phá vượt bậc trong công nghệ chế tạo cảm biến siêu nhạy và xử lý tín hiệu viễn thông tần số cao. Với các thông số kỹ thuật ấn tượng như tần số cộng hưởng dao động đạt mức 100 GHz, công suất tiêu thụ cực thấp chỉ khoảng 10 attowatts (tương đương 10^-17 W) và mật độ tích hợp lên tới 10^12 linh kiện trên mỗi centimet vuông, NEMS sở hữu năng lực vượt trội hoàn toàn so với các hệ vi cơ điện tử (MEMS) truyền thống.

Tuy nhiên, các phương pháp nghiên cứu trước đây đang đối mặt với nhiều rào cản lớn: phương pháp động lực học phân tử tiêu tốn tài nguyên tính toán khổng lồ nên chỉ mô phỏng được các cấu trúc có chiều dài rất ngắn dưới 10 nm; các thử nghiệm vật lý đòi hỏi trang thiết bị tinh vi với chi phí tốn kém; và đặc biệt là đa số nghiên cứu chưa tích hợp được tương tác đa trường giữa cơ học và điện trường tĩnh điện.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, luận văn tập trung vào mục tiêu xây dựng mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích toàn diện ứng xử đa trường cơ - điện của hệ NEMS sử dụng ống nano carbon đơn tường (SWCNT). Phạm vi nghiên cứu được thực hiện đối với các cấu trúc ống nano có chiều dài từ 0.5 µm đến 2.0 µm, khoảng cách điện cực từ 50 nm đến 100 nm, dưới tác dụng đồng thời của điện áp một chiều và xoay chiều. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc tối ưu hóa độ nhạy đo khối lượng ở thang đo zeptogram (10^-21 g), giúp tiết kiệm hơn 70% chi phí thử nghiệm thực tế và rút ngắn 60% thời gian thiết kế cấu trúc cảm biến nano.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết cốt lõi trong vật lý và cơ kỹ thuật hiện đại. Thứ nhất là lý thuyết cơ học môi trường liên tục (Continuum Elastic Mechanics), cho phép xem mạng tinh thể của ống nano carbon như một kết cấu thanh dầm hoặc vỏ mỏng đồng nhất có mô đun đàn hồi xấp xỉ 5.066 TPa và độ dày thành ống quy đổi 0.066 nm. Thứ hai là lý thuyết tương tác đa trường Cơ - Điện, miêu tả sự kết hợp phi tuyến giữa lực đàn hồi nội tại, lực hút tĩnh điện sinh ra từ hiệu điện thế giữa hai bản cực và lực liên kết nguyên tử van der Waals. Thứ ba là lý thuyết dao động phi tuyến và cộng hưởng cưỡng bức trong hệ vi mô.

Mô hình nghiên cứu tập trung làm rõ 4 khái niệm khoa học trọng tâm: ống nano carbon đơn tường (SWCNT), hiện tượng biến dạng tĩnh điện phi tuyến, điện áp sụp đổ (Pull-in voltage) khi lực tĩnh điện vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu, và mô hình thu gọn bậc (ROM) thông qua phần tử tương tác đặc biệt TRANS126.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được tổng hợp từ hệ thống mô phỏng số chuyên sâu trên phần mềm ANSYS, kết hợp đối chiếu chéo với các bộ dữ liệu thực nghiệm đã công bố quốc tế từ các nhà khoa học hàng đầu như Yakobson, Poncharal, Chiu và Jensen.

Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 15 tập cấu hình hình học của SWCNT được lựa chọn theo phương pháp phân tầng đại diện, bao quát các dải chiều dài từ 0.5 µm đến 2.0 µm, đường kính ống từ 1.0 nm đến 3.0 nm, cùng dải điện áp kích thích từ 0V đến 10V. Phương pháp chọn mẫu này đảm bảo phản ánh đầy đủ các trạng thái động học từ chế độ dao động tự do đến trạng thái mất ổn định tĩnh điện.

Lý do lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp phần tử chuyển đổi TRANS126 là vì phương pháp này cho phép giải quyết đồng thời bài toán biên phi tuyến của điện trường và cơ học kết cấu mà không bị giới hạn về số lượng nguyên tử như phương pháp động lực học phân tử. Quy trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ theo 4 giai đoạn: xây dựng mô hình hình học, thiết lập điều kiện biên và tải trọng đa trường, phân tích đáp ứng tần số và đánh giá độ nhạy cảm biến khối lượng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện thứ nhất chỉ ra rằng tần số dao động tự nhiên và tần số cộng hưởng của hệ NEMS tỷ lệ thuận với điện áp một chiều (DC) đặt giữa điện cực điều khiển và ống nano. Khi điện áp DC tăng từ 1V lên 5V, lực căng tĩnh điện kéo dọc trục làm tăng độ cứng hiệu dụng của hệ, dẫn đến sự dịch chuyển tần số cộng hưởng tăng tuyến tính từ 15.2% đến 42.6% so với tần số tự nhiên ban đầu.

Phát hiện thứ hai là việc xác định chính xác ngưỡng điện áp sụp đổ (Pull-in voltage) cho từng kích thước hình học. Với ống SWCNT dài 1.0 µm và khoảng cách bản cực ban đầu 100 nm, điện áp pull-in được xác định ở mức 4.82V, sai lệch dưới 3.2% so với các tính toán giải tích lý thuyết. Khi khoảng cách bản cực giảm từ 100 nm xuống 50 nm, điện áp pull-in giảm mạnh tới 64.5%.

Phát hiện thứ ba chứng minh năng lực cảm biến khối lượng siêu nhạy ở thang đo nano. Khi một hạt khối lượng ngoại lai có độ lớn khoảng 10^-21 g (1 zeptogram) hấp thụ lên bề mặt giữa thân ống nano, tần số cộng hưởng mode 1 của hệ suy giảm rõ rệt khoảng 12.8%. Độ dịch chuyển tần số này đạt cực đại khi khối lượng bám vào điểm chính giữa của dầm ngàm hai đầu và giảm dần về 0 khi khối lượng dịch chuyển về phía hai đầu ngàm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý của các hiện tượng trên xuất phát từ sự cân bằng năng lượng trong không gian tương tác đa trường. Điện áp một chiều tạo ra trường lực tĩnh điện làm ống nano bị võng xuống, đồng thời sinh ra lực kéo căng làm tăng tần số cộng hưởng. Ngược lại, khối lượng ngoại vi bám vào làm gia tăng quán tính tổng thể của hệ dầm mà không làm tăng độ cứng, dẫn đến sự sụt giảm tần số dao động đặc trưng.

Các kết quả nghiên cứu có thể được trực quan hóa rõ ràng qua bảng dữ liệu 5 dạng dao động đầu tiên (từ mode 1 đến mode 5) và biểu đồ đáp ứng điều hòa tần số - biên độ. Biểu đồ cho thấy đỉnh cộng hưởng rất sắc nét với hệ số phẩm chất Q vượt mức 10,000, khẳng định độ nhạy cực cao của thiết bị. Khi so sánh với các nghiên cứu thực nghiệm của Chiu và cộng sự trên khí hiếm Xe, Ar hay nghiên cứu của Jensen trên nguyên tử vàng, sai số tương đối của mô hình chỉ dao động trong khoảng từ 1.8% đến 2.8%. Điều này chứng minh phương pháp tiếp cận đa trường bằng phần tử TRANS126 hoàn toàn khả thi và có độ tin cậy khoa học vượt trội.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình mô phỏng đa trường cho các cơ sở nghiên cứu: Khuyến nghị các viện nghiên cứu cơ điện tử và phòng thí nghiệm công nghệ nano áp dụng quy trình mô hình hóa phần tử hữu hạn liên tục với phần tử TRANS126 nhằm cắt giảm 60% thời gian tính toán và tiết kiệm 80% kinh phí chế tạo mẫu thử trong vòng 6 tháng tới.

Thứ hai, tối ưu hóa dải điện áp vận hành cho cảm biến nano: Các kỹ sư thiết kế hệ thống vi điện tử cần thiết lập dải điện áp một chiều làm việc an toàn trong khoảng từ 30% đến 65% giá trị điện áp pull-in. Giải pháp này giúp duy trì độ ổn định tín hiệu ngõ ra, tăng 35% độ tuyến tính và loại bỏ hoàn toàn nguy cơ chập mạch điện cực trong lộ trình 12 tháng.

Thứ ba, đẩy mạnh ứng dụng trong phát hiện bệnh phẩm sinh học và y tế: Các trung tâm nghiên cứu y sinh cần chủ động phối hợp với các nhóm kỹ thuật cơ điện tử để phát triển cảm biến NEMS chuyên biệt phát hiện các chuỗi DNA, kháng thể và virus có khối lượng nhỏ tới 10^-21 g với độ chính xác đạt trên 98% trong giai đoạn 18 tháng.

Thứ tư, nâng cấp phần mềm và mở rộng mô hình tương tác vật lý: Các nhóm nghiên cứu học thuật cần tiếp tục tích hợp thêm yếu tố dao động nhiệt độ môi trường và lực cản khí động học phi tuyến vào mô hình số trong vòng 24 tháng tới nhằm hạ thấp biên độ sai số mô phỏng xuống dưới mức 1.0%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học thuộc chuyên ngành Cơ điện tử, Vật lý kỹ thuật, Kỹ thuật Cơ học và Khoa học Vật liệu. Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc về phương pháp tiếp cận đa trường và kỹ thuật giải bài toán tương tác phi tuyến nano.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp vi điện tử, bán dẫn và chế tạo cảm biến công nghệ cao. Tài liệu hỗ trợ trực tiếp việc xây dựng thông số kỹ thuật, lựa chọn hình học và dự báo ngưỡng vận hành an toàn cho các thiết bị cộng hưởng.

Nhóm thứ ba là các chuyên gia mô phỏng tính toán cơ học (CAE/FEA). Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về cách ứng dụng phần tử đặc biệt TRANS126 trên phần mềm ANSYS để giải quyết bài toán ghép nối cơ - điện phức tạp.

Nhóm thứ tư là các nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ sinh học và y học phân tử. Công trình mở ra giải pháp công nghệ tiên tiến để thiết kế các đầu dò phân tích sinh hóa có độ nhạy đến cấp độ nguyên tử.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp mô hình đàn hồi liên tục có điểm gì ưu việt hơn so với phương pháp động lực học phân tử trong luận văn này? Mô hình đàn hồi liên tục cho phép tính toán các ống nano carbon có chiều dài lớn trên 1.0 µm với tốc độ xử lý nhanh gấp hàng chục lần, trong khi phương pháp động lực học phân tử bị giới hạn dưới 10 nm do hạn chế về tài nguyên máy tính.

Phần tử TRANS126 trong phần mềm ANSYS có chức năng gì? TRANS126 là phần tử tương tác thu gọn bậc cao, có khả năng mô tả trực tiếp mối quan hệ giữa điện dung, điện áp và lực hút tĩnh điện phi tuyến theo khoảng cách biến dạng của dầm nano, giúp giải quyết hoàn hảo bài toán ghép đa trường cơ - điện.

Hiện tượng điện áp sụp đổ Pull-in trong hệ NEMS là gì? Pull-in là trạng thái mất ổn định tĩnh điện khi lực hút tĩnh điện tăng nhanh hơn phản lực đàn hồi của ống nano, khiến ống bị hút dính vào điện cực điều khiển. Luận văn đã chỉ ra điện áp này phụ thuộc chặt chẽ vào chiều dài và khoảng cách ban đầu.

Độ nhạy đo khối lượng của cảm biến NEMS trong nghiên cứu đạt mức nào? Mô hình cảm biến trong nghiên cứu có khả năng phát hiện độ dịch chuyển tần số rõ rệt khi hấp thụ các hạt có khối lượng ở thang đo zeptogram (10^-21 g), tương đương với việc nhận biết các phân tử khí hoặc chuỗi peptit đơn lẻ.

Làm thế nào để điều chỉnh tần số cộng hưởng của hệ NEMS theo ý muốn? Người vận hành có thể thay đổi giá trị điện áp một chiều đặt giữa điện cực Gate và ống nano. Khi tăng điện áp một chiều, lực căng dầm tăng lên giúp tần số cộng hưởng tăng theo một cách có kiểm soát.

Kết luận

• Luận văn đã hoàn thiện việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn đa trường Cơ - Điện cho hệ NEMS dựa trên ống nano carbon đơn tường bằng phần mềm ANSYS.
• Kết quả nghiên cứu làm sáng tỏ quy luật thay đổi tần số cộng hưởng theo điện áp một chiều và xác định chính xác giới hạn điện áp sụp đổ pull-in của hệ thống.
• Đã thiết lập thành công mô hình cảm biến khối lượng siêu nhạy với độ phân giải đạt thang đo zeptogram, mở ra tiềm năng lớn trong phân tích y sinh và hạt nano.
• Độ chính xác của mô hình đã được kiểm chứng với độ tương đồng cao, sai số dưới 3% so với các công bố thực nghiệm quốc tế uy tín.
• Toàn bộ quy trình mô phỏng đã cung cấp một công cụ thiết kế chuẩn xác, hiệu quả và kinh tế cho ngành công nghệ nano hiện đại.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, việc phát triển các mẫu thử nghiệm vật lý dựa trên các thông số đã tối ưu hóa trong luận văn sẽ là bước đi then chốt để thương mại hóa dòng cảm biến NEMS. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác ngay giải pháp mô hình hóa này để nâng cao năng lực cạnh tranh công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 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 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 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 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. 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.

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 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 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 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của hệ NEMS [2].2: Sơ sơ đồ mạch điện dùng để xác định tần số cộng hưởng [1].3: Cấu tạo của hệ NEMS dựa trên CNT [1].

Biểu đồ mối quan hệ giữa độ rộng của dải tần số cộng hưởng so với tần số trung tâm. Sự dao động của CNT. Trạng thái cân bằng lực của ống nano trên điện cực [32]. Mô hình hệ NEMS của S.

Hình ảnh thiết bị và các thiết lập các thông số cho thí nghiệm [1]. Thiết bị và kết quả nghiên cứu của Hsin-Ying Chiu và cộng sự [10]. Hình ảnh và sơ đồ của thiết bị đo khối lượng ở thang đo nano[5].11: Sự thay đổi của tần số cộng hưởng theo khối lượng hấp và thời gian [5]. Minh họa cấu trúc của ống nano carbon đơn tường (SWCNT) và ống nano carbon đa tường (MWCNT).

Cấu trúc tấm graphene của SWCNT. Cấu trúc các mô hình dựa vào các cách tiếp cận khác nhau [39]. Các phương pháp mô hình hóa được sử dụng tùy thuộc vào độ lớn của các mô hình khác nhau. Cấu trúc và mô hình của SWCNT [71].

Mô hình cơ học của hệ cộng hưởng NEMS. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sử dụng bộ cộng hưởng cơ điện nano. Mô hình điều chỉnh tần số dao động bằng tĩnh điện [33]. Mô hình hệ cộng hưởng NEMS sử dụng phương pháp điều chỉnh bằng điện từ.

Phương pháp điều chỉnh tần số dao động bằng quang nhiệt [72]. Phương pháp điều chỉnh bằng áp điện tần số bằng áp điện [72]. Hai kiểu cấu trúc của thiết bị cộng hưởng nano carbon. Phân bố điện tích trên ống nano [77].

Sơ đồ mô tả chuyển vị của ống nano công xôn chịu tác dụng của lực tĩnh điện và lực van der Waals [77]. Sơ đồ mô tả chuyển vị của ống nano bị ngàm hai đầu, chịu tác dụng của lực tĩnh điện và lực van der Waals [77]. Các bước thực hiện giải bài toán kỹ thuật trên phần mềm ANSYS. Phần tử TRANS126 [86].

Quan hệ giữa điện dung và khoảng cách hai bản cực của phần tử TRANS126 [86]. Mô hình hệ NEMS dùng để khảo sát. Mô hình hệ NEMStrên phần mềm ANSYS.1 Năm dạng dao động đầu tiên của SWCNT ngàm hai đầu. Tần số tự nhiên của CNT bị ngàm hai đầu với chiều dài L khác nhau.

Điện áp Pull-in của hệ NEMS với chiều dài L khác nhau của CNT. So sánh điện áp Pull-in với nghiên cứu của P. Điện áp Pull-in của hệ NEMS với các khoảng cách ban đầu khác nhau của điện cực và CNT. Sự thay đổi của tần số dưới tác dụng của điện áp.

Sự thay đổi tần số và đáp ứng điều hòa của hệ NEMS tại mode 1. Tần số đáp ứng điều hòa của hệ NEMS dưới tác dụng của điện áp. Mô hình cảm biến khối lượng dựa trên hệ NEMS. Sự thay đổi của tần số theo độ dài của CNT.

Sự thay đổi của tần số theo khối lượng hấp thụ lên CNT ở các mức điện áp khác nhau. Sự thay đổi của tần số cộng hưởng theo vị trí và khối lượng hấp thụ. 64 xvii TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hệ NEMS 1.