Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng vi cảm biến lực áp trở

Nguyên tắc đo trong cảm biến và vi cảm biến thường dựa trên các hiệu ứng vật lýbiến đổi một dạng năng lượng nào đó nhiệt, cơ hoặc bức xạ thành năng lượng điện.Các đại lượng cần đo thường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN VŨ MINH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HUẾ - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN VŨ MINH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH

HUẾ - 2014

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS.TS Chử Đức Trình, người

đã hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo trong quá trình thực hiện luận văn Sự chỉ bảo tậntâm của thầy đã mang lại cho tôi hệ thống các phương pháp, kiến thức cũng như kỹ nănghết sức quý báu để có thể hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo, thầy giáo, cô giáo khoa Điện tử viễnthông, trường đại học Công nghệ, đặc biệt là các thầy giáo Bộ môn , khoa Điện tử viễnthông - những người mà trong thời gian qua đã dạy dỗ, truyền thụ kiến thức khoa học,giúp tôi từng bước trưởng thành

Tôi xin trân trọng cảm ơn phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Vật lý, trường Đại họcKhoa học, Đại học Huế đã hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn.Xin chân thành cảm ơn những người thân, gia đình và bạn bè - những người đã hỗtrợ tôi rất nhiều về cả vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể học tập đạt kết quả tốt và thựchiện thành công luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 2 năm 2014

Trần Vũ Minh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn do tôi thực hiện Những kết quả từ những tác giả trước

mà tôi sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng, cụ thể Không có bất kỳ sựkhông trung thực nào trong các kết quả tính toán

Nếu có gì sai trái, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 10 tháng 2 năm 2014

Học viên

Trần Vũ Minh

TÓM TẮT

Nhiệm vụ chính của luận văn là tìm hiểu về vi cảm biến, cụ thể là tìm hiểu về vicảm biến lực đa chiều áp trở Trên cơ sở lý thuyết tìm hiểu được, thiết kế một cấu trúc

vi cảm biến lực 3 chiều áp trở nhận biết và đo được các lực theo nhiều chiều

Luận văn đã đi vào tìm hiểu mô hình vi cảm biến lực, mô hình vi cảm biến lực đachiều, cấu trúc thanh dầm cantilever cho vi cảm biến lực đa chiều, cơ sở về hiệu ứng áptrở của vi cảm biến lực áp trở Dựa trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu được, luận văn đãthực hiện việc thiết kế một cấu trúc vi cảm biến lực 3 chiều áp trở Luận văn cũng đãxây dựng các công thức liên quan cho các cấu trúc này

Cuối cùng, luận văn đã thực hiện việc mô phỏng bằng phần mềm COMSOL để khảosát và thiết kế vi cảm biến đồng thời trình bày các kết quả đạt được để từ đó xây dựngnhững hướng phát triển mới

MỤC LỤC

1.1 Mô hình vi cảm biến lực đa chiều 11

1.1.1 Mô hình vi cảm biến 11

1.1.2 Mô hình vi cảm biến lực 13

1.1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều 13

1.2 Vi cảm biến lực đa chiều dạng thanh dầm cantilever 14

1.2.1 Thanh dầm cantilever chữ I 14

1.2.2 Thanh dầm cantilever chữ L 17

1.3 Các tiêu chí cho việc thiết kế vi cảm biến lực đa chiều 17

1.3.1 Đường cong chuẩn cảm biến 17

1.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến 18

1.3.3 Độ nhạy 19

1.3.4 Độ tuyến tính 20

1.3.5 Sai số và độ chính xác 20

1.4 Kết luận chương 21

CHƯƠNG 2: VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ 21

2.1 Phân loại vi cảm biến lực 22

2.1.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ 22

2.1.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện 22

2.1.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở 23

2.1.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang 25

2.2 Vi cảm biến lực áp trở 26

2.2.1 Đặc tính cơ học của Silic đơn tinh thể 26

2.2.2 Hiệu ứng áp điện trở 28

2.3 Mạch cầu Wheatstone 32

2.4 Nhiễu 33

2.4.1 Nhiễu Johnson 33

2.4.2 Nhiễu flicker 33

2.5 Kết luận chương 34

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU ÁP TRỞ 34 3.1 Mô hình cấu trúc vi cảm biến lực 3 chiều áp trở 35

3.2 Cấu hình ngang 37

3.3 Cấu hình dọc 40

3.4 Cấu hình dài 43

3.5 Kết luận chương 46

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 46 4.1 Thiết kế các thông số hình học của vi cảm biến 47

4.2 Mô phỏng 47

4.2.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL 48

4.2.2 Mô phỏng thanh dầm cantilever chữ L 48

4.2.3 Cấu hình ngang 48

4.2.4 Cấu hình dọc 494.2.5 Cấu hình dài 504.3 Kết luận chương 50

DANH SÁCH HÌNH VẼ

1.1 Mô hình vi cảm biến 12

1.2 Mô hình vi cảm biến lực 13

1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều 14

1.4 Thanh dầm cantilever chữ I 15

1.5 Phân bố ứng suất trên thanh dầm 16

1.6 Thanh dầm cantilever chữ L 17

1.7 Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính 18

2.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ 23

2.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện 24

2.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở 24

2.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang 25

2.5 Các thành phần ứng suất 27

2.6 Mạch cầu Wheatstone 32

2.7 Mật độ phổ công suất nhiễu flicker 34

3.1 Vi cảm biến lực 3 chiều áp trở 36

3.2 Khối đặt lực tác dụng 37

3.3 Sơ đồ cấu hình : a) Cấu hình ngang b) Cấu hình dọc c) Cấu hình dài d) Bố trí cầu Wheatstone với công tắc chuyển từ a) sang b) 38

3.4 Cấu hình ngang 39

3.5 Điện áp ra ở cấu hình ngang 40

3.6 Cấu hình dọc 41

3.7 Điện áp ra ở cấu hình dọc 42

3.8 Cấu hình dài 1 43

3.9 Cấu hình dài 2 44

3.10 Điện áp ra ở cấu hình ngang 45

4.1 Giao diện phần mềm COMSOL 49

4.2 Thanh dầm cantilever chữ L 50

4.3 Phân bố ứng suất cấu hình ngang 51

4.4 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình ngang 51

4.5 Phân bố ứng suất cấu hình dọc 52

4.6 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dọc 52

4.7 Phân bố ứng suất cấu hình dài 53

4.8 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dài 53

DANH SÁCH BẢNG

2.1 Thông số cơ học của một số vật liệu 262.2 Giá trị thực nghiệm các hệ số áp điện trở 314.1 Thông số hình học của vi cảm biến lực 3 chiều áp trở 47

áp trở có ưu điểm vượt trội là độ nhạy cao, giá thành rẻ, mạch xử lý tín hiệu đơn giản [5].Với các ứng dụng ngày càng trở nên tinh tế [5, 7] thì yêu cầu về cảm biến lực đa chiều,

độ nhạy cao, kích thước nhỏ đang được đặt ra

Đề tài có mục tiêu chính là tìm hiểu và thiết kế vi cảm biến lực 3 chiều áp trở Bêncạnh đó đề tài còn thực hiện việc mô phỏng trong quá trình thiết kế

Luận văn gồm 4 chương, nội dung cụ thể như sau:

Chương 1 trình bày chi tiết các mô hình vi cảm biến lực và các tiêu chí trong việcthiết kế vi cảm biến Một phần quan trọng của chương 1 là trình bày về cấu trúc thanhdầm cantilever, một cấu trúc cơ bản của vi cảm biến lực

Chương 2 trình bày chi tiết về vi cảm biến lực áp trở trong đó tập trung vào việcphân loại vi cảm biến lực và giới thiệu hiệu ứng áp điện trở, là hiệu ứng vật lý được dùngtrong vi cảm biến lực áp trở Ngoài ra chương này còn tìm hiểu về mạch đo và nhiễu trong

hệ thống

Chương 3 trình bày về các cấu trúc dùng để nhận biết các lực tác dụng theo cácphương khác nhau của vi cảm biến lực 3 chiều áp trở: cấu trúc dài, cấu trúc dọc, cấu trúcngang Sau đó là phần thiết kế chi tiết về vi cảm biến lực 3 chiều áp trở

Chương 4 trình bày các kết quả và việc thực hiện mô phỏng từ phần mềm COMSOL.Dùng phần mềm để khảo sát việc phân bố ứng suất và đánh giá các kết quả thực nghiệm

so với lý thuyết đã thực hiện ở chương 3

CHƯƠNG 1: VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU

Chương 1 trình bày mô hình và cấu trúc vi cảm biến lực đa chiều, và tìm hiểu cáctiêu chí cho việc thiết kế Phần 1.1 trình bày mô hình vi cảm biến lực đa chiều Phần 1.2trình bày cấu trúc thanh dầm vi cảm biến lực đa chiều Phần 1.3 trình bày các tiêu chíthiết kế vi cảm biến

1.1.1 Mô hình vi cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không

có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện hoặc có đặc trưng điện và có thể xử lýđược [1]

Vi cảm biến là cảm biến được chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems - MEMS) MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến, vichấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip Công nghệ vi cơ và các

hệ thống cơ điện được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn

vị đo micro

Nguyên tắc đo trong cảm biến và vi cảm biến thường dựa trên các hiệu ứng vật lýbiến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện.Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tácđộng lên cảm biến (vi cảm biến) cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (như điệntích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trịcủa đại lượng đo

Mô hình vi cảm biến được trình bày ở hình (1.1) mô tả đầu vào X là đại lượngkhông điện cần đo, đầu ra Y = f (X) là một đại lượng điện cần đo

Việc đo lường Y sẽ cho phép nhận biết giá trị của X; Y = f (X) là dạng lý thuyếtcủa định luật vật lý biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu diễn

sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo (kích thước và hình dạng), vật liệu chế tạo cảm biến,đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng (nhiệt độ, nguồn nuôi) Vị trí của cảm biến

Hình 1.1: Mô hình vi cảm biếntrong thiết bị đo lường chính là phần chuyển đổi sơ cấp.

Cảm biến được sử dụng ở hầu hết các mặt của sản xuất cũng như đời sống xã hội [1].Trong ngành viễn thông là các cơ cấu tự động cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy củatổng đài, góp phần đảm bảo tổng đài hoạt động được liên tục, cảm biến tại các thiết bịđầu cuối để chuyển âm thanh, hình ảnh thành tín hiệu điện, tại các thiết bị truyền dẫnchuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang và ngược lại Trong ngành tự động hóa sử dụngcảm biến để biết được các thông số của đối tượng cần điều khiển (tốc độ động cơ, vậntốc của vật, của xe, hướng đi .) từ đó xây dựng phương pháp điều khiển

Vi cảm biến có nhiều ứng dụng trong thế giới vi mô [5] Thao tác chuẩn, chính xác

và kiểm soát các vật thể kích thước nhỏ là một lĩnh vực hấp dẫn và đầy thử thách cho cảsản xuất công nghiệp và nghiên cứu khoa học cơ bản Trong các thập kỷ qua, các phươngpháp khác nhau liên quan đến xử lý, phân tích, lắp ráp các mẫu vi mô, kể cả lỏng và rắn,

đã được chứng minh có hiệu quả và đáng tin cậy, cung cấp những tiến bộ đáng kể trongviệc phát triển công nghiệp và nghiên cứu khoa học Các ứng dụng phổ biến nhất là: cácphương pháp tích hợp trên chip, công nghệ in phun và lắp ráp vi cơ kết hợp công nghệ vi

cơ điện tử và các công cụ xử lý thu nhỏ

Trong các ứng dụng vi thể lỏng, các thiết bị tích hợp trên chip đã được nghiên cứurộng rãi để phân tích các mẫu y sinh học, chẳng hạn như Acid Deoxyribo Nucleic - ADN,virus và các tế bào sống Bằng cách thu nhỏ các hệ thống phân tích vĩ mô thông thườngxuống kích cỡ chip, lượng mẫu chất lỏng cần thiết để có thể phân tích tin cậy được giảmxuống mức đơn vị nano lít hay thậm chí pico lít Thời gian và chi phí của toàn bộ thủtục phân tích được giảm đáng kể, bên cạnh đó còn cải thiện độ chính xác Các công cụ

xử lý vi mô tích hợp cảm biến lực đã được phát triển dùng để lắp ráp vi mô, xử lý tế bàosống, hạn chế kích thước phẫu thuật, nhận dạng các vi mẫu

Xử lý vi mô là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển mới với nhiều thách thức Sovới vĩ mô, các thao tác với mẫu vi mô có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi môi trường xungquanh Bên cạnh đó, việc quan sát quá trình thao tác mẫu vi mô rất khó khăn, phải dựavào các thiết bị đặc biệt Do đó, các thao tác gặp nhiều trở ngại và mất đi tính chính xác,hiệu quả Vì vậy, việc thiết kế các hệ thống thông minh với khả năng giám sát tại chỗnhằm phát hiện khối lượng, lực và vị trí là cần thiết để có thể thao tác an toàn, chínhxác và hiệu quả.

1.1.2 Mô hình vi cảm biến lực

Lực là đại lượng đo tác dụng cơ học giữa các vật thể với nhau Nguyên tắc đo lực

là làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và moment tổngcủa chúng bằng không [1]

Vi cảm biến lực là thiết bị dùng để chuyển đổi lực cần đo thành đại lượng điện cóthể xử lý được (điện áp ra)

Mô hình vi cảm biến lực được trình bày ở hình (1.2) mô tả đầu vào là lực F cần đo, đầu ra V = f (F ) là điện thế ra cần đo Lực F =

nPi=0

Fi là lực tổng hợp từ các lực tácdụng

Hình 1.2: Mô hình vi cảm biến lực

1.1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều

Trong không gian 3 chiều với hệ trục tọa độ Đề các Oxyz, phân tích lực F thànhtổng các lực thành phần:

Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều được trình bày ở hình (1.3) mô tả đầu vào Fx, Fy, Fz

là 3 lực cần đo , các điện thế ra cần đo lần lượt là Vx = f (Fx), Vy = f (Fy), Vx = f (Fz)

Hình 1.3: Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều

Trong các vi cảm biến đo lực thường có một vật trung gian chịu tác động của lựccần đo và biến dạng Biến dạng của vật trung gian là nguyên nhân gây ra lực đối kháng

và trong giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng

Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể đo trực tiếp bằng các cảm biến biến dạng,hoặc đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo trung gian phụthuộc vào biến dạng

can-tilever

Thanh dầm cantilever là thanh dầm có một đầu làm đầu ngàm gắn cố định, đầu kia

tự do Vi cảm biến lực dạng thanh dầm cantilever thường được dùng trong các ứng dụng

vi mô để đo lực [1] Phần này tìm hiểu dạng cấu trúc thanh dầm cantilever và phân tíchứng suất trên thanh dầm chữ I

1.2.1 Thanh dầm cantilever chữ I

Thanh dầm cantilever hình chữ I được trình bày ở hình (1.4) là hình khối chữ nhậtđồng nhất, chiều dài l, chiều rộng w, chiều cao t Một đầu của thanh dầm là đầu ngàm,đầu kia tự do Lực F tác dụng lên đầu tự do của thanh dầm

Hình 1.4: Thanh dầm cantilever chữ I

Ứng suất trên thanh dầm cantilever chữ I

Xét lực F tác dụng theo phương dọc vào đầu tự do của thanh dầm cantilever hìnhchữ I Lực F làm thanh dầm bị uốn cong theo chiều dọc làm xuất hiện sức căng dọc vàsức căng trượt Trong các vi cảm biến lực dạng thanh dầm, độ lệch của thanh dầm nhỏhơn nhiều so với chiều dài thanh dầm nên có thể bỏ qua sức căng trượt

Sự phân bố của ứng suất theo chiều dọc được mô tả định tính ở hình (1.5) Dướitác dụng của lực F, sự phân bố mô-men dọc theo chiều dài của thanh dầm là không đồngđều: bằng không ở đầu tự do và đạt giá trị cực đại ở đầu cố định Tại bất kỳ mặt cắtngang nào của thanh dầm (phần mặt phẳng gạch chéo), ứng suất dọc đều thay đổi Độlớn của ứng suất tại bất kỳ điểm nào trên mặt cắt ngang đều tỷ lệ tuyến tính với khoảngcách đến trục chính

Trên mỗi mặt cắt ngang, độ lớn cực đại của ứng suất biến thiên tuyến tính vớikhoảng cách đến đầu tự do và đạt giá trị cực đại tại bề mặt phía trên hoặc phía dưới.Với L là chiều dài của thanh dầm; trục x bắt đầu từ đầu tự do đến đầu cố định;σ(x, h) là ứng suất thường tại bất kỳ tiết diện ngang (tại x) nào và có khoảng cách đếntrục chính bằng h Mô-men tổng cộng tương ứng với tiết diện ngang là tích của vùng lựctác dụng tại tiết diện ngang dA:

M =ZA

h dF (x, h) =

ZA

Trên toàn bộ thanh dầm, sức căng cực đại xảy ra ở đầu cố định, khi x = L Trênthực tế, trong thiết kế, chỉ quan tâm đến sức căng cực đại hay ứng suất cực đại ở đầu cố

Hình 1.5: Phân bố ứng suất trên thanh dầm

định Sức căng cực đại được thể hiện như một hàm của mô-men tổng cộng:

1.2.2 Thanh dầm cantilever chữ L

Thanh dầm cantilever hình chữ L được trình bày ở hình (1.6) có các kích thước như

mô tả Một đầu của thanh dầm là đầu ngàm, đầu kia tự do Lực F tác dụng lên đầu tự

do của thanh dầm

Hình 1.6: Thanh dầm cantilever chữ L

chiều

Việc xây dựng các tiêu chí cho việc thiết kế cảm biến đa chiều được xem xét trên

cơ sở đường cong chuẩn cảm biến, phương pháp chuẩn cảm biến và các yếu tố đặc trưngcủa cảm biến: độ nhạy, độ tuyến tính, sai số và độ chính xác [1]

1.3.1 Đường cong chuẩn cảm biến

Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượngđiện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào Dựa vào đườngcong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giátrị đo được si của s Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng

Hình 1.7: Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

1.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đođược của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tốảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặcbiểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m,

đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn

Chuẩn đơn giản

Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lênmột đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đạilượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản Thực chất của chuẩn đơngiản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đạilượng đo ở đầu vào Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách:

− Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặccác phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao

− Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵnđường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc Khi tác động lênhai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứngcủa cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn Lặp lại tương tự với các giá trị kháccủa đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cầnchuẩn

Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụthuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộcvào giá trị trước đó của của đại lượng này Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụngphương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:

− Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tươngứng với điểm gốc, m = 0 và s = 0

− Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng

đo ở đầu vào

− Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại Khi chuẩn nhiềulần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảmdần

= δxδm

m=m 0

Độ nhạy của cảm biến lực 3 chiều là:

Ni = δVi

Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho

độ nhạy N của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

− Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó

− Thời gian sử dụng

− Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môitrường xung quanh

1.3.4 Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế

độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảmbiến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh củacảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trongvùng này

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gổm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế

độ tĩnh N (0) vào đại lượng đo, đổng thời các thông số quyết định sự hổi đáp (như tần sốriêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần) cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnhsao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào

Sự hiệu chỉnh đó được goi là sự tuyến tính hoá

1.3.5 Sai số và độ chính xác

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảmnhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đođược và giá trị thực của đại lượng cần đo

Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai

số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

δ = ∆x

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giátrị thực của đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phânchúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặcthay đổi châm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực vàgiá trị đo được Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sửdụng không tốt gây ra Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:

− Do nguyên lý của cảm biến

− Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.

− Do đặc tính của bộ cảm biến

− Do điều kiện và chế độ sử dụng

− Do xử lý kết quả đo

Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định Ta có thể

dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoánđược độ lớn và dấu của nó Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:

− Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

− Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

− Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến

Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệmthích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện

áp nguổn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vân hành đúng chế độ hoặc thực hiệnphép đo lường thống kê

Để thực hiện mục tiêu thiết kế một vi cảm biến lực đa chiều áp trở, chương 1 đãphân tích và tìm hiểu về mô hình và cấu trúc của vi cảm biến lực đa chiều Cấu trúcthanh dầm cantilever chữ L được dùng cho mô hình vi cảm biến lực đa chiều áp trở.Phân tích ứng suất trên thanh dầm dẫn đến kết quả là ứng suất trên thanh dầmthay đổi tùy thuộc phương, chiều và độ lớn của lực tác dụng Nghiên cứu lý thuyết và

mô phỏng ứng suất trên thanh dầm để xác định được vị trí cấy các áp điện trở và dùng

để tính toán mối liên quan giữa lực và điện áp ra trong mô hình vi cảm biến

Ngoài ra chương 1 đã thực hiện việc tìm hiểu các tiêu chí thiết kế cho cảm biến vàcác tiêu chí liên quan như nhiễu, độ nhạy

CHƯƠNG 2: VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ

Chương 2 tìm hiểu về vi cảm biến lực áp trở Phần 2.1 trình bày việc phân loại cảmbiến lực và các ưu khuyết điểm của các loại cảm biến lực Phần 2.2 trình bày đặc tínhcủa vi cảm biến lực áp trở Phần 2.3 trình bày về mạch đo và phần 2.4 trình bày về nhiễutrong vi cảm biến lực áp trở

Vi cảm biến lực có nhiều kiểu khác nhau dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhauđược sử dụng trong vi cảm biến

2.1.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ

Vi cảm biến lực kiểu tụ có nguyên lý hoạt động đơn giản Điện dung của tụ đượcthay đổi bằng cách tác động lên một trong các thông số làm thay đổi điện trường giữahai vật dẫn tạo thành hai bản cực của tụ Một trong hai bản tụ được nối cơ học với vậttrung gian chịu tác động của lực cần đo Nếu vật trung gian là màng mỏng thì điện dungcủa tụ sẽ thay đổi theo sự dịch chuyển của tâm màng khi nó bị lực tác dụng

Hình 2.1 trình bày một vi cảm biến lực kiểu tụ [2] Cảm biến này có hai bậc tự do(two degrees of freedom -2DOF ) và cách điện bằng silic (silicon on insulator - SOI) Vicảm biến có khả năng đo lực theo trục từ 490N với độ phân giải 0.01N đến 900N với độphân giải 0.24N

Ưu điểm của phương pháp kiểu tụ: khả năng chịu đựng ăn mòn cao, độ ổn định vàhiệu năng cao Hạn chế lớn nhất của vi cảm biến lực kiểu tụ là độ phân giải thấp Cấutrúc tụ đòi hỏi phải ngăn cách hoàn toàn hai bản cực nên phải dùng nhiều SOI wafer.Thêm vào đó là quá trình chế tạo phức tạp bao gồm các mạch điện Vi cảm biến lực kiểu

tụ được sử dụng nhiều trong các gia tốc kế và các cảm biến trong môi trường khắc nghiệt

2.1.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện

Vi cảm biến lực kiểu áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện để chuyển đổi áplực thành tín hiệu điện

Hình 2.1: Vi cảm biến lực kiểu tụHiện tượng áp điện là hiện tượng phân cực điện và thay đổi phân cực điện trongmột số chất điện môi khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng của lực theo một chiều nhấtđịnh Nếu chế tạo tụ điện bằng cách phủ 2 bản cực lên 2 bản đối diện của 1 phiến áp điệnmỏng và tác dụng 1 lực lên 2 bản cực thì trên 2 bản cực đó xuất hiện một điện tích tráidấu Hiệu điện thế của hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng [1].

Hiệu ứng áp điện là một hiệu ứng thuận nghịch Dưới tác dụng của điện trường theochiều thích hợp thì vật liệu bị biến dạng Đặc biệt đối với vật liệu áp điện có thể kíchthích đến trạng thái cộng hưởng rất cao

Hình 2.2 trình bày một vi cảm biến lực kiểu áp điện [12] Vi cảm biến gồm haithanh PVDF (polyvinylidene fluoride) gắn vuông góc với nhau Cấu trúc này đối xứngtheo chiều dọc và chiều ngang, độ phân giải và độ nhạy của vi cảm biến trong khoảng

µN

Tuy nhiên, hai thanh này vuông góc với nhau làm vi cảm biến có kích thước lớn Vìvậy, vi cảm biến khó chế tạo ở kích thước nhỏ và không tích hợp được với các IC Phươngpháp áp điện cũng đòi hỏi mạch điện phức tạp để xử lý tín hiệu

2.1.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở

Vi cảm biến lực kiểu áp trở hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện trở

Hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu tinh thể dưới tác dụng của ứng suất cơ

Hình 2.2: Vi cảm biến lực kiểu áp điện

được gọi là hiệu ứng áp điện trở [8] Nguyên nhân đó là do đặc tính dị hướng của độ phângiải mức năng lượng trong không gian tinh thể Người ta ứng dụng vật liệu biến dạng cơ

là màng mỏng hay cấu trúc thanh dầm Lúc này phần tử áp điện trở được cấy trên vậtbiến dạng cơ và mạch điện xử lý bên ngoài được thiết kế một cách thích ứng

Hình 2.3 trình bày một vi cảm biến lực kiểu áp trở [9] Vi kẹp có gắn vi cảm biếnnày có thể sử dụng trong các hệ thống vi lắp ráp và vi robot tự động Ngoài ra, nó có thể

sử dụng được trong các hệ thống gắp các tế bào sống, mổ nội soi

Hình 2.3: Vi cảm biến lực kiểu áp trở

Ưu điểm của phương pháp kiểu áp trở là vi cảm biến có thời gian sử dụng dài, giáthành sản xuất thấp, tuy nhiên phương pháp này có độ chính xác chưa cao vì bị ảnhhưởng của nhiệt độ môi trường.

2.1.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang

Vi cảm biến lực kiểu laser quang được miêu tả ở hình (2.4) thường được dùng trongcác kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy - AFM) và các thiết bị đo có

độ phân giải cao

AFM là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyêntắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu, cóthể quan sát ở độ phân giải nanômét, được sáng chế bởi Gerd Binnig, Calvin Quate vàChristoph Gerber vào năm 1986

Hình 2.4: Vi cảm biến lực kiểu laser quang

Bộ phận chính của AFM là một mũi nhọn được gắn trên một thanh rung (cantilever).Mũi nhọn thường được làm bằng Si hoặc SiN và kích thước của đầu mũi nhọn là mộtnguyên tử Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vật, sẽ xuất hiện lực Van der Waals giữacác nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn (lực nguyên tử) làm rungthanh cantilever Lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt củamẫu Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ một tia laser chiếu qua

bề mặt của thanh rung, dao động của thanh rung làm thay đổi góc lệch của tia lase và

được detector ghi lại Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung quét trên bềmặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật.

Ưu điểm của phương pháp laser quang là đo được các độ lệch vị trí rất nhỏ nhưngcần sự chính xác cao khi canh lề và khi điều chỉnh Hơn nữa, tia laser cần đủ lớn vì thếkhó chế tạo vi cảm biến ở kích thước µm

Vi cảm biến lực áp trở sử dụng silic đơn tinh thể làm vật liệu chế tạo, do đó cầntìm hiểu đặc tính cơ học của silic đơn tinh thể Ngoài ra, cần tìm hiểu một đặc tính quantrọng khác của silic là hiệu ứng áp điện trở

2.2.1 Đặc tính cơ học của Silic đơn tinh thể

Đặc tính cơ học tiêu biểu của Silic là tính giòn cao, và còn có một số đặc tính hữuích khác nên Silic thường được sử dụng làm vật liệu chế tạo cảm biến cơ

Bảng (2.1) [3] trình bày thông số cơ học của Silic so với các vật liệu khác Trongbảng này, hệ số Young của Silic gần bằng thép không gỉ nhưng mật độ khối lại nhỏ hơn 3lần Silic cũng có độ cứng gấp hai lần sắt và thủy tinh thông thường Hơn nữa, khả năngcăng giãn của Silic khá lớn nên phù hợp để xây dựng khối đơn tinh thể [2]

Bảng 2.1: Thông số cơ học của một số vật liệuMass density Yield strength K hardness Young’s Mod Thermal Ex.(103 kg.m−3) (GPa) (109kg/m2) (GPa) (10−6/oC)

Chương tìm hiểu vi cảm biến lực áp trở Phần 2.1 trình bày vi? ??c phân loại cảmbiến lực ưu khuyết điểm loại cảm biến lực Phần 2.2 trình bày đặc tínhcủa vi cảm biến lực áp trở. .. nhiễutrong vi cảm biến lực áp trở

Vi cảm biến lực có nhiều kiểu khác dựa hiệu ứng vật lý khác nhauđược sử dụng vi cảm biến

2.1.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ

Vi cảm biến lực. .. nhiều gia tốc kế cảm biến môi trường khắc nghiệt

2.1.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện

Vi cảm biến lực kiểu áp điện hoạt động dựa hiệu ứng áp điện để chuyển đổi áplực thành tín