Thiết kế và thử nghiệm một số hệ thống đo lường chuyên dụng trên cơ sở cảm biến áp suất MEMS

Hình dạng của capxun bị biến đổi theo sự biến thiên cửa áp suất đặt vào và sự biển dạng này thường được khuếch đại cơ học bởi một chuỗi các đòn bẩy lever hoặc bánh răng.. Đáp ứng động c

Ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin liên lạc

L ờ i c a m đ o a n ii

L ờ i c ả m om iii

M ụ c l ụ c iv

D a n h m ụ c c á c t ừ v i ế t t ắ t v ii D a n h m ụ c c á c b ả n g ix

D a n h m ụ c c á c h ì n h v ẽ X M ở đ ầ u 1

C h ư ơ n g 1 : Á p s u ấ t v à đ o á p s u ấ t 3

1.1 C ơ s ở v ậ t lý c ủ a c ả m b iế n á p s u ấ t 3

1 1 í Á p s u ấ t t ĩ n h 3

1 1 2 Á p s u ấ t c h ấ t lỏ n g đ ộ n g 6

1 1 3 C á c lo ạ i p h é p đ o á p s u ấ t 8

1 1 4 C á c đ ơ n v ị đ o á p s u ấ t 9

1 1 5 S ự c ả m n h ậ n b iế n á p s u ấ t 9

1 1 6 C á c h iệ u ứ n g c ủ a c ả m b i ế n 12

1 2 C á c lo ạ i c ả m b iế n á p s u ấ t 15

1.2.1 C ả m b iế n á p s u ấ t b iế n t r ở 15

1 2 2 C ả m b iế n á p s u ấ t đ iệ n c ả m 15

1 2 3 C ả m b iế n á p s u ấ t đ iệ n d u n g 16

1 2 4 C ả m b iế n á p s u ấ t á p đ i ệ n 17

1 2 5 C ả m b iế n á p s u ấ t đ o s ứ c c ă n g 18

1 2 6 B á n d ẫ n t íc h h ợ p á p t r ở 2 0 1.3 M ộ t s ố v ấ n đ ề liê n q u a n 2 2 1.3.1 G i a o d iệ n đ i ệ n 2 2 T ran g T ra n g ph ụ b ìa i

1 3 2 C h ọ n lự a c ả m b i ế n , 2 3

C h ư ơ n g 2 : C ả m b iế n á p s u ấ t c ô n g n g h ệ M E M S 2 4

2 1 T ổ n g q u a n v ề c ô n g n g h ệ M E M S 2 4

2 1 1 M E M S l à g ì ? 2 4

2.1.2 C á c ứng dụng c ủ a MEMS 27

2 1 3 C á c c ô n g n g h ệ c h ể t ạ o 2 7 2 1 3 1 S i li c 2 7 2 1 3 2 C h ấ t d ẻ o ( P o ly m e r ) 31

2 1 3 3 K im l o ạ i 31

2 2 C ả m b i ế n á p s u ấ t c ô n g n g h ệ M E M S 31

2.2.1 M à n g m ỏ n g v i c ơ S i 32

2 2 2 C â m b iế n á p s u ấ t á p ừ ở M E M S 3 3 C h ư ơ n g 3 : T h ử n g h iệ m m ộ t s ổ ứ n g d ụ n g c ả m b iể n á p s u ấ t MEMS 3 6 3 1 V i d iề u k h i ể n A V R 3 7 3 1 1 G i ớ i t h i ệ u 3 7 3 1 2 N h â n C P U A V R 3 9 3 1 3 V i đ iề u k h iể n A T M e g a 8 5 3 5 41

3 2 T h ử n g h iệ m m ộ t số ứ n g d ụ n g c ủ a c ả m b i ế n M E M S ữ o n g đ o l ư ờ n g 46

3 2 1 ứ n g d ụ n g c ả m b iế n M P X 5 7 0 0 x á c đ ị n h đ ộ c h ịu lự c c ủ a b ê 4 6 t ô n g

3 2 1 1 Đ ặ t v ấ n đ ề 4 6 3 2 1 2 T h i ể t k ế h ệ t h ố n g 52

3 2 1 2 1 L ự a c h ọ n c ả m b i ế n 53

3 2 1 2 2 G ia o d iệ n g iữ a c ả m b iế n á p s u ấ t v ớ i v i đ iề u k h iể n 5 6 3 2 1 2 3 G ia o d iệ n v i đ iề u k h i ể n 6 0 3 2 1 2 4 H iể n th ị L E D 61

D A N H M Ụ C C Á C B Ả N G

T r a n g

B ả n g 1 -1 : B ả n g c h u y ể n đ ổ i g iữ a c á c đ ơ n v ị á p s u ấ t t h ư ờ n g đ ù n g 9

B ả n g 3 -1 : C h ứ c n ă n g c á c c h â n 55

B ả n g 3 -2 : C á c g iá trị đ ịn h m ứ c c ự c đ ạ i 55

B ả n g 3 - 3 : C á c đ ặ c tr ư n g h o ạ t đ ộ n g 55

B ả n g 3 - 4 : C h u y ể n đ ổ i á p s u ấ t th à n h đ ộ c a o 71

B à n g 3 - 5 : C h ử c n ă n g c á c c h â n 75

B ả n g 3 -6 : C á c g i á trị đ ịn h m ứ c c ự c đ ạ i 7 6

B ả n g 3 -7 : C á c đ ặ c tr ư n g h o ạ t đ ộ n g 7 6

b i ế n b ê n t a y p h ả i ^

H ì n h 2 -4 : C ả m b i ế n á p s u ấ t đ iệ n d u n g th e o c ô n g n g h ệ v i c ơ b ề m ặ t 2 9 H ì n h 2 - 5 : Q u y tr ìn h v i c ơ k h ố i 31

H ì n h 2 - 6 : M ặ t c ắ t n g a n g c ủ a m à n g s i l i c 3 2 H ì n h 2 - 7 : S ơ đ ồ m in h h o ạ m ộ t c ả m b iế n á p s u ấ t v ớ i c á c p h ầ n t ử á p t r ở k h u ế c h t á n ^

H ìn h 2 -8 : B ố n p h ầ n t ử ả p tr ở tạ o th à n h m ộ t c ấ u h ỉn h c ầ u W h e a ts to n e 35

H ì n h 3 - 1 : S ơ đ ồ k h ố i k iế n tr ú c v i đ iề u k h iể n A V R 39

H ì n h 3 -2 : S ơ đ ồ c h â n c ủ a A T M e g a 8 5 3 5 4 2 H ì n h 3 - 3 : S ơ đ ồ k h ố i c ủ a A T M e g a 8 5 3 5 43

H ì n h 3 - 4 : M ạ c h lố i v à o tư ơ n g t ự , 46

H ì n h 3 - 5 : M á y n é n b ê tô n g 1 0 0 T 4 8 H ìn h 3 -6 : M ộ t lo ạ i á p k ế đ ư ợ c s ử đ ụ n g đ ể đ o đ ộ c h ịu lự c c ủ a v ậ t liệ u 4g H ỉn h 3 -7 : M á y n é n b ê tô n g T o n iP A C T III c ù n g v ớ i h ệ t h ố n g đ iề u k h iể n 5 0 H ìn h 3 -8 : M á y k iể m t r a s ứ c n é n c ủ a b ê tô n g l o ạ t C C H 5 0 H ì n h 3 -9 : M á y n é n th u ỷ lự c d ù n g t r o n g k i ể m f r a s ứ c n é n c ủ a b ê tô n g : a ) lo ạ i c h ỉ th ị k i m t r u y ề n t h ố n g ; b ) lo ạ i h iệ n t h ị s ố , g h é p n ố i m á y t í n h 51

H ì n h 3 - 1 0 : S ơ đ ồ k h ố i c h ứ c n ă n g c ủ a h ệ đ o 5 2 H ì n h 3 - 1 1 : S ơ đ ồ c ả m b i ể n M P X 5 7 0 0 54

H ì n h 3 - 1 2 : C á c lo ạ i c ả m b iế n ả p s u ấ t h ọ M P X 5 7 0 0 54

H ìn h 3 - 1 3 : N h i ễ u ư ê n tín h iệ u lối r a c ủ a c ả m b i ế n tíc h h ợ p 57

H ì n h 3 - 1 4 : M ạ c h lọ c t h ô n g th ấ p R C lố i r a v à k h ử g h é p n g u ồ n n u ô i 58

H ì n h 3 - 1 5 : S ử d ụ n g m ộ t b ộ đ ệ m R a i l - t o - R a i l đ ế g iả m t r ở k h á n g lố i r a c ủ a m ạ c h lọ c R C 3 ừ H ì n h 3 -1 6 : S ơ đ ồ m ạ c h v i đ iề u k h i ể n 6 0 H ìn h 3 - 1 7 : S ơ đ ồ m ạ c h L E D h iể n t h ị 6 ]

H ì n h 3 - 1 9 : B ả n m ạ c h in c ủ a h ệ đ o 6 4

H ì n h 3 -2 0 : G i a o d i ệ n h i ệ n th ị k ế t q u ả đo b à n g m á y t í n h 65

H ì n h 3 -2 1 : M ộ t t h i ế t b ị đ o đ ộ c a o s ử d ụ n g t r o n g m á y b a y 6 8 H ỉ n h 3 - 2 2 : C á c th iế t b ị đ o đ ộ c a o b ẳ n g r a d a r d ù n g tr o n g m á y b a y 69

H ì n h 3 - 2 3 : C á c t h iế t b ị đ o đ ộ c a o c ầ m t a y 6 9 H ì n h 3 - 2 4 : M ộ i t h iế t b ị đ o đ ộ c a o k h á c 7 0 H ì n h 3 - 2 5 : Á p s u ấ t k h í q u y ể n n h ư m ộ t h à m c ủ a đ ộ c a o 7 2 H ì n h 3 - 2 6 : S ơ đ ồ k h ổ i c ủ a h ệ đ o 73

H ỉ n h 3 - 2 7 : H ệ đ o s a u k h i lắ p r á p 74

H ì n h 3 -2 8 : C ả m b iế n M P X A 6 1 1 5 A 6 U 75

H ì n h 3 - 2 9 : S ơ đ ồ k h ố i c ủ a c ả m b iế n M P X A 6 1 1 5 A 75

H ìn h 3 - 3 0 : M ô đ u n th u p h á t R F 9 X t e n d 7 8 H ìn h 3 -3 1 : L ư u đ ồ th u ậ t t o á n 79

H ỉ n h 3 -3 2 : K ế t q u ả đ o h iể n th ị trê n m à n h ìn h L C D 81

H ìn h 3 - 3 3 : V i m ạ c h P S o C CY 8C 2X X X 83

H ì n h 3 - 3 4 : S ơ đ ồ k h ố i h ệ th ố n g t ư ơ n g t ự c ó t h ể đ ư ợ c k ế t n ổ i v ớ i n h a u 8 4 t h ô n g q u a c á c b u s t r o n g P S o C

H ìn h 3 - 3 5 : S ơ đ ồ k h ổ i h ệ th ố n g s ố c ó th ể đ ư ợ c k ế t n ố i v ớ i n h a u th ô n g 85 q u a c á c b u s tr o n g P S o C

H ìn h 3 -3 6 : C ả m b iế n á p s u ấ t M S 5 5 3 5 A 8 6 H ìn h 3 -3 7 : M ộ t s ố v í d ụ v ề c á c th iế t b ị c ầ m ta y t h ô n g b á o k ế t q u ả b à n g g iọ n g n ó i

H ỉ n h 3 - 3 8 : S ơ đ ồ k h ố i c ủ a m ô đ u n R P M 88

H ìn h 3 -3 9 : H ệ t h ố n g đ o n h iệ t đ ộ , đ ộ ẩ m v à ả p s u ấ t k h í q u y ể n 9 0

H ì n h 3 - 4 0 : S ự k ế t n ố i c ủ a L M 3 5 tớ i h ệ t h ố n g 9 2

H ìn h 3 -4 1 : C ả m b iế n đ ộ ẩ m t ư ơ n g đ ố i H M 1 5 0 0 9 3

H ỉn h 3 -4 2 : B ả n m ạ c h c ủ a h ệ đ o 9 4

H ìn h 3-18: L ư u đồ th u ậ t toán tìm g iá trị cự c đ ạ i 6 3

H ìn h 1-1: Áp suất ở một điểm bất kỷ cho trước trong chất lỏng ừong một bình

chúa được quyết định bửi ừọng lượng của chất lỏng và khoảng cách từ điểm đó tớ i bể mặt.

H ìn h 1-3: Á p suất của một chất lỏng được chứa trong bình chứa được quan sát

kh i đục một lỗ nhỏ trên thành của bình chứa.

Hình 1-4: Minh hoạ định luật Pascal.

1.1.2 Áp suất chất lỏng động

Áp suất trong một chất iỏng chuyển động có hướng song song với hướng chuyển động được gọi là áp suất tác động (impact pressure), Pi Nguyên nhân là do động năng của chất lỏng:

Hình 1-5: Một cơ cấu ống Pitot có thể được sử đụng để đo vận tốc di chuyển cùa chất lỏng.

đầy không gian bình chứa chúng Áp suất không khí biển thiên theo độ cao chỉ ra trong hình 1-6 là ví đụ về hiệu ứng nén được của chất khí.

Hình 1-6: Tính chất có thể nén được của chất khí được minh hoạ thông qua mối liên hệ

phi tuyến giữa áp suất khí quyển và độ cao.

hoặc cân bàng, trong khi phần lớn các ứng dụng trong đời sổng hàng ngày lại liên quan đến áp suất thay đổi hay động Ví dụ, việc đo huyết áp (áp suất máu) thường cho 2 giá trị ừạng thái ồn định là áp suất tâm thu và áp suất tâm thất.

Để đo các áp suất thay đổi, ta càn quan tâm đến đáp ứng tần sổ của cảm biến Một cách gần đúng, đáp ứng tần số nên lớn gấp 5-10 lần thành phần tần sổ cao nhất trong tín hiệu áp suất Đáp úng tần số đuợc định nghĩa là tần sổ cao nhất mà cảm biển sẽ đo mà không có méo hoặc sự suy giảm Đôi khi thời gian đáp ứng được sử dụng thay thế Trong gần đúng bậc nhất, chúng được liên hệ như sau:

1.1.3 Các loại phép đo áp suất

Áp suất có thể được đo trong mối liên hệ với áp suất chân không, áp suất khí quyển hoặc với một áp suất khác.

Áp suất tuyệt đổi: được đo so với áp suất chân không lý tưởng Một ví dụ là đo

áp suất khí quyển.

Áp suất vi sai đo sự sai khác về áp suất giữa 2 điểm của phép đo Thiết kế của các cảm biến đo áp suất vi sai thường phức tạp hom vì đòi hỏi hai áp suất phải được áp đồng thời lên cấu trúc cơ khí Các đặc tính kỹ thuật của các thiết bị này cũng đòi hỏi cao hơn vì nỏ phải tách các áp suất vi sai nhỏ trên nền một áp suất tĩnh lớn.

Ấp suất Gauge được đo tương đối với áp suất môi trường, do đó một phần của áp suất phải được làm thông tới áp suất môi trường Đo huyết áp là một ví dụ của kiểu đo này.

H ỉnh 1-7: Cùng một cảm biến có thể được sử dụng cho 3 loại phép đo áp suất chỉ

khác nhau ở áp suất tham chiếu.

Ba loại đo áp suất được chỉ ra trong hình 1-7 Các cảm biến có thể được sử dụng cho tất cả 3 loại; sự khác biệt chỉ ở áp suất tham chiếu được dùng Áp suất vi sai có

1.1.4 Các đơn vị đo áp suất

Như đã đề cập ở trên, áp suất là lực tác dụng ứên một đom vị diện tích và theo hệ

SI đơn vị của áp suất là N/m2 hoặc Pascal (Pa) Ngoài ra cũng còn có nhiều loại đơn

vị khác nhau được sử đụng phụ thuộc vào sự phù hợp của chúng đối với từng ứng dụng Ví dụ, huyết áp thường được đo bằng mmHg bởi vì các áp kế thuỷ ngân đuợc

sử dụng Áp suất khí quyển thường được biểu điễn theo inHg với lý đo tương tự Các đơn vị khác được sử đụng cho áp suất khí quyển là bar và atm Các hệ số chuyển đổi sau được sử dụng khi cần chuyển đổi giữa các đơn vị:

Bảng 1-1: Bảng chuyển đổi giữa các đơn vị áp suất thường dùng.

đồ khối của một quy trình như vậy được chỉ ra ứong hình 1-8 Áp suất được cảm nhận bởi các phần tử cơ chẳng hạn như các đĩa, màng và các ống Đây là những

-10-ccr chế cơ bản được sử dụng để chuyển đổi áp suất thành sự di chuyển vật lý Sau

đó, sự chuyển động này càn được biến đổi năng lượng để nhận được tín hiệu điện hoặc một dạng tín hiệu khác Cuổi cùng, có thể còn phải định dạng (conditioning) lại tín hiệu, phụ thuộc vào loại cảm bién và ứng dụng.

H ình 1-8: Sơ đồ khối chức năng của một cảm biến áp suất.

Các loại phần tử cảm biến phổ biến là các ống Bourdon, các màng, các nồi capxun và ống xếp (xem hĩnh 1-9).

Ông Bourdon: Ống Bourdon là một ống được bịt kín ở m ộ t đầu và đàu còn lại được nối tới áp suất cần đo và thường có dạng chữ c hình (A) hoặc xoăn ổc hình (B) Ống này có mặt cắt ngang hình elip và khi áp suất được đặt vào mặt cắt này trở nên tròn hơn làm cho ống thẳng ra cho đến khi lực áp suất chất lưu được cân bằng bởi trở kháng đàn hồi cửa vật liệu làm ổng Các dải

áp suất đo khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau.

Nồi capxun : Các nồi capxun thường được sử dụng ứong các máy đo khí áp hộp (aneroid Barometer) Mỗi máy đo khí áp này thường gồm một nồi capxun kim loại linh động ở cả mặt trước và mặt sau hình (E) Hình dạng của capxun

bị biến đổi theo sự biến thiên cửa áp suất đặt vào và sự biển dạng này thường được khuếch đại cơ học bởi một chuỗi các đòn bẩy (lever) hoặc bánh răng Capxun áp suất có thể được chế tạo dưới dạng một tập hợp cảc ống xếp hỉnh (F) để đạt được độ biến dạng lớn hơn Đáp ứng động của các thiết bị loại này kém hơn do khối lượng của mỗi phần tử cảm biến và chúng thường không phù hợp với các ứng dụng đo áp suất động.

M à n g : Các màng là cấu trúc cơ đom giản nhất phù hợp cho sử đụng như một phần tử cảm biến Chúng đưọc sử dụng làm phần tử cảm biến trong cả các cảm biến áp suất công nghệ MEMS và truyền thống Trong trường hợp MEMS do bản chất planar của nhiều quy trình chế tạo đã được thiết lập, màng là dạng chính của phần tử cảm biến Phần này đầu tiên sẽ xem xét lại

lý thuyết cơ bản về màng trước khi phân tích chi tiết các khía cạnh thực tế liên quan tới các cảm biến MEMS trong phần sau Các màng thép nguyên chất thường đựơc hợp nhất trong một vỏ để cách ly cảm biến khỏi môi trường Cách cư xử của các màng thép nguyên chất sẽ ảnh hưởng lên hiệu suất của cảm biến và phải xem xẻt khi thiết kế thiết bị.

Áp suất được đặt vào một (hoặc cả hai) mặt cùa màng sỗ làm nổ bị uốn cong cho đến khi lực đàn hồi cân bằng với áp suất Dải áp suất đo của một màng cho trước phụ thuộc các kích thước của nỏ (diện tích bề mặt và độ dầy), dạng hình học, các điều kiện biên, và vật liệu chế tạo Các cảm biến áp suất màng kim loại truyền thống được làm từ một dải các vật liệu như thép nguyên chất 31ỐL, 304, 17-4PH, PH 15-7 Mo, titan, hợp kim niken Đối với các cảm biến truyền thống, màng là phần tử cảm biển đơn giản nhất khi sản xuất Chúng nhậy cảm ít nhất đối với các dao động, cung cấp đáp ứng động tốt nhất và có khả năng tương thích vởi các dạng bảo vệ quá tải đơn giản Tuy nhiên, độ uốn cong liên kết vói các màng nhỏ hơn nhiều so với chẳng hạn ống Bourdon.

M á y đ o á p s u ấ t c ơ h ọ c : Trong phép đo áp suất Gơ học, sự di chuyển được tạo ra bởi phần tử cảm biến được đọc một cảch trực tiếp bởi một đồng hồ đĩa hoặc một kim chi Những thiết bị này thường gặp ữong các ứng dụng có chỉ tiêu chất lượng thấp chẳng hạn như đo huyét áp Phương pháp cơ học được sử dụng để ghép phần

tử cảm biến với chỉ thị kết quả lối ra có thể đưa vào các lỗi có tính chất lặp lại Khối lượng cơ học của máy đo cũng giới hạn đáp ứng tần số và lảm cho các cảm biến này chỉ phù hợp với các phép đo thay đồi chậm.

1 2

-BQnh 1-9: Các phần tử cảm biến áp suất cơ bản có thế được cấu hình như một ổng

Bourđon dạng chữ c (A); một ống dạng xoắn ổc Bourdon (B); màng m ỏng phẳng (C); màng mỏng dạng xoắn (D); nồi capxun (E); hoặc một tập các ống xếp (F).

Các cảm biển áp suất cơ điện tử: Các cảm biến áp suất cơ điện tử chuyển đổi áp suất được đặt vào thành tín hiệu điện Một lớp rộng các vật liệu và công nghệ đã được sử dụng trong các thiết bị này Tín hiệu điện lối ra cũng cung cấp một loạt các lựa chọn cho những ứng dụng khác nhau.

ỉ 1.6 Các hiệu ứng của cảm biến

Một cảm biến áp suất có thể được mô hình hoá như sau:

trong đó:

• k o : độ dịch offset,

Một cảm biến cũng sẽ thể hiện các hệ số địch oíTset đo nhiệt độ (cũng được gọi

là dịch điểm không) và độ nhạy (xem hình 1-10 và 1-11).

EBnh 1-10: Nhiệt độ có ảnh hưởng tới độ dịch o íĩset của cảm biến áp suất.

Hình 1-11: Độ nhạy cảm cùa cảm biến cũng bị tác động bởi nhiệt độ.

T ín h t u y ể n t ỉn h ám chỉ độ lệch khỏi đường thẳng lý tưởng được miêu tả bởi phương trình (1-13) Một phương pháp để đo độ tuyến tính ỉà sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu, cho ta một đường thẳng phù hợp tốt nhất (xem hình 1-12).

H ình 1-12: Phương pháp bỉnh phương tối thiểu có thể được sử đụng để đo độ

tuyến tính cùa cảm biến áp suất,

T ín h c h ấ t c ó t h ể l ặ p lạ i p h é p đ o n h iề u ỉ ầ n liên quan tới khả năng của cảm biến để tạo cùng một tín hiệu lối ra khi áp liên tiếp cùng một áp suất ở lối vào (xem hình 1-

13).

1 4

-Eũnh 1-13: Minh hoạ tính chất có thể iặp lại phép đo của cảm biến áp suất.

H i ệ n t ư ợ n g t r ễ liên hệ tới khả năng của cảm biến cho ra cùng một giá trị lối ra khi thực hiện tuần tự tăng và sau đó là giảm áp suất đầu vào cùng một lượng (xem hình 1-14).

H i ệ n t ư ợ n g t r ễ n h i ệ t liên hệ tới khả năng của cảm biển cho ra cùng một giá trị lối

ra ờ một nhiệt độ cho trước trước và sau một chu trình nhiệt Hiệu ứng trễ và tính cỏ thể lập lại không dễ để bù và là bộ chỉ thị tính ổn định cơ sở của thiết bị.

H ình 1-14: Hiện tượng trc ỉà khả năng của cảm biến cho ra cùng một kết quả lối ra

ở một nhiệt độ cho trước truớc và sau một chu trình nhiệt.

H ệ S ố G ơ u g e là giá trị đo độ nhạy cảm của cảm biến Nó được định nghĩa như là

tỷ sổ giữa sự thay đổi của tham số truyền dẫn điện qua toàn bộ đải áp suất đo và giá trị của tham số đó ở áp suất 0.

Do đó, hệ số gauge cùa một cảm biến điện trở là:

ừ ong đó:

• R : điện trở cơ sở,

• AR; sự thay đổi trờ kháng theo áp suất toàn thang.

1.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT

1.2.1 Cảm biến áp suất biến trở

Các cảm biến áp suẩt kiểu biến trở sử dụng một ổng Bourđon, capxun, hoặc ống xếp để điều khiển một thanh quét trên một phần tử điện trở Để đạt được một hoạt động tin cậy chổi quét phải tì lên phần tử điện trở này một lực và dẫn đến các lỗi vể trễ nhiệt và khả năng lặp lại phép đo Tuy nhiên, những thiết bị này có giá thành rất thấp và thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hòi chỉ tiêu kỹ thuật thấp Một

ví dụ được chỉ ra trong hình 1-15.

1.2.2 Cảm biến áp suất điện cảm

Một vài cấu hình trên cơ sở điện cảm biến thiên hoặc ghép điện cảm được sử dụng trong cảm biển áp suất Tất cả chúng đều đòi hỏi sự kích thích xoay chiều AC của cuộn đây và nếu một điện áp DC được đòi hỏi ở lối ra, theo sau sẽ là sự giải điều chế và lọc Các loại biển thế vi sai biến thiên tuyén tính LVDT cổ đáp ứng tần

sổ khá thấp do cần phải điều khiển sự chuyển động của lõi biến thể vi sai biến thiên tuyển tính LVDT (xem hình 1-16) LVDT sử dụng lõi chuyển động để làm bién đổi điện cảm ghép giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến áp.

H lnh 1-16: Một cảm biến áp suất loại LVDT, một cấu hỉnh của cốc thiết bị điện cảm,

điều khiển một lõi chuyển động sẽ làm thay đổi điện cảm ghép giữa hai cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến áp.

1.2.3 Các cảm biến áp suất điện dung

Các cảm biến áp suất kiểu điện dung sử dụng một màng mỏng mỏng như một bản cực của tụ điện Áp suất đặt vào làm màng mỏng bị lệch đi (hoặc uốn võng) và

do đổ làm thay đổi điện dung Sự thay đối này cổ thể là tuyến tính hoặc không tuyến tính và thường có giá trị cỡ một vài pF so với điện dung tổng cộng 50-100 pF Sự thay đổi về điện đung có thể được sử dụng để điều khiển tần sổ của bộ dao động hay làm thay đổi sự ghép tín hiệu AC thông qua mạng Phần mạch điện tử dùng cho việc định dạng tín hiệu nên được đặt gần phần tử cảm biến để ngăn chặn các sai số

do điện dung phân tán.

Điện dung của hai bản cực song song được cho bởi:

Hình 1-17: Cảm biển áp suất điện đung bao gồm 2 đĩa phẳng vói chân không ở giữa.

N ế u h ằ n g số đ iệ n m ô i c ủ a v ậ t liệ u g iữ a c á c đ ĩa k h ô n g đ ư ợ c d u y tri k h ô n g đ ổ i, lỗi

có th ể x ả y ra C á c c ả m b iế n á p s u ấ t tu y ệ t đ ố i lo ạ i đ iệ n d u n g v ớ i c h â n k h ô n g g iữ a

c á c đ ĩa là lý tư ở n g th e o p h ư ơ n g d iệ n n ày B ở i v ỉ đ iệ n đ u n g c ủ a c ả m b iế n n à y c h ỉ

-18-đ ư ợ c k im lo ạ i h o á (h a y b ọ c k im lo ạ i) h o ặ c các v ậ t liệu g ố m M ộ t -18-đ iể m q u a n trọ n g

c ầ n n h ớ là: đ ây là m ộ t h iệ u ứ n g đ ộ n g , c u n g c ấ p m ộ t đ iệ n á p lố i ra c h ỉ k h i cỏ s ự th a y

đ ổ i tín h iệ u ở lố i v à o Đ iề u n à y c ó n g h ĩa r à n g c á c c ả m b iế n n à y c h i có th ể s ử d ụ n g

c h o c á c á p s u ấ t b iế n th iê n P h ầ n tử áp đ iệ n c ó lố i ra trở k h á n g c a o v à c ầ n đ ư ợ c b ả o

v ệ b ờ i c á c m ạ c h đ iệ n tử g h é p n ố i đ ể ừ á n h q u á tả i lố i ra M ộ t v à i c ả m b iế n á p s u ấ t

á p đ iệ n c ó m ộ t b ộ k h u ế c h đ ạ i b ê n ữ o n g c u n g c ẩ p m ộ t g ia o d iệ n g h é p n ố i đ iệ n d ễ

H ình 1-19: Cảm biến áp điện chuyển đổi sức căng thành điện thế và ngược lại Các

cảm biến trên cơ sờ công nghệ này được dùng để đo các áp suất biến thiên.

1.2.4 Cảm biến áp suất đo sức căng

C á c c ả m b iế n đ o s ứ c c ă n g đ ầ u tiê n đ â s ử đ ụ n g m ộ t m à n g m ỏ n g b ằ n g k im lo ại liê n k ế t v ớ i m ộ t p h ầ n tử đ o s ứ c c ă n g X e m m ộ t m ả n h v ậ t liệ u k im lo ạ i (x e m h ìn h 1-

2 0 ) v ớ i t r ở k h á n g c h o b ở i:

trong đó:

• P: s u ấ t đ iệ n trở ,

• L, w, T : c h iề u d à i, c h iề u rộ n g v à b ề dày

Hinh 1-20: Các cảm biến đo áp suất kiểu đo lực căng đo sức căng của vật liệu khi

một cảm biển đo sức căng vởi ỉối ra tương đối cao.

H ình 1-22: Quá trình chể tạo IC đưgrc sử đụng để tạo các ốp trở trên bề mặt của một

miểng silic khi sản xuất một cảm biến áp suất ốp trờ tích hợp.

1.2.5 Bán dẫn tích hợp áp trở

Q u á tr ìn h c h ế tạ o IC đ ư ợ c sử d ụ n g đ ể tạ o r a c á c á p tr ở trê n b ề m ặ t c ủ a m iế n g

s ilic ( x e m h ìn h 1-22 ) C ó b ố n áp tr ở ứ o n g d iệ n tíc h m à n g m ỏ n g ư ê n c ả m b ié n H a i

đ iệ n ữ ở b ị ép tớ i b ở i th à n h p h ầ n lự c c ă n g tiế p tu y ế n v à h a i đ iệ n tr ở c ò n lạ i đ ư ợ c é p

tớ i ỉự c c ă n g x u y ê n tâ m k h i m à n g m ỏ n g b ị là m v õ n g x u ố n g

H ình 1-23: Các cảm áp suất bán dẫn tích hợp loại áp trở hợp nhất bốn áp trở trong màng

mỏng Bốn điện trở này được nối thành một mạch cầu bốn phần tử.

ừ o n g đ ó : • Vcc' đ iệ n áp n g u ồ n n u ô i,

• R : đ iệ n tr ở c ơ s ở c ủ a p h ầ n t ử đ iệ n ừ ở áp đ iện

Q u á tr ìn h k h ắ c p h ía s a u c ủ a m iế n g b á n d ẫ n đ ư ợ c sử d ụ n g đ ể tạ o r a m à n g m ỏ n g (x e m h ìn h 1 -2 4) G iá th à n h cù a p h à n từ c ả m b iế n là th ấ p v ỉ m ộ t lư ợ n g lớ n c á c lin h

k iệ n đ ư ợ c là m n g a y trê n m ộ t m iế n g silic P h ầ n b ỏ đ i là k h o ả n g 0,1 in s ơ v u ô n g v ớ i

Hình 1-25: Cảm biến áp suất áp ữ ở có thể được cấu hình để cung cấp việc đọc áp suất

tuyệt đối, vi sai hoặc gauge, phụ thuộc vào điểm tham chiểu Màng mỏng chi ra ữong trường hợp này bị lệch đi dưới áp suất vi sai được đặt vào.

-22-Bởi vì các phần tử cảm biến là rất nhỏ (xem hình 1-26), gói linh kiện có thể có nhiều khung (hay giá đỡ) và một giao diện cổng linh động Cũng như vậy, kích thước nhỏ có nghĩa là nó có một đáp ứng tần số rộng và có thể được sử dụng cho các phép đo áp suất động mà không phải bận tâm đến sai số Sự gia tốc và dao động

cơ học không có hiệu ứng đáng kể.

Hình 1-26: Một cảm biến áp suat silic tích hợp hoàn toàn có kích thước (bao gồm cả

cổng) là: đài 0,52 in, rộng 0,44 in, cao 0,75 in.

1.3 MỘT SỐ VÁN ĐỀ LIÊN QUAN

1.3.Ỉ Giao diện điện

Tín hiệu lối ra từ cảm biến cần được bảo vệ để tránh bị làm sai bởi ồn hoặc các xung nhiễu xoay chiều tần số 50 Hz Nếu tín hiệu phải đi một khoảng cách tới mạch ghép nối, thỉ phải tính đến việc sử dụng các dây xoắn có vỏ bọc bảo vệ Một tụ khử đặt gần cảm biến được nối từ nguồn tởi đất và một tụ dùng để ỉọc nhiễu được nổi giữa lối ra và đất.

Khi khoảng cách ghép nối xa cần cân nhắc việc sử dụng một cảm biến với tín hiệu ra là dòng điện Những thiết bị này có giao diện 2 dây và làm biến điệu dòng cung cấp theo áp suất được áp đển Hiển nhiên là trở kháng dây không có hiệu ứng

và ảnh hưởng của nhiễu chi xảy ra khi nó có khả năng làm thay đổi vòng dòng điện chứ không đơn giản chỉ là đưa vào tín hiệu một điện áp Giao diện chuẩn công nghiệp là:

trong đó: • PL ỉà giới hạn dải áp suất thấp,

• PH là giới hạn đải áp suất cao.

1.3.2 Lụa chọn cảm biến

Sự chọn lựa một cảm biến bao gồm việc khảo sát loại phép đo (gauge, tuyệt đối,

vi sai), dài đo, loại tín hiệu tín điện lối ra, và độ chính xác được yêu cầu Cảc đặc điểm kỹ thuật của nhà sản xuất thường áp dụng cho dải nhiệt độ nhất định Sai số tổng cộng được tính bằng việc cộng các sai số riêng phần (trường hợp xấu nhất) hoặc bằng cách hoặc căn của tổng bình phương (RSS)i Cách tính sau thực tể hom vì

nó cư xử với các sai số như là các sai số độc lập cái thường biến thiên độc lập Ta sẽ

so sánh 2 phương pháp này.

Cho trước các số hạng sai sổ:

• Tính tuyến tính = 1% F.s.

• Sự hiệu chuẩn điểm 0 = 1% F.s.

• S ự hiệu chuẩn độ nhạy cảm = 1% F s Các sai sổ nhiệt độ được cho trước

như các hệ số ưên một °c được tham chiếu ở 25°c Nhân hệ số đó với dải nhiệt độ cùa ứng dụng sỗ nhận được sai số toàn phần

• Sai số = 0,5% F.s.

• Tỉnh chất có thể lập lại và độ trễ = 0,1% F s

R S S = Y ( la + l a + l a + 0 ,52 + 0 , l 3)

Sai số ưong trường hợp xấu nhất bằng tổng của tất cả các sai số cực đại:

Sai số trường hợp xấu nhất = 1 + 1 + 1 + 0,5 + 0,1 = 3.6% (1-22)

-24-C hương 2

CẢM BIÉN ÁP SUAT CÔNG NGHỆ MEMS

2.1 TÔ N G QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS

2.1.1 MEMS là gi?

Hĩnh 2-1: Công nghệ MEMS được liên kết trong các thiết b| cơ kích thước micro mét.

Các linh kiện này có thể cảm biến, xử lý và/hoặc diều khiển môi trường xung quanh Khả năng cảm biến xuất phát từ các đặc trưng cơ học kích thước micro mét.*201

H ình 2-2: Mô hình chức năng của một thiết bị cảm biến trên cơ sở MEMS điển hình.[20ỉ

Sensor: bộ cảm biển - thiết bị nhận và đáp ứng lại một tín hiệu hoặc một kích thích.

Transducer Bộ chuyển đổi năng lượng - một thiết bj được dùng để chuyển đồi một dạng nàng

lượng lối vào thành một dạng năng lượng khác ở lối ra

A ctuator: cơ cấu truyền động - thiết bị chịu trách nhiệm về chuyển động hoặc các hoạt động cơ

đ iệ n D o đ ó , c á c s ả n p h ẩ m c ả m b iế n trê n c ơ s ở M E M S c u n g c ấ p m ộ t g ia o d iệ n c ó

th ể c ả m b iế n , x ử lý v à /h o ặ c đ iề u k h iể n m ô i trư ờ n g n g o ạ i v i S o v ớ i c á c m ạ c h tíc h

h ợ p tỷ lệ lớ n L S I QÓ c ả lối v à o v à r a c h i là c á c tín h iệ u đ iệ n , M E M S c ó th ể x ử lý

m ộ t d ả i r ộ n g c á c th ô n g tin n h ư n ă n g lư ợ n g , v ậ t lý (tín h iệ u đ iệ n , c ơ h ọ c , q u a n g , từ

c á c v i c ả m b iế n v à c á c b ộ v i k íc h h o ạ t có k h ả n ă n g n h ậ n b iế t v à đ iề u k h iể n N g o à i

r a , M E M S c ò n m ở rộ n g k h ả n ă n g th iế t k ế v à ứ n g d ụ n g

-26-■ ' =••••• •• s ^ /'*

H ình 2-3: B ộ gia tốc với phần IC điều khiển bên tay trái và tế bào cảm biến bên tay phải.

T r o n g m ộ t h ệ th ố n g , s ự tíc h h ợ p c á c y ế u tố v ỉ đ iệ n đ ư ợ c x e m là “b ộ n ã o ” , v à

M E M S tă n g c ư ờ n g th ê m k h ả n ă n g n h ư là “m ắ t” v à “t a / ’ c h o h ệ th ố n g v i đ iệ n tử ,

đ iề u n à y c h o p h é p v i h ệ th ố n g n h ậ n b iế t v à đ iề u k h iể n th e o m ô i trư ờ n g C á c c ả m

b iế n tậ p h ợ p c á c th ô n g tin từ m ô i trư ờ n g th ô n g q u a v iệ c đ o đ ạ c c á c y ế u tổ n h iệ t, c ơ ,

q u a n g , h ỏ a , s in h , các h iệ n tư ợ n g từ S au đ ó , các y ế u tố đ iệ n x ử lý th ô n g tin t ừ cả m

b iế n v à th ô n g q u a c á c n h ậ n b iế t tá c đ ộ n g tr ự c tiế p đ ế n b ộ k íc h h o ạ t v à đ á p ứ n g lại

2.1.2 Các ứng dụng cửa MEMS

C á c ứ n g d ụ n g v à th ị trư ờ n g M E M S n g à y c à n g m ở rộ n g Đ ặ c b iệ t c ô n g n g h ệ c h ế

tạ o v i c ơ v à c ô n g n g h ệ M E M S có th ể c u n g c ấ p m ộ t p h ư ơ n g tiệ n g ia o tiế p g iữ a th ế

g iớ i đ iệ n tử số v ớ i th ế g iớ i v ậ t lý tư ơ n g tự T ro n g th ế g iớ i v ậ t lý , n h ữ n g tí n h iệ u

q u a n tâ m k h ô n g có b ả n c h ấ t đ iệ n , c ầ n c á c b ộ b iế n đ ổ i n ă n g lư ợ n g tín h iệ u v ậ t lý

s a n g tín h iệ u đ iệ n (v í d ụ c á c b ộ c ả m b iế n ) đ ể có th ể x ử lý đ ư ợ c b ằ n g h ệ th ố n g đ iệ n

tử IC N g o à i ra , s ự liê n k ế t c á c b ộ b iế n đ ổ i n ă n g lư ợ n g tro n g m ộ t h ệ th ố n g c ũ n g có

n h iề u th u ậ n lợ i (v í d ụ , đ ầ u tiê n c h u y ể n tín h iệ u n h iệ t s a n g tín h iệ u c ơ sa u đ ó th à n h tín h iệ u q u a n g v à c u ố i c ù n g th à n h tín h iệ u đ iệ n ) H ơ n n ữ a , c ó th ể k ế t h ợ p b ộ c ả m

g iú p c á n h â n P D A v à c á c ổ đ ĩa c ứ n g , n g o ạ i v i m á y tín h v à c á c th iế t b ị k h ô n g d ây

C á c c ả m b iế n n à y b a n đ ầ u đ ư ợ c s ử đ ụ n g ứ o n g c ô n g n g h iệ p t ự đ ộ n g , đ ặ c b iệ t c h o s ự

n ă n g lư ợ n g , c ũ n g n h ư v iệ c tạ o ra s ự c h u y ể n đ ộ n g cỏ k h ả n ă n g lậ p lại c a o Đ iề u n à y

c ũ n g tạ o c h o silic r ấ t đ á n g tin cậy v ì n ỏ c h ịu rấ t ít s ự su y g iả m sứ c c h ịu đ ự n g v à c ỏ

th íc h v ậ t lý đ ư ợ c đ ặ t v ào Đ iề u n à y s ẽ là m th a y đ ổ i k h o ả n g tr ố n g g iữ a h a i

đ iệ n c ự c d ẫn đ ế n m ộ t s ự th a y đ ổ i tư ơ n g ứ n g tro n g đ iệ n d im g S ự th a y đ ổ i v ề

đ iệ n d u n g là s ự th a y đ ổ i tú i h iệ u đ iệ n tư ơ n g ứ n g v ớ i tá c n h â n c ơ k h í lố i v à o

tranzito màng mỏng TFT trên các lớp đế thuỷ tinh diện tích lớn cho các màn hiển thị phẩng Công nghệ này cũng được sử đụng để chế tạo các pin năng lượng mặt tròi màng mỏng.

Hỉnh 2-4: Cảm biến áp suất điện dung theo công nghệ vi cơ bề mặt Phần bên trái là tế

bào cảm biến còn phần bên phải là tế bào (cell) tham chiếu chuẩn.

K h ắ c sâ u (deep etching): Trong công nghệ khắc sâu, một quá trình khắc lon phản ứng sâu được sử dụng để cắt ra các miếng wafer silic Quá trình khắc dừng ở lớp hy sinh đã được che đi trong wafer, phần này sau đó sẽ được khắc

để loại bỏ nó khỏi mặt dưới cùa cấu trúc silic phủ lên Ngay sau khi lớp hy sinh được loại bỏ các phần tử được gắn bởi nó cỏ thể di chuyển tự đo.

Vi cơ khối: Vi cơ khối là một ứong các phương pháp được sử dụng để tạo ra các

cơ cấu vi cơ hoặc MEMS Không giống như vi cơ bề mặt, phương pháp sử dựng một sự láng đọng màng mỏng nối tiếp nhau và sự khắc đi có chọn lựa,

vi cơ khối định rõ các cấu trúc bằng việc khắc có chọn lựa bên ừong lớp đế Trong khi vi cơ bề mặt tạo ra các cấu trúc trền đỉnh của lớp đế, vi cơ khối tạo

ra các cấu trúc bên trong lớp đế.

Vi cơ khối tương tự như khắc sâu nhưng nó sử dụng một quy trình khác

để loại bỏ silic Vi cơ khối thường sử dụng các chất dung môi kiềm lỏng, chẳng hạn như Kali hyđroxit, để hoà tan phần silic đã được làm lộ ra trong bước tạo mặt nạ theo phương phương pháp in ảnh litô Các chất dung môi