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
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 2 năm 2014
Trần Vũ Minh
2
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 sự
không 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
3
TÓM TẮT
Nhiệm vụ chính của luận văn là tìm hiểu về vi cảm biến, cụ thể là tìm hiểu về vi
cảm 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 đa
chiều, cấu trúc thanh dầm cantilever cho vi cảm biến lực đa chiều, cơ sở về hiệu ứng áp
trở của vi cảm biến lực áp trở Dựa trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu được, luận văn đã
thực hiện việc thiết kế một cấu trúc vi cảm biến lực 3 chiều áp trở. Luận văn cũng đã
xây 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 khảo
sát và thiết kế vi cảm biến đồng thời trình bày các kết quả đạt được để từ đó xây dựng
những hướng phát triển mới.
4
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI CAM ĐOAN 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN 2
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
6
4.2.4 Cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.5 Cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
KẾT LUẬN 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 54
7
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
2.1 Thông số cơ học của một số vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Giá trị thực nghiệm các hệ số áp điện trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1 Thông số hình học của vi cảm biến lực 3 chiều áp trở . . . . . . . . . . . . 47
10
GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, với sự hỗ trợ của công nghệ vi điện tử và công nghệ tin
học, công nghệ vi cơ điện tử đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Công nghệ vi cơ điện
tử đã được ứng dụng để chế tạo các cảm biến, các hệ chấp hành, được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau từ công nghiệp, kỹ thuật, y tế đến quân sự .
Cảm biến lực chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử là một trong những cảm biến có
nhiều ứng dụng trong đời sống thực tiễn hiện nay. Một số loại vi cảm biến lực phổ biến
là: vi cảm biến tụ, vi cảm biến áp điện, vi cảm biến laser quang, vi cảm biến áp trở . . .
Nhìn chung các loại vi cảm biến này đều có ưu và nhược điểm riêng nhưng cảm biến lực
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. Bên
cạnh 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 việc
thiết kế vi cảm biến. Một phần quan trọng của chương 1 là trình bày về cấu trúc thanh
dầm 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 việc
phân loại vi cảm biến lực và giới thiệu hiệu ứng áp điện trở, là hiệu ứng vật lý được dùng
trong 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 các
phương khác nhau của vi cảm biến lực 3 chiều áp trở: cấu trúc dài, cấu trúc dọc, cấu trúc
ngang . 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.
12
Hình 1.1: Mô hình vi cảm biến
trong 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 . của
tổng đài, góp phần đảm bảo tổng đài hoạt động được liên tục, cảm biến tại các thiết bị
đầu cuối để chuyển âm thanh, hình ảnh thành tín hiệu điện, tại các thiết bị truyền dẫn
chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang và ngược lại. Trong ngành tự động hóa sử dụng
cảm biến để biết được các thông số của đối tượng cần điều khiển (tốc độ động cơ, vận
tốc 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 cả
sản xuất công nghiệp và nghiên cứu khoa học cơ bản. Trong các thập kỷ qua, các phương
pháp 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 trong
việc phát triển công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Các ứng dụng phổ biến nhất là: các
phương 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 cứu
rộng 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 thường
xuống kích cỡ chip, lượng mẫu chất lỏng cần thiết để có thể phân tích tin cậy được giảm
xuống mức đơn vị nano lít hay thậm chí pico lít. Thời gian và chi phí của toàn bộ thủ
tục 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 bào
sống, hạn chế kích thước phẫu thuật, nhận dạng các vi mẫu.
13
Xử lý vi mô là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển mới với nhiều thách thức. So
với vĩ mô, các thao tác với mẫu vi mô có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi môi trường xung
quanh. Bên cạnh đó, việc quan sát quá trình thao tác mẫu vi mô rất khó khăn, phải dựa
14
Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều được trình bày ở hình (1.3) mô tả đầu vào F
x
, F
y
, F
z
là 3 lực cần đo , các điện thế ra cần đo lần lượt là V
x
= f(F
x
), V
y
= f(F
y
), V
x
= f(F
z
).
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 lực
cần 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 phụ
thuộc vào biến dạng.
1.2 Vi cảm biến lực đa chiều dạng thanh dầm can-
tilever
Thanh dầm cantilever là thanh dầm có một đầu làm đầu ngàm gắn cố định, đầu kia
A
h σ
x
dA (1.2)
Trên toàn bộ thanh dầm, sức căng cực đại xảy ra ở đầu cố định, khi x = L. Trên
thực tế, trong thiết kế, chỉ quan tâm đến sức căng cực đại hay ứng suất cực đại ở đầu cố
16
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:
max
=
M
t
=
F l t
2E I
(1.3)
Trong đó E là mô đun Young; t là độ dày của thanh dầm, I là mô-men quán tính
của thanh dầm.
Ứng suất cực đại:
σ
max
=
max
E =
F l t
2I
(1.4)
ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc
biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác m
i
của m,
đo giá trị tương ứng s
i
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 lên
một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại
lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn
giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại
lượng 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 hoặc
các 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 sẵn
đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên
hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng
của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác
của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần
chuẩn.
Chuẩn nhiều lần
19
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ
thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc
vào giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng
phương 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 tương
ứng 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
N
i
=
δV
i
δF
i
với i = 1, 2, 3 (1.5)
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 môi
trường xung quanh.
20
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 cảm
biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của
cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong
vùng 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 số
riêng f
0
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 chỉnh
sao 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.
thích 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 hiện
phép đo lường thống kê.
1.4 Kết luận chương
Để thực hiện mục tiêu thiết kế một vi cảm biến lực đa chiều áp trở, chương 1 đã
phân tích và tìm hiểu về mô hình và cấu trúc của vi cảm biến lực đa chiều. Cấu trúc
thanh 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 dầm
thay 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 và
các tiêu chí liên quan như nhiễu, độ nhạy.
22
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 cảm
biến lực và các ưu khuyết điểm của các loại cảm biến lực. Phần 2.2 trình bày đặc tính
của vi cảm biến lực áp trở. Phần 2.3 trình bày về mạch đo và phần 2.4 trình bày về nhiễu
trong vi cảm biến lực áp trở.
2.1 Phân loại vi cảm biến lực
Vi cảm biến lực có nhiều kiểu khác nhau dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau
được 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 được
thay đổi bằng cách tác động lên một trong các thông số làm thay đổi điện trường giữa
hai vật dẫn tạo thành hai bản cực của tụ. Một trong hai bản tụ được nối cơ học với vật
trung gian chịu tác động của lực cần đo. Nếu vật trung gian là màng mỏng thì điện dung
của 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). Vi
Copyright: Tài liệu đại học ©