Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung mems sử dụng vật liệu silicon và hợp chất của silicon

GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN

Giới thiệu chung

Cảm biến, bắt nguồn từ từ "sense" có nghĩa là giác quan, hoạt động tương tự như các giác quan trong cơ thể con người Nhờ có cảm biến, mạch điện và hệ thống điện có khả năng thu nhận thông tin từ môi trường bên ngoài, cho phép máy móc và thiết bị điện tử tự động hiển thị thông tin về các đại lượng đang được cảm nhận Điều này giúp quá trình hoạt động của hệ thống trở nên linh hoạt và có khả năng điều chỉnh theo môi trường Cảm biến là thiết bị dùng để nhận biết sự biến đổi của các đại lượng vật lý và không có tính chất điện, chuyển đổi chúng thành các đại lượng có thể đo lường và xử lý.

Các đại lượng cần đo như nhiệt độ và áp suất thường không mang tính chất điện, nhưng chúng tác động lên cảm biến để tạo ra một đặc trưng điện như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng Đặc trưng này chứa thông tin cần thiết để xác định giá trị của đại lượng đo, với mối quan hệ giữa đặc trưng và đại lượng cần đo được biểu diễn bằng công thức: s = F(m).

Đại lượng đầu ra (s) của cảm biến phản ánh phản ứng, trong khi đại lượng đầu vào (m) là kích thích có nguồn gốc từ đại lượng cần đo Việc đo đạc (s) giúp xác định giá trị của (m).

Các bộ cảm biến đƣợc phân loại theo các đặc trƣng cơ bản sau đây:

 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng:

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

 Phân loại theo dạng kích thích

- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)

- Điện dẫn, hằng số điện môi

- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)

- Từ thông, cường độ từ trường

- Biên, pha, phân cực, phổ

- Hệ số phát xạ, khúc xạ

- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ

- Vận tốc chất lưu, độ nhớt

 Theo tính năng của bộ cảm biến

 Phân loại theo phạm vi sử dụng

 Phân loại theo thông số của mô hình mạch điện thay thế

- Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

- Cảm biến thụ động đƣợc đặc trƣng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến

1.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biến Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lƣợng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo (m) ở đầu vào Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m), hoặc bằng đồ thị nhƣ hình 1.1a [1]

Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, giá trị chưa biết m có thể được xác định thông qua giá trị đo được s Để thuận tiện, cảm biến thường được thiết kế với sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đầu vào, với phương trình s = F(m) có dạng s = am + b, trong đó a và b là các hệ số, tạo ra đường cong chuẩn là một đường thẳng.

 Phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là quá trình xác định mối quan hệ giữa giá trị đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị thực tế của đại lượng đo, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng Qua đó, người ta xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng đồ thị hoặc biểu thức đại số Để thực hiện việc chuẩn cảm biến, cần có một tập hợp các giá trị đã biết chính xác của đại lượng đo, từ đó đo giá trị tương ứng và tạo ra đường cong chuẩn.

Hình 1.2 Phương pháp chuẩn cảm biến

Khi cảm biến gặp phải hiện tượng trễ, giá trị đo được ở đầu ra không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo mà còn vào giá trị trước đó của đại lượng này Để khắc phục tình trạng này, người ta thường sử dụng phương pháp chuẩn nhiều lần để cải thiện độ chính xác của kết quả đo.

- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lƣợng cần đo và đại lƣợng 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 lƣợng đo ở đầu vào

Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại giúp xác định đường cong chuẩn một cách chính xác Việc chuẩn nhiều lần cho phép đo theo cả hai hướng, bao gồm cả tăng dần và giảm dần.

Trong trường hợp chỉ có một đại lượng vật lý tác động lên đại lượng đo và cảm biến không nhạy với các tác động khác, phương pháp chuẩn đơn giản được áp dụng Phương pháp này bao gồm việc đo giá trị đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi của đại lượng đo ở đầu vào Việc chuẩn được thực hiện theo hai cách khác nhau.

Chuẩn trực tiếp là quá trình sử dụng các giá trị từ mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao để đo lường.

Chuẩn gián tiếp là phương pháp kết hợp giữa cảm biến cần chuẩn và một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai đều hoạt động trong cùng điều kiện Bằng cách tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị đại lượng đo, ta thu được giá trị tương ứng từ cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn Quá trình này được lặp lại với các giá trị khác nhau của đại lượng đo, giúp xây dựng đường cong chuẩn cho cảm biến cần chuẩn.

1.1.4 Các đặc trƣng cơ bản

Độ nhạy của cảm biến tuyến tính được thể hiện qua mối quan hệ giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm, cụ thể là Δs = S.Δm Trong đó, đại lượng S được xác định bởi biểu thức S = s/m.

Độ nhạy của cảm biến, ký hiệu là S, được xác định bằng tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm của đại lượng đo ở đầu vào, xung quanh giá trị mi của đại lượng đo.

Để đạt được độ chính xác cao trong phép đo, việc thiết kế và sử dụng cảm biến cần đảm bảo rằng độ nhạy S của nó duy trì ổn định, tức là phải giảm thiểu sự phụ thuộc vào các yếu tố khác.

- Giá trị của đại lƣợng cần đo m và tần số thay đổi của nó

Các đại lượng vật lý không phải là đại lượng đo có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến Thông thường, nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S trong các điều kiện làm việc cụ thể để đảm bảo độ chính xác của cảm biến.

Nguyên lý chế tạo và đo cảm biến

1.2.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến

Các loại cảm biến đƣợc chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tƣợng vật lý và đƣợc phân làm hai loại:

 Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động nhƣ một máy phát, đáp ứng

(s) là điện tích, điện áp hay dòng

 Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt động nhƣ một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung

1.2.2 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực

Cảm biến tích cực được phát triển dựa trên việc ứng dụng các hiệu ứng vật lý để chuyển đổi năng lượng từ các dạng như nhiệt, cơ hoặc bức xạ thành năng lượng điện Bài viết này sẽ mô tả khái quát về các ứng dụng của một số hiệu ứng vật lý trong quá trình chế tạo cảm biến.

Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hóa học khác nhau khi được hàn lại thành một mạch điện kín sẽ tạo ra một suất điện động e(T1, T2) nếu nhiệt độ ở hai mối hàn T1 và T2 khác nhau Độ lớn của suất điện động này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.

Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T 1 khi biết trước nhiệt độ

Tinh thể hoả điện, như tinh thể sulfate triglycine, có tính phân cực điện tự phát và độ phân cực này thay đổi theo nhiệt độ Sự phân cực này tạo ra điện tích trái dấu trên các mặt đối diện của tinh thể Độ lớn điện áp giữa hai mặt tinh thể hoả điện phụ thuộc vào mức độ phân cực của chúng.

Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện

Hiệu ứng hoả điện được sử dụng để đo thông lượng bức xạ ánh sáng Khi ánh sáng chiếu vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ và thay đổi phân cực điện của nó Bằng cách đo điện áp V, ta có thể xác định thông lượng ánh sáng F.

Vật liệu áp điện, như thạch anh, tạo ra điện tích trái dấu trên các bề mặt khi bị biến dạng dưới lực cơ học, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện Bằng cách đo điện áp (V), chúng ta có thể xác định cường độ lực tác dụng (F).

Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện

 Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, suất điện động xuất hiện trong dây dẫn tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, tức là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây Tương tự, khi một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên, suất điện động cũng xuất hiện và tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây.

Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hiệu ứng cảm ứng điện từ đƣợc ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật, thông qua việc đo suất điện động cảm ứng

Hiệu ứng quang dẫn, hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội, là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu, thường là bán dẫn, khi chúng tiếp xúc với bức xạ ánh sáng hoặc bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.

Hiệu ứng quang phát xạ điện tử, hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài, là hiện tượng mà các điện tử được giải phóng từ bề mặt vật liệu, tạo thành dòng điện có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.

 Hiệu ứng quang - điện - từ

Khi một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng tác động lên vật liệu bán dẫn, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với cả từ trường và bức xạ ánh sáng.

Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ

Khi một tấm vật liệu mỏng, thường là bán dẫn, có dòng điện I chạy qua được đặt trong một từ trường B tạo với dòng điện một góc θ, sẽ xuất hiện hiệu điện thế VH vuông góc với cả B và I Biểu thức của hiệu điện thế này có dạng cụ thể.

Trong đó K H là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu

Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall được sử dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động thông qua sự liên kết cơ học với thanh nam châm Vị trí của thanh nam châm ảnh hưởng đến giá trị của từ trường B và góc tương ứng với tấm bán dẫn mỏng Do đó, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh của tấm bán dẫn phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.

1.2.3 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động được chế tạo từ một trở kháng nhạy với đại lượng cần đo, với giá trị phụ thuộc vào kích thước hình học và tính chất điện của vật liệu như điện trở suất, độ từ thẩm và hằng số điện môi Do đó, tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc cả hai cùng lúc.

Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng trong cảm biến xảy ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng Mỗi vị trí của phần tử động tương ứng với một giá trị trở kháng xác định, cho phép xác định vị trí của đối tượng thông qua đo trở kháng Đối với cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng dưới tác động của lực sẽ làm thay đổi trở kháng, từ đó liên quan đến đại lượng cần đo Do đó, việc xác định trở kháng giúp xác định được đại lượng cần đo một cách chính xác.

Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và các yếu tố tác động như nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, và độ ẩm Để tạo ra cảm biến, người ta lựa chọn vật liệu sao cho tính chất điện chỉ nhạy với một đại lượng vật lý cụ thể, trong khi ảnh hưởng của các yếu tố khác là không đáng kể Nhờ đó, có thể thiết lập mối quan hệ đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến.

Các loại cảm biến thông dụng

Hiện nay, cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống, với sự phát triển đa dạng về loại hình và ứng dụng Những cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, từ trường, điện dung, khoảng cách, gia tốc, vận tốc, áp lực, áp suất, dòng chảy, hóa học, thông minh và tiệm cận giúp giải quyết nhiều vấn đề, mang lại sự tiện lợi và dễ dàng cho con người.

Nhiệt độ được đo gián tiếp thông qua sự thay đổi tính chất vật liệu theo nhiệt độ, thường sử dụng các cảm biến nhiệt độ như thermistor, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở và nhiệt kế bức xạ Mỗi loại cảm biến có nguyên lý hoạt động riêng nhưng đều tuân theo một thang đo cụ thể.

Cảm biến quang được chia thành hai loại chính: cảm biến quang dẫn và cảm biến quang điện phát xạ Cảm biến quang dẫn, bao gồm photodiode, phototransistor và phototransistor hiệu ứng trường, hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào Trong khi đó, cảm biến quang điện phát xạ, như tế bào quang điện chân không và tế bào quang điện dạng khí, hoạt động khi bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định chiếu vào, giải phóng điện tử và tạo ra dòng điện.

1.3.3 Cảm biến đo biến dạng

Ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực, và giữa biến dạng và ứng lực có mối quan hệ chặt chẽ Bằng cách đo biến dạng, ta có thể tính toán ứng lực tác động lên kết cấu Để đo biến dạng, người ta sử dụng cảm biến biến dạng, hay còn gọi là đầu đo biến dạng, bao gồm hai loại chính là đầu đo điện trở và đầu đo dây rung Đầu đo điện trở được làm từ vật liệu có điện trở thay đổi theo mức độ biến dạng, kích thước nhỏ từ vài milimet đến vài centimet và được dán trực tiếp lên cấu trúc Trong khi đó, đầu đo dây rung được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm trên cấu trúc, với tần số thay đổi theo sức căng cơ học Những loại cảm biến biến dạng phổ biến hiện nay bao gồm đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở bán dẫn, ứng suất kế dây rung và các đầu đo trong chế độ động.

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại a) Đầu đo dùng dây quấn; b) Đầu đo dùng lưới màng

1.3.4 Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Xác định vị trí và dịch chuyển là yếu tố quan trọng trong kỹ thuật, hiện nay có hai phương pháp cơ bản sử dụng cảm biến để thực hiện nhiệm vụ này.

Bộ cảm biến phát tín hiệu dựa trên vị trí của một trong các phần tử cảm biến, và phần tử này có mối liên hệ với vật cần xác định sự dịch chuyển.

Ứng dụng một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra xung để xác định vị trí và dịch chuyển thông qua việc đếm số lượng xung phát ra.

Một số cảm biến không cần liên kết cơ học với vật đo vị trí hoặc dịch chuyển, mà sử dụng điện trường, từ trường, điện từ trường hoặc ánh sáng làm trung gian Các loại cảm biến phổ biến để xác định vị trí và dịch chuyển bao gồm điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang và cảm biến sử dụng sóng đàn hồi.

Hình 1.11 Mạch đo thường dùng với cảm biến tụ điện 1.3.5 Cảm biến đo lực

Cảm biến đo lực hoạt động dựa trên nguyên tắc cân bằng giữa lực cần đo và lực đối kháng, đảm bảo tổng lực và moment bằng 0 Trong các cảm biến này, vật trung gian chịu tác động và biến dạng, tạo ra lực đối kháng tỉ lệ thuận với biến dạng trong giới hạn đàn hồi Biến dạng và lực gây ra có thể được đo trực tiếp bằng cảm biến biến dạng hoặc gián tiếp thông qua các tính chất điện của vật liệu Các loại cảm biến lực phổ biến hiện nay bao gồm cảm biến áp điện, cảm biến từ giao, cảm biến dựa trên phép đo dịch chuyển và cảm biến xúc giác.

1.3.6 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung Để đo vận tốc ta sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ hoạt động dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện từ hoặc tốc độ kế vòng loại xung hoạt động theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn

Trong đo gia tốc người ta phân biệt mức gia tốc và dải tần của hiện tượng khảo sát nhƣ sau:

Đo gia tốc chuyển động của một khối lượng nào đó yêu cầu trọng tâm của nó duy trì tần số thấp và giá trị gia tốc nhỏ Các loại cảm biến thường được sử dụng bao gồm cảm biến gia tốc đo dịch chuyển và cảm biến gia tốc đo biến dạng.

Đo gia tốc rung của các cấu trúc cứng hoặc có khối lượng lớn, với tần số rung lên đến hàng trăm Hz, thường sử dụng cảm biến gia tốc như cảm biến từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kim loại hoặc áp điện trở.

Đo gia tốc với mức trung bình và dải tần cao khoảng 10kHz thường được áp dụng cho các vật có khối lượng nhỏ Cảm biến gia tốc sử dụng trong trường hợp này thường là loại áp trở hoặc áp điện.

Đo gia tốc khi va đập và sự thay đổi gia tốc dạng xung yêu cầu sử dụng cảm biến gia tốc có dải thông rộng, bao gồm cả tần số thấp và tần số cao.

Độ rung được xác định bởi các yếu tố như độ dịch chuyển, tốc độ và gia tốc tại các điểm khác nhau trên vật rung Cảm biến rung, bao gồm cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ và cảm biến gia tốc, có thể được mô tả qua mô hình hệ cơ học một bậc tự do để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của chúng.

Kết luận chương

Chương 1 tập trung vào các khái niệm cơ bản về cảm biến, bao gồm phân loại và đặc trưng như độ nhạy và độ tuyến tính của cảm biến Ngoài ra, chương này còn trình bày nguyên lý chế tạo và đo cảm biến, đồng thời giới thiệu một số loại cảm biến thông dụng như cảm biến quang, cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ.

CẢM BIẾN ÁP SUẤT

Công nghệ vi cơ điện tử MEM

2.1.1 Tổng quan về MEMS (Micro ElectroMechanical Systems)

Vào thế kỷ XX, thiết bị điện tử ngày càng được tích hợp nhiều chức năng hơn, kích thước nhỏ gọn và công nghệ tiên tiến, dẫn đến sự biến đổi mạnh mẽ trong cả lĩnh vực công nghệ và xã hội.

Vào giữa thế kỷ XX, một cuộc cách mạng công nghệ vi mô đã diễn ra, mở ra triển vọng mới cho mọi ngành công nghiệp Trong bối cảnh này, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) đã được ra đời và phát triển, đánh dấu bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ.

Công nghệ vi cơ (MEMS) đã phát triển vượt bậc từ ngành công nghiệp bán dẫn, bao gồm các cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử tích hợp trên cùng một chip Các linh kiện MEMS chủ yếu được làm từ silic và có khả năng kết hợp các yếu tố cơ học với các yếu tố sinh học, hóa học, quang học và điện Nhờ vào khả năng tạo ra các cấu trúc cơ học nhỏ bé và nhạy cảm, MEMS đã cho ra đời các bộ cảm biến và chấp hành ứng dụng rộng rãi trong đời sống, thay thế các thiết bị đo cũ kỹ và cồng kềnh Tuy nhiên, công nghệ MEMS vẫn đang trong giai đoạn đầu và cần nhiều nghiên cứu cơ bản hơn để phát triển.

Từ cuối những năm 80, công nghệ MEMS đã trải qua giai đoạn phát triển thứ hai với sự ra đời của công nghệ vi cơ bề mặt, hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp MEMS không chỉ mang lại những thiết bị với chất lượng và khả năng hoạt động cao hơn mà còn có giá thành cạnh tranh Theo thống kê, giá trị sản phẩm MEMS trong công nghiệp đã tăng từ 6.5 tỷ USD năm 2003 lên 10.5 tỷ USD năm 2005, với thị phần chủ yếu là cảm biến áp suất, bộ điều khiển chất lỏng, cảm biến quán tính và bộ chuyển mạch quang học Tuy nhiên, công nghệ MEMS vẫn gặp phải những thách thức trong việc đóng vỏ, đo các đặc trưng và tích hợp với vi mạch.

MEMS hứa hẹn cách mạng hóa sản phẩm bằng cách kết hợp công nghệ vi điện tử và vi cơ khí trên nền tảng silicon, cho phép phát triển hệ thống trên một chip Công nghệ MEMS giúp tạo ra các sản phẩm thông minh, nâng cao khả năng tính toán điện tử nhờ sự điều khiển của cảm biến và bộ thi hành, đồng thời mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng.

MEMS nâng cao độ chính xác của hệ thống nhờ khả năng cảm nhận và điều khiển môi trường Các cảm biến thu thập thông tin từ môi trường qua các thông số như cơ, nhiệt, sinh học, hóa học và quang học Thông tin này được mạch điện tử xử lý, từ đó đưa ra quyết định cho bộ thi hành nhằm đáp ứng các thay đổi như dịch chuyển, định vị, điều tiết, bơm và lọc, giúp điều chỉnh thông tin theo mục đích sử dụng.

 Tình hình phát triển công nghệ MEMS tại Việt Nam

Công nghệ MEMS đã được nghiên cứu và phát triển tại Việt Nam từ cuối thập niên 90, khi nền kinh tế chuyển mình và thu hút đầu tư từ các công ty đa quốc gia Nhiều công ty hàng đầu trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn đã đầu tư vào Việt Nam, trong đó có Canon Inc, hoạt động tại khu công nghiệp Thăng Long, Hà Nội từ năm 2002 chuyên sản xuất máy in phun Đến năm 2005, Canon Thăng Long đã đạt doanh thu 410 triệu USD, thể hiện sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp MEMS tại Việt Nam.

Võ đã đƣợc khánh thành vào cuối năm 2005 Giai đoạn I, nhà máy có số vốn đầu tƣ

Nhà máy sản xuất máy in phun với vốn đầu tư 70 triệu USD có công suất 700.000 sản phẩm/tháng, dự kiến mang lại doanh thu 400 triệu USD/năm nếu hoạt động ổn định Trong giai đoạn II, công ty sẽ đầu tư thêm 40 triệu USD (nguồn: TTXVN) Canon là một ví dụ tiêu biểu cho việc ứng dụng công nghệ MEMS trong ngành in ấn, bên cạnh nhiều công ty ôtô lớn như Honda, Toyota và Ford cũng đã đầu tư tại Việt Nam.

Vào cuối tháng 2/2006, Intel, tập đoàn sản xuất bộ vi xử lý lớn nhất thế giới, đã nhận giấy phép đầu tư xây dựng nhà máy đóng gói và hoàn thiện chip vi xử lý với tổng vốn đầu tư ban đầu 605 triệu đô la, sau đó nâng lên 1 tỷ đô la Mỹ Sự kiện này đã kích thích làn sóng đầu tư từ các công ty công nghệ phụ trợ đến từ Hoa Kỳ, Hàn Quốc và Nhật Bản, tuy nhiên, các số liệu hiện tại vẫn chưa phản ánh đầy đủ sự tham gia của các tập đoàn lớn tại Việt Nam.

Mặc dù chậm hơn so với các tập đoàn lớn, nhưng các đơn vị quản lý và chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ MEMS đã nhận thức sớm tầm quan trọng của công nghệ vi cơ điện tử và đã bắt đầu nghiên cứu tại các cơ sở trong nước Tuy nhiên, việc nghiên cứu không chỉ đơn thuần là mua nguyên liệu và gia công, mà đòi hỏi thời gian và đầu tư lớn, như việc phát triển gia tốc kế trong ngành ô tô đã mất gần 30 năm Để phát triển nghiên cứu mới, cần có sự đồng thuận từ cơ quan quản lý, cơ sở hạ tầng và nguồn nhân lực Các cấp quản lý đã nhận thức rõ tầm quan trọng của công nghệ này và đã hỗ trợ về kinh phí đầu tư trang thiết bị, nhưng việc xây dựng nguồn nhân lực chất lượng cao không thể hoàn thành trong một hay hai năm.

Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tiên phong trong việc phát triển công nghệ vật liệu tiên tiến, đặc biệt là Công nghệ Vi điện tử và Công nghệ MEMS từ những ngày đầu thành lập vào tháng 12 năm 1992 Với mục tiêu đào tạo sau đại học và nghiên cứu chuyên sâu, ITIMS đã nhận được sự đầu tư đáng kể từ chương trình hợp tác Hà Lan - Việt Nam, giúp xây dựng đội ngũ cán bộ chất lượng cao trong lĩnh vực MEMS Các cựu sinh viên của ITIMS thường tiếp tục học tập và làm việc tại các cơ sở nghiên cứu hàng đầu ở châu Âu, Mỹ, Hàn Quốc và Nhật Bản.

Các trường đại học hàng đầu tại Việt Nam như KH Việt Nam, ĐH Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa TP Hồ Chí Minh và ĐH Quốc gia, cùng với các công ty đa quốc gia như Canon và Intel, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nguồn nhân lực và công nghệ tại đất nước.

Nhóm công nghệ MEMS tại ITIMS tập trung vào phát triển các sản phẩm chiến lược, bao gồm cảm biến áp suất kiểu áp trở, cảm biến gia tốc kiểu áp trở, cảm biến áp suất kiểu tụ và cảm biến gia tốc kiểu tụ, nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ hiện đại.

Đội ngũ kỹ sư tại ĐH Bách Khoa Hà Nội đã phát triển thiết bị hàn tĩnh điện cho phép hàn ghép thuỷ tinh - silíc với nhiệt độ làm việc từ 30 đến 600 độ C, có khả năng đạt 350 độ C trong 420 giây Họ cũng chế tạo phiên bản đầu tiên của vi cân thạch anh (Quartz Micro Balance), mở ra hướng nghiên cứu mới về virus HIV.

Khoa Điện tử Viễn thông - Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đang nghiên cứu các ứng dụng của màng công nghệ như cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc Đơn vị này cũng ứng dụng cảm biến MEMS trong việc điều khiển robot từ xa và thiết kế các robot tự cân bằng, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ.

Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử có chức năng chuyển đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu điện Thiết bị này thường được sử dụng để đo áp suất hoặc trong các ứng dụng liên quan đến áp suất.

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất hoạt động tương tự như các loại cảm biến khác, cần có nguồn tác động như áp suất hoặc nhiệt độ để đo Khi nguồn tác động này ảnh hưởng đến cảm biến, nó sẽ gửi giá trị về vi xử lý Vi xử lý sau đó xử lý tín hiệu và truyền đạt kết quả ra ngoài.

XỬ LÝ NGÕ RA ÁP SUẤT CẢM BIẾN

Hình 2.1 Sơ đồ khối cảm biến áp suất

- Áp suất: nguồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng,…

Cảm biến là thiết bị nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tải thông tin về khối xử lý Tùy thuộc vào loại cảm biến, tín hiệu áp suất có thể được chuyển đổi thành các dạng tín hiệu khác nhau như điện trở, điện dung, điện cảm hoặc dòng điện trước khi đến khối xử lý.

Khối xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc nhận tín hiệu từ khối cảm biến, thực hiện các xử lý cần thiết để chuyển đổi chúng thành tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo áp suất Một trong những tín hiệu đầu ra phổ biến nhất là điện áp 4 ~ 20 mA, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp.

Có nhiều loại cảm biến với cách thức hoạt động khác nhau, bao gồm cảm biến biến dạng vật liệu, cảm biến thay đổi điện dung và cảm biến sử dụng vật liệu áp điện Hai dạng phổ biến nhất là cảm biến áp điện trở và cảm biến điện dung.

 Cảm biến áp suất kiểu tụ

Loại cảm biến áp suất này hoạt động dựa trên nguyên lý điện dung, trong đó giá trị điện dung được sử dụng để xác định áp suất Điện dung của tụ thay đổi khi khoảng cách giữa các cực của tụ được điều chỉnh.

Khi áp suất tác động lên lớp màng, nó sẽ gây biến dạng, làm cho các bản cực di chuyển lại gần nhau hoặc xa nhau, dẫn đến sự thay đổi giá trị của tụ điện Dựa vào sự thay đổi điện dung, hệ thống xử lý có thể xác định được áp suất cần đo.

 Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở

Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng của cấu trúc màng khi chịu áp suất, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua các phần tử áp điện trở được gắn trên bề mặt.

Hình 2.2 Cảm biến áp suất [4]

Khi lớp màng bị biến dạng và uốn cong, giá trị của các áp điện trở sẽ thay đổi Độ nhạy và tầm đo của cảm biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước, cấu trúc và vị trí của các áp điện trở trên màng.

Hình 2.3 Cấu tạo cảm biến kiểu áp trở [4]

Màng cảm biến rất nhạy với áp suất, với bốn điện trở được bố trí tại bốn trung điểm của các cạnh màng Hai cặp điện trở song song và hai cặp vuông góc với màng giúp phát hiện biến dạng theo hai chiều trái ngược nhau Từ đó, bốn điện trở này kết hợp tạo thành cầu Wheatstone.

Khi không có áp suất tác động, điện áp ngõ ra của các điện trở ở trạng thái cân bằng là 0 Khi áp suất tác động làm biến dạng màng mỏng, giá trị điện trở thay đổi: điện trở song song với cạnh màng giảm trong khi điện trở vuông góc với cạnh màng tăng, dẫn đến điện áp ngõ ra khác 0 Sự thay đổi này phụ thuộc vào độ biến dạng của màng, cho phép tính toán áp suất cần đo thông qua việc kiểm tra điện áp ngõ ra.

Vi cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong các thiết bị cung cấp năng lượng như thủy lực, nhiệt và hạt nhân, nơi việc đo và theo dõi áp suất liên tục là rất quan trọng Việc vượt ngưỡng áp suất có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với cơ sở vật chất và tính mạng con người, do đó, cảm biến áp suất đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống Ngoài ra, trong lĩnh vực y tế, cảm biến MEMS cũng được sử dụng để đo huyết áp, nhịp tim và nồng độ máu từ xa.

 Áp suất và đơn vị đo

Khi một chất lỏng hoặc khí được chứa trong bình, chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử sẽ tạo ra lực tác dụng lên thành bình Áp suất được định nghĩa là tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích và được tính theo công thức cụ thể.

Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng (F) trên một diện tích bề mặt (S) Đơn vị của lực là Newton (N) và diện tích là mét vuông (m²) Trong hệ SI, áp suất được đo bằng N/m², tương đương với đơn vị pascal (Pa) Cụ thể, 1 pascal là áp suất do lực 1 Newton tác động lên bề mặt phẳng có diện tích 1m².

Áp suất được định nghĩa là 1Pa = 1N/1m², trong đó 1Pa là một giá trị khá nhỏ Trong ngành công nghiệp, đơn vị áp suất phổ biến hơn là bar, tương đương với 1 bar = 10^5 Pa Ngoài ra, trong lĩnh vực y tế, mmHg hay torr cũng là những đơn vị đo áp suất thường được sử dụng Bảng 1 cung cấp mối quan hệ tương đối giữa các đơn vị đo áp suất phổ biến.

Bảng 2.1 Quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất Đơn vị đo áp suất

Pascal (Pa) Bar(B) g/cm 2 Atmosphe mmHg Mbar

 Nguyên lý và các phương pháp đo áp suất Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh Pt:

Đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác động lên một diện tích trong bình Đối với chất lưu không chuyển động trong ống hở thẳng đứng, áp suất tĩnh tại điểm M cách bề mặt tự do một khoảng h được xác định theo công thức cụ thể.

Trong đó: P0 - Áp suất khí quyển

- Khối lượng riêng chất lưu g - Gia tốc trọng trường Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các phương pháp sau:

- Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp

- Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên

Cảm biến áp suất được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu áp suất đầu vào thành tín hiệu điện đầu ra, cung cấp thông tin về giá trị áp suất cần đo và sự biến đổi của nó theo thời gian.

Để đo áp suất qua một lỗ nhỏ, cần sử dụng cảm biến gần sát thành bình Độ chính xác của phép đo sẽ cao khi thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến không đáng kể so với tổng thể tích chất lưu cần đo.

Trong quá trình đo trực tiếp, các cảm biến ứng suất được gắn lên thành bình nhằm đo đạc biến dạng của nó, và biến dạng này phụ thuộc vào áp suất.

Khi đo áp suất bằng cảm biến, vật trung gian thường là các phần tử đo lực với thông số hình học có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F = P.S Màng (diaphragm) là một tấm mỏng, thường làm từ chất bán dẫn, có khả năng biến dạng khi có áp suất tác động Khi áp suất bên ngoài tác động lên màng, độ biến dạng của nó phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa áp suất cần đo và áp suất chuẩn, cũng như độ lớn của áp suất tác động.

Cảm biến áp suất có một số kiểu cấu trúc sau:

- Cảm biến áp suất tuyệt đối

- Cảm biến áp suất tương đối

- Cảm biến áp suất vi sai

Cả ba loại cảm biến áp suất đều hoạt động dựa trên nguyên lý so sánh áp suất cần đo với một áp suất chuẩn đã biết Cảm biến áp suất tuyệt đối so sánh với áp suất chân không, trong khi cảm biến áp suất tương đối so sánh với áp suất khí quyển Để chuyển đổi độ biến dạng của màng thành tín hiệu điện, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung, hiệu ứng áp điện, dao động cơ điện, phương pháp quang điện, và phương pháp transistor áp điện.

Trong công nghệ MEMS, hai phương pháp phổ biến là cảm biến kiểu tụ điện và cảm biến kiểu áp trở Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu được xác định bởi tổng áp suất tĩnh và áp suất động.

Áp suất tĩnh là áp suất xuất hiện khi chất lỏng đứng yên, được đo bằng các phương pháp đã nêu Trong khi đó, áp suất động phát sinh từ sự chuyển động của chất lưu và tỷ lệ với bình phương vận tốc của chất lưu đó.

Trong đó,  là khối lượng riêng chất lưu

Khi dòng chảy va đập vuông góc với mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, tạo ra áp suất tổng tác dụng lên mặt phẳng Để đo áp suất động, người ta thường thực hiện đo chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh (P - Pt) thông qua hai cảm biến gắn vào đầu ra của ống Pitot, trong đó cảm biến thứ nhất đo áp suất tổng và cảm biến thứ hai đo áp suất tĩnh.

Hình 2.4 Đo áp suất động bằng ống Pitot

Áp suất động có thể được đo bằng cách áp dụng áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặt sau của màng đo Tín hiệu từ cảm biến sẽ phản ánh chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.

Hình 2.5 Đo áp suất động bằng màng

1) Màng đo 2) Phần tử áp điện

2.3.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ

Cảm biến kiểu tụ hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung của tụ thông qua sự tác động lên các thông số ảnh hưởng đến điện trường giữa hai bản cực Một trong hai bản tụ được kết nối với vật trung gian chịu tác động của áp suất cần đo Khi vật trung gian là màng mỏng, điện dung của tụ sẽ biến đổi theo sự dịch chuyển của tâm màng khi áp suất tác động lên nó.

Sơ đồ vi cảm biến áp suất kiểu điện dung:

Hình 2.6 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung

1) Bản cực động 2, 3) Bản cực tĩnh 4) Cách điện 5) Dầu Silicon

Kết luận chương

Chương này giới thiệu về cảm biến áp suất và công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), bao gồm lịch sử phát triển và tình hình công nghệ MEMS tại Việt Nam Bên cạnh đó, bài viết cũng đề cập đến quy trình chế tạo MEMS, các ứng dụng đa dạng của cảm biến MEMS và tầm quan trọng của chúng trong nhiều lĩnh vực Cuối cùng, chương này sẽ giải thích khái niệm và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất.

PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG