Mô phỏng, phân tích ảnh hưởng của vật liệu chế tạo lên độ nhạy của cảm biến áp suất điện dung

GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN

Giới thiệu chương

Chương 1 sẽ tiến hành giới thiệu những kiến thức cơ bản như khái niệm, cách phân loại, đường cong chuẩn của cảm biến và các đặc trưng cơ bản của của cảm biến Ngoài ra chương này chỉ ra các loại cảm biến khác nhau với những đặc điểm, ứng dụng của nó.

Giới thiệu chung

Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý và phi điện thành tín hiệu điện để đo và xử lý.

Các đại lượng cần đo như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng và độ ẩm thường không có tính chất điện Tuy nhiên, chúng tác động lên cảm biến để tạo ra một đặc trưng điện như điện tích, điện áp, dòng điện và trở kháng Những đặc trưng này chứa đựng thông tin cần thiết để xác định giá trị của đại lượng đo Mối quan hệ giữa đặc trưng và đại lượng cần đo được biểu diễn bằng hàm số: s = f(m).

Trong công thức (1.1), s đại diện cho đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến, trong khi x là đầu vào hay kích thích, được xác định từ đại lượng cần đo Qua quá trình đo đạc (s), chúng ta có thể nhận biết giá trị của kích thích (m).

Có nhiều loại cảm biến được phát triển và ứng dụng trong thực tế, và chúng ta có thể phân loại cảm biến dựa trên các đặc trưng cơ bản như: loại cảm biến, nguyên lý hoạt động, và lĩnh vực ứng dụng.

 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

1.2.3 Đường cong chuẩn của cảm biến Đường cong chuẩn của 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)

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

Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm biến

 Các 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 chuẩn cảm biến, cần có một loạt giá trị 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 đại lượng đo chỉ chịu tác động của một đại lượng vật lý duy nhất và cảm biến không nhạy với các yếu tố ảnh hưởng khác, phương pháp chuẩn đơn giản là lựa chọn phù hợp Phương pháp này bao gồm việc đo các giá trị đầu ra tương ứng với các giá trị đầu vào cố định của đại lượng đo Việc chuẩn có thể thực hiện theo hai cách, trong đó chuẩn trực tiếp sử dụng các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao.

Chuẩn gián tiếp là phương pháp 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 sẽ nhận được giá trị tương ứng của cả cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn Việc lặp lại quá trình này với các giá trị khác của đại lượng đo sẽ giúp xây dựng đường cong chuẩn cho cảm biến cần chuẩn.

Khi cảm biến có độ trễ, giá trị đo được không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời mà còn vào giá trị trước đó của đại lượng cần đo Để xử lý tình huống này, cần áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần để đảm bảo độ chính xác trong kết quả đo.

+ Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lƣợng cần đo và đại lƣợng đầu ra có giá trị tương uwgns với điểm gốc m = 0 và s = 0

+ Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá tị 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 tri cực đại

Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần

1.2.4 Các đặc trƣng cơ bản a Độ nhạy của cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự liên hệ tuyến tính: Δs = S.Δm (1.2) Đại lƣợng S xác định bởi biểu thức đƣợc gọi là độ nhạy của cảm biến

Độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm của đại lượng đo tại giá trị mi.

Để đảm bảo độ chính xác cao trong phép đo, việc thiết kế và sử dụng cảm biến cần chú ý đến việc giữ cho độ nhạy S của nó ổn định, tức là giảm thiểu sự phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài.

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

Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý khác trong môi trường xung quanh không phải là đại lượng đo có thể tác động đến hiệu suất của cảm biến Thông thường, nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S của cảm biến dựa trên các điều kiện làm việc nhất định.

Độ nhạy và tỷ số chuyển đổi tĩnh của cảm biến được xác định thông qua đường chuẩn cảm biến, dựa trên việc đo các giá trị đầu ra s i tương ứng với các giá trị không đổi m i của đại lượng đo Khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định, nó được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến Mỗi điểm Qi(m i ,s i ) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến trong chế độ tĩnh.

Nguyên lý chế tạo và đo cảm biến

1.3.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến

- Với các cảm biến tích cực

Cảm biến tích cực hoạt động như một máy phát, chuyển đổi các dạng năng lượng như nhiệt, cơ, bức xạ thành điện tích, điện áp hoặc dòng điện Chúng được chế tạo dựa trên các hiệu ứng vật lý, cho phép biến đổi năng lượng từ môi trường xung quanh thành năng lượng điện Các loại cảm biến này có thể được phân loại theo các hiệu ứng vật lý mà chúng sử dụng.

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

Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

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

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

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

Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện

Vật liệu áp điện, như thạch anh, khi bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học, sẽ tạo ra điện tích trái dấu trên các mặt đối diện Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện, và từ việc đo điện áp, ta có thể xác định cường độ của lực tác dụng.

Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện

- Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

Khi dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, suất điện động xuất hiện 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, khung dây trong từ trường có từ thông biến thiên cũng tạo ra suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật bằng cách đo suất điện động cảm ứng.

Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ

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 bị chiếu sáng bằng 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, còn được gọi là hiệu ứng quang điện ngoài, là hiện tượng mà các electron được giải phóng và thoát ra khỏi bề mặt vật liệu, tạo thành dòng điện có thể thu lại nhờ tác động 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 mỏng vật liệu bán dẫn có dòng điện I chạy qua được đặt trong 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 nhất định.

Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall

Hệ số KH phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu Hiệu ứng Hall được sử dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động, liên kết cơ học với thanh nam châm Vị trí của thanh nam châm xác định giá trị từ trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng Do đó, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.

- Với các cảm biến thụ động:

Cảm biến thụ động được chế tạo từ một trở kháng nhạy với các đại lượng 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 một 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 Đối với cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng dưới tác động của lực sẽ làm thay đổi trở kháng, điều này liên quan trực tiếp đến đại lượng cần đo Do đó, việc xác định trở kháng giúp chúng ta nhận biết 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, ánh sáng, áp suất, và độ ẩm Để chế tạo cảm biến hiệu quả, cần chọn vật liệu sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một đại lượng vật lý cụ thể, trong khi ảnh hưởng của các yếu tố khác là không đáng kể Điều này cho phép thiết lập mối quan hệ đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến.

Bảng 1.1 giới thiệu các đại lượng cần đo, có khả năng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu trong chế tạo cảm biến Các đại lượng này bao gồm những đặc trưng nhạy cảm và loại vật liệu sử dụng, đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và độ chính xác của cảm biến.

Nhiệt độ ρ Kim loại (Pt, Ni, Cu) Bán dẫn

Bức xạ ánh sáng ρ Bán dẫn

Biến dạng ρTừ thẩm (μ) Hợp kim Ni, Si pha tạp

Vị trí (nam châm) ρ Vật liệu từ điện trở:Bi,

Các loại cảm biến thông dụng

 Giới thiệu các loại cảm biến thông dụng

Hiện nay, nhiều loại cảm biến đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, giúp giải quyết nhiều vấn đề trong cuộc sống, mang lại sự thuận tiện và dễ dàng hơn Một số cảm biến tiêu biểu bao gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, từ trường, điện dung, khoảng cách, mức, thay thế, vận tốc, gia tốc, lực, trạng thái căng, xúc giác, áp suất, dòng chảy, hóa học, tiệm cận và cảm biến thông minh.

Hình 1.10 Phototransistor trong chế độ chuyển mạch Bảng 1.2 Liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản Đại lƣợng đo Đơn vị thị giác Đơn vị năng lƣợng

Luồng (thông lƣợng) lumen(lm) oat(W)

Cường độ cadela (cd) được đo bằng watt trên steradian (W/sr), trong khi độ chói cadela trên mét vuông (cd/m²) được tính bằng watt trên steradian mét vuông (W/sr.m²) Độ rọi, hay lumen trên mét vuông (lx), tương ứng với watt trên mét vuông (W/m²) Các đại lượng đo này liên quan đến đơn vị thị giác và đơn vị năng lượng.

Năng lƣợng lumen.s (lm.s) jun (j)

Cảm biến quang bao gồm cảm biến quang dẫn và cảm biến quang điện phát xạ Cảm biến quang dẫn, như photodiot và phototransistor, hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào Trong khi đó, cảm biến quang điện phát xạ, bao gồm 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 bề mặt tế bào, giải phóng điện tử và tạo thành dòng điện.

Nhiệt độ được đo gián tiếp thông qua sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ, và 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 này hoạt động theo nguyên lý riêng nhưng đều tuân theo các thang đo nhiệt độ như Kelvin, Celsius và Fahrenheit.

Bảng 1.3 Cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau

Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( o C) Fahrenheit

Hỗn hợp nước - nước đá 273,15 0 32

Cân bằng nước- nước đá- hơi 273,16 0,01 32,018

1.4.3 Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Xác định vị trí và dịch chuyển là yếu tố then chốt trong kỹ thuật, hiện nay có hai phương pháp chính sử dụng cảm biến để thực hiện việc này.

Hình 1.11 Mạch đo thường dùng với cảm biến tụ điện

Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu dựa vào vị trí của một trong các phần tử cảm biến, phần tử này liên quan trực tiếp đến vật cần xác định sự dịch chuyển.

Cảm biến phát ra xung tương ứng với một dịch chuyển cơ bản, và việc xác định vị trí cùng với dịch chuyển được thực hiện thông qua việc đếm số xung phát ra.

Một số cảm biến có khả năng đo vị trí hoặc dịch chuyển mà không cần liên kết cơ học với vật thể Thay vào đó, chúng sử dụng các yếu tố trung gian như điện trường, từ trường, điện từ trường hoặc ánh sáng để thực hiện mối liên hệ giữa vật cần đo và cảm biến.

1.4.4 Cảm biến đo biến dạng

Ứng lực tác động lên kết cấu gây ra biến dạng, và mối quan hệ giữa biến dạng và ứng lực là rất chặt chẽ Bằng cách đo biến dạng, chúng ta có thể xác định được ứng lực Để thực hiện việc đo này, người ta sử dụng cảm biến biến dạng, bao gồm đầu đo điện trở và đầu đo dạng dây rung Đầu đo điện trở được làm từ vật liệu có điện trở thay đổi theo mức độ biến dạng, có kích thước nhỏ và được dán trực tiếp lên cấu trúc Trong khi đó, đầu đo dây rung sử dụng một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm, với tần số thay đổi theo sức căng cơ học Các 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 1.12 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại a, Đầu đo dùng dây quấn;b) Đầu đo dùng lưới màng

+ Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo

Biến dạng dƣ là hiện tượng tồn tại ngay cả khi ứng lực đã mất Cảm biến được gắn trên đế cách điện mỏng, có độ dày khoảng 0,1mm từ giấy hoặc 0,03mm từ chất dẻo như polyimide và epoxy Vật liệu làm điện trở thường là hợp kim Ni.

Bảng 1.4 Thành phần và hệ số đầu đo của các loại hợp kim

Hợp kim Thành phần Hệ số đầu đo K

Isoelastic 52%Fe,36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo) 3,5

Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1

Cảm biến đo lực hoạt động dựa trên nguyên tắc cân bằng giữa lực cần đo và một lực đối kháng, đảm bảo tổng lực và tổng moment bằng 0 Trong các cảm biến này, một vật trung gian sẽ chịu tác động của lực cần đo và xảy ra biến dạng.

Bảng 1.5 Đặc trƣng vật lý của một số vật liệu áp điện

Vật liệu Độthẩm thấu Điệntrởsuất (Ω.m)

ModunYoung (109N.m-2) Ứng lực cực đại (107N.m-

Nhiệt độ làm việc Tmax (oC)

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 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 giảo, cảm biến đo dịch chuyển và cảm biến xúc giác.

1.4.6 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 phàn 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 của một khối lượng trong chuyển động với tần số thấp và gia tốc nhỏ là rất quan trọng Các cảm biến gia tốc thường được sử dụng bao gồm cảm biến đo dịch chuyển và cảm biến đo biến dạng, giúp theo dõi và phân tích chuyển động một cách chính xác.

Đo gia tốc rung của các cấu trúc cứng hoặc có khối lượng lớn với tần số rung lên đến hàng trăm Hz là rất quan trọng Các cảm biến gia tốc thường được sử dụng bao gồm cảm biến từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kim loại và cảm biến áp điện trở.

Kết luận chương

Chương này cung cấp cái nhìn rõ ràng về cảm biến, bao gồm nguyên tắc chế tạo và đo lường Mỗi loại cảm biến có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động riêng, được ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực cuộc sống Để hiểu rõ hơn về công nghệ cảm biến, đặc biệt là cảm biến áp suất, chương tiếp theo sẽ được giới thiệu.

CẢM BIẾN ÁP SUẤT

Giới thiệu chương

Chương 2 giới thiệu tổng quan về công nghệ vi cơ điện tử MEMS, như cách chế tạo các sản phẩm MEMS và ứng dụng của nó trong các loại cảm biến Ngoài ra chương này còn nêu rõ về nguyên tắc hoạt động, ứng dụng của cảm biến áp suất Giới thiệu 2 loại vi cảm biến áp suất đó là vi cảm biến áp suất kiểu áp trở và vi cảm biến áp suất kiểu tụ điện.

Công nghệ vi cơ điện tử MEMS

2.2.1 Tổng quan về MEMS (Micro ElectroMechanical Systems)

Vào thế kỷ XX, sự phát triển của các thiết bị điện tử đã chứng kiến sự tích hợp ngày càng lớn, kích thước nhỏ gọn hơn và chức năng tiên tiến hơn Điều này đã tạo ra những biến đổi sâu sắc về công nghệ và ảnh hưởng mạnh mẽ đến xã hội.

Vào giữa thế kỷ XX, một cuộc cách mạng công nghệ vi mô đã diễn ra, mở ra tương lai tươi sáng cho mọi ngành công nghiệp Trong thời kỳ này, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) đã được ra đời và phát triển mạnh mẽ.

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 thường được làm từ silic và hoạt động như một hệ thống vi cơ có khả năng kết hợp các phần cơ chuyển động với các yếu tố sinh học, hóa học, quang học hoặc điện Nhờ vào khả năng đáp ứng với nhiều loại lối vào như hóa chất, ánh sáng, áp suất, rung động, vận tốc và gia tốc, MEMS cho phép tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé và tinh vi.

2.2.2 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS

Sản phẩm MEMS kết hợp vi mạch điện tử với linh kiện vi cơ, được chế tạo trên phiến silic Xu hướng hiện nay là tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu silic để phát triển các linh kiện vi cơ thông qua các kỹ thuật tương tự như kỹ thuật chế tạo mạch vi điện tử, đặc biệt là kỹ thuật khắc hình.

Các linh kiện vi cơ không chỉ nằm trên mặt phẳng như các linh kiện của mạch vi điện tử, mà còn thực hiện nhiều thao tác như dịch chuyển, rung, quay và đẩy kéo Vì vậy, chúng có thể tách ra hoàn toàn khỏi mặt phẳng Các chi tiết vi cơ cần được chế tạo từ vật liệu phù hợp, chẳng hạn như lò xo cần tính đàn hồi, chi tiết cứng, mềm dẻo, hoặc có khả năng phản xạ ánh sáng tốt Silic là nền tảng lý tưởng để sản xuất các vật liệu này, như oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly-Si) dẫn điện, và nitrit silic (Si3N4) vừa cứng vừa đàn hồi Thêm vào đó, các phương pháp bay hơi và phán xạ có thể được áp dụng để tạo ra các lớp vật liệu đặc biệt trên bề mặt silic, như lớp kim loại phản xạ và lớp áp điện, sau đó khắc hình để tạo ra các chi tiết cần thiết cho ứng dụng trong công nghệ MEMS.

+ Gia công vi cơ khối

Gia công vi cơ khối là quá trình loại bỏ một phần thể tích của phiến vật liệu để tạo ra các chi tiết vi cơ thông qua các phương pháp hóa học và lý học, như ăn mòn Có hai phương pháp gia công phổ biến: ăn mòn ướt, thường áp dụng cho silic và thạch anh, sử dụng dung dịch hóa chất như axit HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH để ăn mòn theo diện tích được xác định bởi mặt nạ Quá trình này có thể là đẳng hướng hoặc dị hướng Phương pháp thứ hai là ăn mòn khô, diễn ra khi khí hoặc hơi hóa chất tác dụng ở nhiệt độ cao, với hình dạng và diện tích hố ăn mòn cũng được xác định bởi mặt nạ Để tăng tốc độ ăn mòn, có thể sử dụng sóng điện từ hoặc điện thế để kích thích phản ứng.

+ Gia công vi cơ bề mặt

Để tạo ra một dầm đa tinh thể silic trên phiến silic với một đầu cố định và một đầu tự do, có thể thực hiện theo các giai đoạn cụ thể.

- Tạo ra lớp oxyt silic trên phiến silic

- Dùng mặt nạ 1 khoét (theo cách khắc hình) diện tích để sau này gắn vào đấy đầu cố định của dầm

- Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ 2 để khắc hình khoét đi lớp silic đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm

Để tạo ra dầm đa tinh thể, ta nhúng toàn bộ vào một loại axit nhằm hoà tan hoàn toàn SiO2 mà không làm tan silic, với một đầu bám vào phiến silic và một đầu tự do.

Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp như ống dẫn và bể ngầm, có thể thực hiện gia công trên hai phiến và hàn chúng lại với nhau Quá trình này bao gồm việc tạo một cái hố trên bề mặt phiến bằng cách ăn mòn thông thường, sau đó hàn một phiến khác lên trên để đậy hố Mặc dù được gọi là hàn, thực chất là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc sử dụng một lớp lót để tăng cường sự kết dính.

+ Gia công bằng tia laze

Tia laze có thể được sử dụng để tạo ra các chi tiết vi cơ theo phương pháp khoét lần lượt và điều khiển trực tiếp Tuy nhiên, phương pháp gia công này diễn ra chậm và không thể gia công đồng loạt Do đó, trong công nghệ MEMS, laze thường chỉ được sử dụng để làm khuôn Laze eximơ mới đủ mạnh được áp dụng, và vật liệu thường sử dụng cho gia công là chất dẻo, polymer.

LIGA là kỹ thuật khắc hình ba chiều, được phát triển từ các chữ cái đầu của cụm từ tiếng Đức "Lithgraphie Galvanofruning und Abformung", nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn Kỹ thuật này sử dụng chùm tia X mạnh để tác động sâu vào chất cảm acrylic (PMMA) đến hàng milimet, cho phép tạo ra các hình khắc thực sự ba chiều Tia X chiếu vào những khu vực nhất định của lớp chất cảm, làm tan chảy các phần bị chiếu sáng, tạo ra các cấu trúc vi cơ phức tạp Công nghệ LIGA đã cho phép phát triển các bộ cảm biến và chấp hành siêu nhỏ, thay thế cho các thiết bị cồng kềnh trước đây Mặc dù vậy, công nghệ MEMS vẫn đang trong giai đoạn đầu và cần nhiều nghiên cứu sâu hơn để hoàn thiện.

2.2.3 Ứng dụng của cảm biến MEMS

MEMS, mặc dù mới xuất hiện, đã nhanh chóng có nhiều ứng dụng quan trọng trong việc đo lường các thông số áp suất, góp phần đáng kể vào sự phát triển của đời sống xã hội.

Các ứng dụng phổ cập:

Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS trong các ngành công nghiệp có thể tóm tắt nhƣ sau:

Cảm biến áp suất đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu và thực hiện các chức năng đo đạc khác trong ôtô, cũng như trong thiết bị đo huyết áp và nhiều ứng dụng dân dụng khác.

Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ôtô, thiết bị định hướng cho tên lửa và các phương tiện vận tải

Qua đó có thể giảm tải đƣợc các vụ tai nạn giao thông khi bị tai nạn thì túi khí sẽ bung ra để bảo vệ lái xe

Các màn hình độ phân giải cao sử dụng vi gương cho thiết bị điện tử, trong khi hàng triệu chip phun mực được sản xuất hàng năm phục vụ cho máy in laser đen trắng và màu.

Các sensor hoá học: Cho các mục đích y tế và y sinh học

Chuyển mạch quang sợi cung cấp dịch vụ Internet, truyền hình và thông tin giải trí qua cáp quang Vi van là hệ sắc kế khí siêu nhỏ sử dụng dãy vi van Chuyển mạch điện cơ sử dụng vi rơ le cho các ứng dụng một chiều, xoay chiều và vô tuyến.

Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là thiết bị đo áp suất và chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện Các nguồn áp suất cần kiểm tra bao gồm áp suất hơi, chất lỏng và khí Màng cảm biến là bộ phận quan trọng nhất, nơi áp suất tác động trực tiếp, sau đó tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra kết quả.

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

Cảm biến kiểu tụ hoạt động dựa trên nguyên lý điện dung để xác định áp suất, trong đó điện dung thay đổi do khoảng cách giữa các cực của tụ biến đổi Cảm biến áp suất điện dung sử dụng sự biến dạng của lớp màng, tạo ra lực tác động làm các bản cực di chuyển gần nhau hoặc xa nhau, dẫn đến thay đổi giá trị điện dung Sự thay đổi này được chuyển đến hệ thống xử lý, cho phép xác định áp suất cần đo.

2.3.3 Ứng dụng của cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là thiết bị quan trọng trong hệ thống lò hơi, thường được lắp đặt trực tiếp trên lò để đo áp suất Khu vực này yêu cầu độ chính xác cao và khả năng chịu nhiệt tốt.

- Các máy nên khí cũng cần phải đo áp suất để giới hạn áp suất đầu ra, tránh trường hợp quá áp dẩn đến hư hỏng và cháy nổ

- Trên các trạm bơm nước cũng cần cảm biến áp suất để giám sát áp suất đưa về PLC hoặc biến tần để điều khiển bơm nước

Cảm biến áp suất đóng vai trò quan trọng trong việc điều áp và kiểm soát áp suất sau van điều khiển, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất đầu ra.

Trên xe cẩu, việc giám sát các ben thủy lực là rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến lực kéo Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, các cảm biến áp suất thường được lắp đặt nhằm theo dõi áp suất trên các ben thủy lực này.

- Các tank chứa nước hoặc nguyên vật liệu thường dùng cảm biến áp suất để đo mức các tank này.

Vi cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là thiết bị quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong các lĩnh vực cung cấp năng lượng như thủy lực, nhiệt và hạt nhân, nơi việc theo dõi áp suất liên tục là cần thiết để đảm bảo an toàn cho cơ sở vật chất và tính mạng con người Ngoài ra, trong y tế, cảm biến MEMS cũng được sử dụng để đo huyết áp, nhịp tim và nồng độ máu từ xa, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

- Khái niệm về áp suất

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 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 trên một diện tích bề mặt nhất định, với đơn vị lực là Newton (N) và diện tích là mét vuông (m²) Trong hệ SI, đơn vị của áp suất là Newton trên mét vuông (N/m²).

Trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị áp suất được xác định là pascal (Pa), trong đó 1 Pa tương ứng với áp suất do lực 1N tác động đều trên diện tích 1m² theo phương pháp tuyến Do đơn vị Pa có giá trị nhỏ, trong ngành công nghiệp, áp suất thường được đo bằng bar, với 1 bar tương đương 10^5 Pa, cùng với một số đơn vị khác.

Bảng 2.1 Trình bày các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng Đơn vị áp suất pascal(Pa) bar(b) kg/ Atmotsphe

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

Trong đó: p 0 - áp suất khí quyển ρ - 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 lỏng được thực hiện qua lỗ khoan trên thành bình bằng cảm biến thích hợp, cho phép đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây ra.

Trong phương pháp đo đầu tiên, cảm biến được đặt gần thành bình để đo áp suất, với áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thủy tĩnh từ cột chất lỏng Khi sử dụng vật trung gian, cảm biến thường được trang bị bộ chuyển đổi điện, và để giảm sai số, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến cần phải nhỏ so với tổng thể tích chất lưu Trong phương pháp đo thứ hai, cảm biến đo ứng suất được gắn lên thành bình để theo dõi biến dạng, mà biến dạng này phụ thuộc vào áp suất Đối với chất lưu chuyển động, áp suất tổng (p) bao gồm áp suất tĩnh (pt) và áp suất động (pđ).

Áp suất tĩnh là áp suất xuất hiện khi chất lỏng không chuyển động, được đo bằng các phương pháp đã đề cập Ngược lại, áp suất động phát sinh từ sự chuyển động của chất lỏng và tỉ lệ với bình phương vận tốc của nó.

Trong đó ρ 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 sử dụng hai cảm biến kết nối với ống Pitot, trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng và cảm biến (2) đo áp suất tĩnh, từ đó tính toán chênh lệch giữa hai loại áp suất này.

Hình 2.1 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, từ đó tín hiệu cảm biến sẽ phản ánh sự chênh lệch giữa hai loại áp suất này.

Hình 2.2 Đo áp suất động bằng màng

1) Màng đo 2) Phần tử áp điện

2.4.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ

Cảm biến kiểu tụ hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản, trong đó điện dung của tụ được điều chỉnh bằng cách tác động lên các thông số ảnh hưởng đến điện trường giữa hai bản cực dẫn.

Một trong hai bản tụ điện được kết nối cơ học với một vật trung gian chịu 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 do tác động của áp suất.

Trong chế tạo cảm biến áp suất, hiệu ứng áp trở là công nghệ phổ biến nhất Nguyên lý hoạt động và phương pháp chế tạo vi cảm biến áp suất kiểu màng dựa trên hiệu ứng áp điện trở đang được áp dụng rộng rãi.

2.4.2 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở

Dựa trên hiệu ứng áp trở trong vật liệu silicon, nhiều loại vi cảm biến và bộ chấp hành đã được phát triển với các tính năng và ứng dụng đa dạng Nguyên lý hoạt động của các vi cảm biến này dựa vào sự thay đổi độ biến dạng của cấu trúc màng hoặc dầm, được chuyển thành tín hiệu điện nhờ các áp điện trở được cấy trên phần tử nhạy cơ Khi phần tử nhạy cơ bị uốn cong, giá trị của các áp điện trở sẽ thay đổi Độ nhạy và vùng làm việc tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc vào kích thước cấu trúc cơ, hình dạng và kích thước của các áp điện trở, cũng như vị trí của chúng trên phần tử nhạy cơ.

Cảm biến được chế tạo trên đế Silic loại n thông qua phương pháp ăn mòn điện hoá, tạo ra một màng silicon nhạy với tín hiệu áp suất Bốn điện trở được đặt trên màng silicon tại trung điểm của các cạnh hình vuông bằng phương pháp khuếch tán Boron hoặc cấy ion, hình thành cầu Wheatstone Cụ thể, hai điện trở được bố trí song song với cạnh màng, trong khi hai điện trở còn lại được đặt vuông góc với cạnh màng.

Kết luận chương

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về công nghệ MEMS và ứng dụng của nó trong chế tạo cảm biến Nội dung bao gồm các khái niệm cơ bản về cảm biến áp suất, nguyên tắc hoạt động và ứng dụng thực tiễn của chúng Bên cạnh đó, hai loại vi cảm biến áp suất phổ biến được giới thiệu là vi cảm biến kiểu áp trở và vi cảm biến áp suất kiểu tụ điện.

MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA

MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG