Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung mems sử dụng lớp màng hình vuông và hình chữ nhật

GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN

Giới thiệu về cảm biến [1][2]

Cảm biến là thiết bị có khả năng nhận diện và chuyển đổi các đại lượng vật lý cũng như các đại lượng không mang tính điện thành các tín hiệu điện có thể đo lường và xử lý.

Các đại lượng cần đo như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng và độ ẩm thường không mang tính chất điện Tuy nhiên, chúng tác động lên cảm biến để tạo ra một đặc trưng điện, bao gồm điện tích, điện áp, dòng điện và trở kháng, chứa thông tin giúp xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng này được biểu diễn dưới dạng hàm của đại lượng cần đo: s = f(m).

Trong công thức (1.1), đại lượng đầu ra (s) phản ánh phản ứng của cảm biến, trong khi đại lượng đầu vào (m) đại diện cho kích thích cần đo Qua việc đo đạc giá trị của s, chúng ta có thể xác định giá trị của kích thích m.

Cảm biến có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên các đặc trưng phân loại Các đặc trưng này bao gồm nhiều yếu tố khác nhau, giúp xác định chức năng và ứng dụng của từng loại cảm biến.

 Phân loại theo phạm vi sử dụng

 Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến

Bảng 1.1: Phân loại theo tính năng của cảm biến [1]

 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích :

Bảng 1.2: Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích [1] Hiện tƣợng Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

 Phân loại theo dạng kích thích

Bảng 1.3: Phân loại theo dạng kích thích của cảm biến [1] Âm thanh

- Biên pha, phân cực, - Phổ

- Tốc độ truyền sóng Điện

- 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, - Tốc độ truyền

- Hệ số phát xạ, khúc xạ

- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ

- Vận tốc chất lưu, độ nhớt

 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 [2] 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

Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm biến [2] a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị m i chưa biết của m thông qua giá trị đo đƣợc s i của s

Cảm biến thường được thiết kế với sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đầu vào, thể hiện qua phương trình s = F(m) có dạng s = am + b, trong đó a và b là các hệ số Khi đó, đường cong chuẩn sẽ trở thành một đường thẳng, như minh họa trong hình 1.1b.

 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 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 đo giá trị tương ứng s i của s dựa trên một loạt giá trị đã biết chính xác m i của m, từ đó tạo ra đường cong chuẩn.

Hình 1.2Phương pháp chuẩn cảm biến [2]

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 được áp dụng Phương pháp này thực hiện bằng cách đo các giá trị đầu ra tương ứng với các giá cố định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào Việc chuẩn được thực hiện theo hai cách khác nhau.

Chuẩn trực tiếp là phương pháp đo lường mà trong đó các giá trị của đại lượng được xác định từ 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 đường cong chuẩn sẵn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị đo, ta thu được giá trị tương ứng từ cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn Việc lặp lại quy trình này với các giá trị đo khác nhau giúp xây dựng đường cong chuẩn cho cảm biến cần chuẩn.

Khi cảm biến có độ trễ, giá trị đo được ở đầu ra 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, người ta sử dụng phương pháp chuẩn nhiều lần.

- 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 lƣợng đo ở đầu vào

- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại

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

1.1.4 Các đặc trƣng cơ bản của cảm biến [2] 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 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 m i của đại lượng đo.

Để đảm bảo độ chính xác cao trong phép đo, việc thiết kế và sử dụng cảm biến cần chú trọng đến việc giữ cho độ nhạy S của nó ổn định, tức là 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

Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý không phải là đại lượng đo từ môi trường xung quanh 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 cụ thể.

Nguyên lý chế tạo cảm biến [2]

Các 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

1.2.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực

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

Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại thành một mạch điện kín Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn, mạch sẽ xuất hiện một suất điện động, có độ lớn phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2 cũng như bản chất của vật liệu chế tạo cảm biến.

Hình 1.4 Ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện [2]

Tinh thể hoả điện, như tinh thể sulfate triglycine, có khả năng phân cực điện tự phát, với độ phân cực thay đổi theo nhiệt độ Điều này dẫn đến sự xuất hiện của các điện tích trái dấu trên các mặt đối diện của tinh thể Độ lớn điện áp giữa hai mặt của tinh thể hoả điện phụ thuộc vào mức độ phân cực của nó.

Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hoả điện [2]

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 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, khi bị biến dạng do lực cơ học sẽ sinh ra điện tích trái dấu trên các mặt đối diện của chúng, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện Bằng cách đo điện áp (V), ta có thể xác định cường độ lực tác dụng (F).

Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện [2]

 Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi dây dẫn di chuyển 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, tương ứng với tốc độ di chuyển của dây Tương tự, một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng sẽ tạo ra suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây.

Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ [2]

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 nhận 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 và thoát khỏi bề mặt vật liệu, tạo thành dòng điện có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.

 Hiệu ứng quang - điện - từ

Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ [2]

Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu

24 bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng

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

Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu.

Hình 1.9 Ứng dụng của hiệu ứng Hall [2]

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

1.2.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động được chế tạo từ 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 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 về thông số hình học của trở kháng xảy ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng trong cảm biến Mỗi vị trí của phần tử động trong các cảm biến này sẽ tương ứng với một giá trị xác định của trở kháng.

Đo trở kháng là phương pháp quan trọng để xác định vị trí của đối tượng trong cảm biến Khi phần tử biến dạng chịu tác động của lực hoặc các đại lượng gây ra lực, sự biến dạng này dẫn đến sự thay đổi trở kháng của cảm biến Sự thay đổi trở kháng này liên quan trực tiếp đến lực tác động, từ đó cho phép xác định đại lượng cần đo một cách chính xác.

Tính chất điện của cảm biến thay đổi tùy thuộc vào vật liệu chế tạo và các yếu tố tác động như nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, và độ ẩm Để chế tạo cảm biến hiệu quả, cần 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 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.

Trên bảng 1.4 giới thiệu các đại lƣợng cần đo có khả năng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến

Bảng 1.4: Giới thiệu các đại lƣợng cần đo của vật liệu chế tạo cảm biến [2] Đại lƣợng cần đo Đặc trƣng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng

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

Bức xạ ánh sáng ρ Bán dẫn

Biến dạng ρ Từ thẩm (μ) Hợp kim Ni, Si pha tạp Hợp kim sắt từ

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

Mạch đo của cảm biến [1]

Mạch đo là hệ thống thiết bị đo, bao gồm cảm biến, giúp xác định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong điều kiện tối ưu Cảm biến ở đầu vào nhận tác động từ đại lượng cần đo, tạo ra tín hiệu điện chứa thông tin về đại lượng đó Tín hiệu điện này sau khi được xử lý sẽ được chuyển đổi ở đầu ra thành dạng dễ đọc, cho phép người dùng xác định trực tiếp giá trị của đại lượng đo Việc chuẩn hệ đo là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.

26 cho mỗi giá trị của chỉ thị đầu ra tương ứng với một giá trị của đại lượng đo tác động đầu vào của mạch

Mạch đo đơn giản bao gồm cảm biến, bộ biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị Tuy nhiên, trong thực tế, mạch đo thường có nhiều thành phần khác nhau để đáp ứng các yêu cầu đo lường đa dạng Các thành phần này bao gồm mạch tuyến tính hóa tín hiệu từ cảm biến, mạch khử điện dung ký sinh, bộ chuyển đổi nhiều kênh, bộ khuếch đại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ chuyển đổi tương tự - số, bộ vi xử lý và các thiết bị hỗ trợ khác Hình 1.10 minh họa sơ đồ khối của mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ nhiều phần tử.

Hình 1.10: Sơ đồ mạch đo điện thế bề mặt [1]

1) Máy phát chức năng, 2) Cảm biến điện tích, 3) Tiền khuếch đại

4) So pha lọc nhiễu, 5) Khuếch đại, 6) Chuyển đổi tương tự số, 7) Máy tính.

1.3.2 Một số phần tử cơ bản của mạch đo

 Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT)

Bộ khuếch đại thuật toán là một mạch tích hợp với hai đầu vào và một đầu ra chung, hoạt động với dòng một chiều Thiết bị này thường bao gồm hàng trăm tranzito cùng với các điện trở và tụ điện được kết nối chặt chẽ Sơ đồ của bộ khuếch đại thuật toán được thể hiện trong hình 1.12.

Hình 1.11 Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán [1]

Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán:

- Bộ khuếch đại có hai đầu vào: một đầu đảo (-), một đầu không đảo (+)

- Điện trở vào rất lớn

- Điện trở ra rất nhỏ

- Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ, cỡ vài nV

- Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100.000

- Dải tần làm việc rộng

Hệ số suy giảm CMRR (Common Mode Rejection Ratio) là tỷ lệ giữa hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán đối với tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại đó Thông thường, giá trị CMRR đạt khoảng 90 dB.

- Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/μs

 Bộ khuếch đại đo lường IA

Bộ khuếch đại đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra Tín hiệu đầu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp đầu vào:

Điện trở vào vi sai đóng vai trò quan trọng trong việc khử nhiễu và nâng cao điện trở vào của khối đo tín hiệu (KĐTT) Công thức U ra = A(U + - U - ) = A.ΔU cho thấy điện áp trên Ra phải tương ứng với điện áp vi sai đầu vào ΔU, từ đó tạo ra dòng điện.

Sơ đồ bộ khuếch đại đo lường được cấu thành từ ba khối đo lường tín hiệu ghép nối điện trở, trong đó các điện áp đầu ra U1 và U2 cần phải có biên độ bằng nhau nhưng ngược pha.

28 pha Điện áp U 3 của tầng thứ hai biến đổi đầu ra vi sai thành đầu ra đơn cực Hệ số khuếch đại tổng của IA bằng:

Để khử điện áp lệch trong một bộ khuếch đại tín hiệu (KĐTT) lý tưởng, điện áp ra phải bằng không khi hai đầu vào nối mát Tuy nhiên, do các điện áp bên trong, một điện áp nhỏ (điện áp phân cực) cỡ vài mV sẽ xuất hiện ở đầu vào KĐTT Khi mạch hoạt động, điện áp này sẽ được khuếch đại, dẫn đến điện áp đầu ra lớn Để loại bỏ điện áp lệch này, có thể sử dụng sơ đồ điều chỉnh biến trở R như trong hình 1.13.

Hình 1.13 Sơ đồ mạch khử điện áp lệch [1]

Để lặp lại điện áp chính xác, bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) hoạt động ở chế độ không đảo với hệ số khuếch đại bằng 1 được sử dụng, như thể hiện trong sơ đồ hình 1.14.

Hình 1.14 Sơ đồ mạch lặp điện áp [1]

Trong bộ lặp điện áp, cực dương của KĐTT được nối trực tiếp với tín hiệu

Mạch lặp điện áp, với cực âm được nối trực tiếp với đầu ra, tạo ra điện áp phản hồi 100% và hệ số khuếch đại bằng 1 Chức năng chính của mạch này là tăng điện trở đầu vào, nên thường được sử dụng để kết nối giữa hai khâu trong mạch đo.

Cầu Wheatstone là một thiết bị quan trọng trong các mạch đo lường nhiệt độ, lực, áp suất và từ trường Cầu này bao gồm bốn điện trở, trong đó R1, R2, R3 là các điện trở cố định và R4 là điện trở thay đổi Cầu hoạt động như một cầu không cân bằng, dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của nó.

Hình 1.15 Sơ đồ mạch cầu [1]

Trong mạch cầu, điện áp ra có tính phi tuyến, nhưng có thể coi là tuyến tính khi biến đổi nhỏ (Δ < 0,05) Độ nhạy của cầu đạt cực đại khi R1 = R2 và R3 = R4 Ngược lại, khi R1 >> R2 hoặc R2 >> R1, điện áp ra của cầu sẽ giảm Đặt K = R1/R2, độ nhạy của cầu được xác định dựa trên tỷ lệ này.

1.3.3 Dụng cụ và kỹ thuật đo

Tùy từng loại cảm biến mà lựa chọn dụng cụ đo thích hợp

Thông thường cảm biến được kiểm tra đơn giản dựa trên một số đặc tính kỹ thuật trong trạng thái tĩnh

Một số dụng cụ kiểm tra đơn giản bao gồm đồng hồ vạn năng và máy hiện sóng, kết hợp với các nguồn kích thích như ánh sáng, nhiệt độ, áp suất, vận tốc, khoảng cách và trọng lượng.

Việc đo kiểm cảm biến là rất cần thiết để xác định khả năng hoạt động của nó, đảm bảo các thông số kỹ thuật vẫn được duy trì và kiểm tra các cực tính.

Không phải tất cả các cảm biến đều dễ dàng kiểm tra thông số bằng dụng cụ đo Một số loại cảm biến cần được đưa vào mạch kiểm tra để xác định tình trạng hoạt động của chúng.

Các loại cảm biến thông dụng [2]

Các loại cảm biến quang bao gồm cảm biến quang dẫn, cảm biến quang điện phát xạ

Bảng 1.5: Liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản [2] Đại lƣợng đo Đơn vị thị giác Đơn vị năng lƣợng

Luồng (thông lƣợng) lumen(lm) oat(W)

Cường độ cadela (cd) và độ chói cadela (cd/m²) được đo bằng watt trên steradian (W/sr) và watt trên steradian mét vuông (W/sr.m²) Độ rọi lumen trên mét vuông hay lux (lx) cũng được tính bằng watt trên mét vuông (W/m²) Các đại lượng này là những đơn vị quan trọng trong lĩnh vực thị giác và năng lượng.

Năng lƣợng lumen.s (lm.s) jun (j)

Hiệu ứng quang dẫn, hay hiệu ứng quang điện nội, là hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu khi chịu tác động của ánh sáng, dẫn đến sự gia tăng độ dẫn điện của vật liệu.

Trong chất bán dẫn, điện tử gắn liền với hạt nhân và để giải phóng chúng khỏi nguyên tử, cần cung cấp một năng lượng tối thiểu gọi là năng lượng liên kết W lk Khi điện tử được giải phóng, chúng tạo thành các hạt dẫn mới trong vật liệu.

Hạt dẫn được giải phóng khi có ánh sáng chiếu vào phụ thuộc vào tính chất của vật liệu Đối với chất bán dẫn tinh khiết, các hạt dẫn bao gồm cặp điện tử và lỗ trống.

Trong trường hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn được giải phóng có thể là điện tử nếu là pha tạp donor, hoặc là lỗ trống nếu là pha tạp acceptor.

Hạt dẫn được giải phóng khi chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất vật liệu Đối với chất bán dẫn tinh khiết, hạt dẫn là cặp điện tử - lỗ trống Trong trường hợp bán dẫn pha tạp, nếu là pha tạp donor, hạt dẫn sẽ là điện tử, còn nếu là pha tạp acceptor, hạt dẫn sẽ là lỗ trống.

Cảm biến quang dẫn bao gồm photodiot, phototransistor, phototransistor hiệu ứng trường

Trong thực tế, cảm biến quang dẫn được dùng trong hai trường hợp:

Khi bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm đáng kể, cho phép dòng điện chạy qua đủ lớn Dòng điện này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để điều khiển việc đóng mở rơ le.

Thu tín hiệu quang là quá trình sử dụng tế bào quang dẫn để chuyển đổi tín hiệu quang thành xung điện Các xung ánh sáng ngắt quãng được biểu diễn qua xung điện, từ đó có thể xây dựng các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa.

 Cảm biến quang điện phát xạ

Hiệu ứng quang điện phát xạ, hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài, là hiện tượng mà các điện tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu khi bị chiếu sáng bằng bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định Những điện tử này tạo thành dòng điện và có thể được thu lại nhờ tác dụng của điện trường.

Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng vật liệu xẩy ra theo ba giai đoạn:

- Hấp thụ photon và giải phóng điện tử bên trong vật liệu

- Điện tử vừa đƣợc giải phóng di chuyển đến bề mặt

- Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu

Khi một điện tử hấp thụ photon và được giải phóng, nó di chuyển ngẫu nhiên trong khối vật liệu, dẫn đến chỉ một lượng nhỏ hướng tới bề mặt Trong quá trình di chuyển, các điện tử có thể va chạm với nhau và mất đi một phần năng lượng, do đó chỉ một lượng nhỏ điện tử có thể đến được bề mặt Sự phát xạ của các điện tử này chỉ xảy ra khi động năng của chúng đủ để vượt qua hàng rào thế phân cách giữa vật liệu và môi trường.

Với cảm biến quang điện phát xạ thì có tế bào quang điện chân không, tế bào quang điện dạng khí

Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất vật chất, do đó việc đo nhiệt độ là cần thiết trong nghiên cứu khoa học, công nghiệp và cuộc sống hàng ngày Tuy nhiên, xác định chính xác nhiệt độ không phải là điều đơn giản, vì nó chỉ có thể được đo gián tiếp thông qua sự phụ thuộc của các tính chất vật liệu vào nhiệt độ, trong khi nhiều đại lượng vật lý khác có thể được xác định trực tiếp bằng cách so sánh với đại lượng cùng bản chất.

Bảng 1 6: Cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau [2]

Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( o C) Fahrenheit ( o F) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67

Hỗn hợp nước - nước đá 273,15 0 32

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

Các cảm biến đo nhiệt độ đƣợc chia làm hai nhóm:

 Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm:

+ Cảm biến giản nở (nhiệt kế giản nở)

+ Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở)

 Cảm biến không tiếp xúc: hoả kế

1.4.3 Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển

Trong phương pháp đầu tiên, bộ cảm biến tạo ra tín hiệu phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của nó, và phần tử này có mối liên hệ trực tiếp với vật thể cần xác định sự dịch chuyển.

Trong phương pháp thứ hai, cảm biến phát ra một xung tương ứng với mỗi dịch chuyển cơ bản Việc xác định vị trí và 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 trực tiếp với vật cần đo Thay vào đó, chúng sử dụng điện trường, từ trường, điện từ trường hoặc ánh sáng để thiết lập mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến.

Các loại cảm biến đo vị trí và dịch chuyển:

Công tắc giới hạn là thiết bị bao gồm một hoặc nhiều cặp tiếp điểm được điều khiển đóng/mở thông qua tác động cơ học Các cặp tiếp điểm này có thể ở trạng thái thường đóng hoặc thường mở Khi có tín hiệu kích thích từ ngoại lực, trạng thái của các cặp tiếp điểm sẽ thay đổi; cụ thể, nếu đang ở trạng thái thường đóng thì sẽ chuyển sang mở và ngược lại.

Kết luận chương

Chương này đã cung cấp cái nhìn rõ ràng về cảm biến, nguyên tắc chế tạo và đo lường của chúng Mỗi loại cảm biến có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động riêng biệt, phục vụ cho các ứng dụng khác nhau Để hiểu sâu hơn về công nghệ cảm biến, chương tiếp theo sẽ giới thiệu về cảm biến áp suất.

CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ VÀ CẢM BIẾN ÁP SUẤT

Công nghệ vi cơ điện tử MEMS

2.1.1 Tổng quan về công nghệ vi cơ điện tử (Micro Electro Mechanical Systems) [3]

Vào thế kỷ XX, thiết bị điện tử ngày càng được tích hợp nhiều tính năng, kích thước nhỏ gọn và công nghệ tiên tiến, dẫn đến những biến đổi sâu sắc về mặt công nghệ và xã hội.

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

Công nghệ vi cơ, xuất phát từ ngành công nghiệp bán dẫn, đã phát triển mạnh mẽ với các linh kiện MEMS bao gồm vi cấu trúc, vi cảm biến và vi chấp hành tích hợp trên một chip Các linh kiện này thường được làm từ silic và có khả năng kết hợp giữa các phần cơ chuyển động với yếu tố sinh học, hóa học, quang học hoặc điện Nhờ vào thiết kế tinh vi, thiết bị MEMS có thể phản ứng với nhiều loại tín hiệu đầu vào như hóa chất, ánh sáng, áp suất, rung động, vận tốc và gia tốc.

 Sản xuất theo dây chuyền

Các thiết bị MEMS thường được sản xuất hàng loạt, cho phép chế tạo hàng nghìn đến hàng triệu sản phẩm cùng lúc, từ đó giảm thiểu chi phí sản xuất.

MEMS rất lý tưởng cho các ứng dụng rộng rãi và khả thi trong các hệ thống tinh vi được sản xuất hàng loạt, điều mà các công nghệ chế tạo khác không thể thực hiện Sự tương tác giữa nhiều sản phẩm MEMS mở ra những khả năng và cơ hội mới trong nhiều ngành công nghiệp cũng như các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.

Kích thước nhỏ gọn của thiết bị MEMS giúp chúng tương thích với các hệ thống mà các sản phẩm lớn hơn không thể đảm nhiệm Nhờ vào khả năng hoạt động ở quy mô nhỏ, cảm biến MEMS có thể phát hiện những tín hiệu cực nhỏ, trong khi bộ chấp nhận MEMS thực hiện nhiệm vụ với độ chính xác cao, mở ra những ứng dụng hoàn toàn mới.

Thiết bị MEMS hoạt động hiệu quả trên quy mô nhỏ, mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất và tính năng Hệ vi thủy lực có khả năng phân tích lượng chất lỏng rất nhỏ và tiêu tốn ít mẫu Máy vi quét cung cấp độ phân giải và độ tương phản cao hơn, nâng cao chất lượng hiển thị.

Kích thước nhỏ của linh kiện MEMS giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, điều này rất quan trọng trong lĩnh vực điện tử Các chuyển mạch tĩnh điện MEMS chỉ tiêu thụ vài nano oát, mang lại hiệu quả năng lượng cao cho các ứng dụng điện tử.

Thiết bị MEMS mang lại độ tin cậy vượt trội so với thiết bị truyền thống nhờ vào cấu trúc nguyên khối không có mối nối, bi, bạc hay gioăng dễ bị ăn mòn Để nâng cao độ tin cậy, các thiết bị này được đóng kín trong môi trường kiểm soát chặt chẽ, giúp ngăn chặn bụi bẩn và ăn mòn, từ đó loại bỏ nhu cầu về bôi trơn, làm lạnh và bảo trì.

Việc thay thế các thiết bị cồng kềnh bằng công nghệ MEMS không chỉ giúp giảm khối lượng một cách đáng kể mà còn mang lại lợi ích to lớn cho các lĩnh vực điện tử, công nghiệp chế tạo và hàng không.

 Vi hệ thống thông minh

Sự kết hợp đồng vận giữa điện tử tiên tiến và MEMS trên cùng một chip cho thấy tiềm năng vượt trội Hiệu suất của MEMS có thể được cải thiện đáng kể nhờ vào phản hồi và điều khiển điện tử, trong khi các thiết bị điện tử có thể mở rộng chức năng khi kết hợp với MEMS Khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông minh trên một chip, bao gồm hệ thống truyền thông không dây, phòng phân tích hóa học và hệ thống xác định sinh trắc học, hoàn toàn khả thi.

Công nghệ MEMS và Nano đang đóng vai trò quan trọng trong các phát minh mới trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật, bao gồm hệ thống phản ứng chuỗi polyme (PCR) để phân tích và xác định DNA, kính hiển vi quét đầu dò (STMs) và cảm biến sinh học nhằm phát hiện và chọn lọc thuốc chữa bệnh.

Sản phẩm MEMS, nhờ vào các tính năng vượt trội của công nghệ, đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Trong khuôn khổ bài viết này, chúng tôi xin giới thiệu một số ứng dụng tiêu biểu của MEMS.

Công nghệ không dây đang phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về băng thông và tính di động Các ứng dụng không dây ngày càng trở nên phổ biến, từ xe có gắn radar đến thiết bị y sinh cấy ghép trong cơ thể, cho phép truyền dữ liệu ra ngoài Sự phát triển của thị trường thiết bị không dây mở ra cơ hội cho ngành công nghiệp MEMS nano tham gia vào cuộc chơi này.

2.1.2 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS [4]

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

Cảm biến áp suất [4]

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 Việc đo và theo dõi áp suất liên tục là rất quan trọng, vì nếu áp suất vượt ngưỡng cho phép, nó có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với vật chất và tính mạng con người Do đó, cảm biến áp suất đóng vai trò thiết yếu trong đời sống.

Trong y tế cũng có nhiều ứng dụng của cảm biến MEMS nhƣ dùng đo huyết áp, nhịp tim và đo nồng độ máu từ xa

Ngày nay, sự phát triển của công nghệ đã dẫn đến sự ra đời của nhiều loại cảm biến áp suất khác nhau Để đo áp suất, người ta tính toán lực F tác động lên diện tích S của thành bình, nơi phân chia hai môi trường, trong đó một môi trường chứa chất lưu cần đo áp suất Các phương pháp đo áp suất có thể được chia thành ba trường hợp chính.

 Đo áp suất lấy qua một lỗ có diện tích hình tròn đƣợc khoan trên thành bình

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

Cảm biến áp suất 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.

2.2.1 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 thay đổi khi có tác động lên các thông số ảnh hưởng đến điện trường giữa hai bản cực Một bản tụ được kết nối với 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 áp suất tác động.

Hình 2.3 Mô tả một cảm biến áp suất dùng chuyển đổi điện dung [4]

Cảm biến áp suất sử dụng chuyển đổi điện dung, như mô tả trong Hình 2.3, tuy nhiên, hiệu ứng áp trở lại là phương pháp chế tạo phổ biến hơn Bài viết sẽ trình bày nguyên lý hoạt động và phương pháp chế tạo vi cảm biến áp suất kiểu màng dựa trên hiệu ứng áp điện trở.

2.2.2 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở

Dựa trên hiệu ứng áp trở trong 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 là chuyển đổi sự thay đổi độ biến dạng của cấu trúc nhạy cơ thành tín hiệu điện thông qua các áp điện trở được cấy trên phần tử nhạy cơ Khi phần tử này 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 và hình dạng cấu trúc, cũng như vị trí của các áp điện trở trên phần tử nhạy cơ.

Hình 2.4: Cấu trúc cảm biến áp suất kiểu áp trở [4]

Cảm biến áp suất được chế tạo trên đế Silic loại n với bề mặt định hướng {100} thông qua phương pháp ăn mòn điện hoá, tạo ra một màng silicon nhạy cảm với áp suất Bốn điện trở được đặt trên màng silicon, sử dụng phương pháp khuếch tán Boron hoặc cấy ion để hình thành cầu Wheatstone Cụ thể, hai điện trở được đặt song song với cạnh màng, trong khi hai điện trở còn lại vuông góc với cạnh màng, với các cạnh của màng có định hướng {110}.

Khi không có áp suất tác động lên màng, cầu điện trở duy trì trạng thái cân bằng với điện thế lối ra bằng 0 Khi áp suất được áp dụng, màng mỏng sẽ biến dạng và áp lực phân bố trên màng sẽ thay đổi Hiệu ứng áp điện trở dẫn đến sự thay đổi giá trị của các điện trở trong mạch cầu, đặc biệt là các điện trở song song.

Khi giá trị của 50 cạnh màng giảm, các điện trở vuông góc với cạnh màng sẽ tăng và ngược lại, dẫn đến cầu bị mất cân bằng và điện áp lối ra không bằng 0 Sự thay đổi điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của màng, tức là phụ thuộc vào áp suất, do đó tín hiệu lối ra cũng phản ánh áp suất Cảm biến áp suất, một trong những loại cảm biến phổ biến nhất trong công nghiệp, được sử dụng trong y tế để đo áp suất máu trong động mạch và tĩnh mạch Cảm biến áp suất vi cơ điện tử có độ nhạy cao, với độ nhạy từ 0,1 đến 3mV/mbar cho dải điện áp thấp và từ 0,2 đến 12,5mV/bar cho dải áp suất từ vài trăm mbar đến hàng trăm bar Thêm vào đó, kích thước nhỏ gọn của các cảm biến này nhờ công nghệ MEMS giúp chúng dễ dàng tích hợp vào nhiều thiết bị khác nhau.

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, đặc biệt là cảm biến áp suất Bài viết trình bày các đặc điểm của cảm biến áp suất, bao gồm khái niệm, nguyên tắc hoạt động và ứng dụng thực tiễn Ngoài ra, hai loại vi cảm biến áp suất phổ biến được giới thiệu là vi cảm biến kiểu áp trở và vi cảm biến kiểu tụ điện.

PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG