Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng vi cảm biến lực áp trở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


TRẦN VŨ MINH


NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ




LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG




HUẾ - 2014



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN VŨ MINH


NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60.52.02.03


LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH


HUẾ - 2014

1
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS.TS. Chử Đức Trình, người
đã hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo trong quá trình thực hiện luận văn. Sự chỉ bảo tận
tâm của thầy đã mang lại cho tôi hệ thống các phương pháp, kiến thức cũng như kỹ năng
hết sức quý báu để có thể hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất.
Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo, thầy giáo, cô giáo khoa Điện tử viễn
thông, trường đại học Công nghệ, đặc biệt là các thầy giáo Bộ môn , khoa Điện tử viễn
thông - những người mà trong thời gian qua đã dạy dỗ, truyền thụ kiến thức khoa học,
giúp tôi từng bước trưởng thành.
Tôi xin trân trọng cảm ơn phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Vật lý, trường Đại học
Khoa học, Đại học Huế đã hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn những người thân, gia đình và bạn bè - những người đã hỗ
trợ tôi rất nhiều về cả vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể học tập đạt kết quả tốt và thực
hiện thành công luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 2 năm 2014
Trần Vũ Minh
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn do tôi thực hiện. Những kết quả từ những tác giả trước
mà tôi sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng, cụ thể. Không có bất kỳ sự
không trung thực nào trong các kết quả tính toán.
Nếu có gì sai trái, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 10 tháng 2 năm 2014
Học viên
Trần Vũ Minh
3
TÓM TẮT
Nhiệm vụ chính của luận văn là tìm hiểu về vi cảm biến, cụ thể là tìm hiểu về vi
cảm biến lực đa chiều áp trở. Trên cơ sở lý thuyết tìm hiểu được, thiết kế một cấu trúc
vi cảm biến lực 3 chiều áp trở nhận biết và đo được các lực theo nhiều chiều.
Luận văn đã đi vào tìm hiểu mô hình vi cảm biến lực, mô hình vi cảm biến lực đa
chiều, cấu trúc thanh dầm cantilever cho vi cảm biến lực đa chiều, cơ sở về hiệu ứng áp
trở của vi cảm biến lực áp trở Dựa trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu được, luận văn đã
thực hiện việc thiết kế một cấu trúc vi cảm biến lực 3 chiều áp trở. Luận văn cũng đã
xây dựng các công thức liên quan cho các cấu trúc này.
Cuối cùng, luận văn đã thực hiện việc mô phỏng bằng phần mềm COMSOL để khảo
sát và thiết kế vi cảm biến đồng thời trình bày các kết quả đạt được để từ đó xây dựng
những hướng phát triển mới.
4
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI CAM ĐOAN 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7
DANH SÁCH BẢNG 9
GIỚI THIỆU 10
CHƯƠNG 1: VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU 10
1.1 Mô hình vi cảm biến lực đa chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1 Mô hình vi cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2 Mô hình vi cảm biến lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Vi cảm biến lực đa chiều dạng thanh dầm cantilever . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Thanh dầm cantilever chữ I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2 Thanh dầm cantilever chữ L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Các tiêu chí cho việc thiết kế vi cảm biến lực đa chiều . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 Đường cong chuẩn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3 Độ nhạy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.4 Độ tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.5 Sai số và độ chính xác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5
CHƯƠNG 2: VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ 21
2.1 Phân loại vi cảm biến lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Vi cảm biến lực áp trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Đặc tính cơ học của Silic đơn tinh thể . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Hiệu ứng áp điện trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Mạch cầu Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.1 Nhiễu Johnson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.2 Nhiễu flicker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU
ÁP TRỞ 34
3.1 Mô hình cấu trúc vi cảm biến lực 3 chiều áp trở . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 Cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 46
4.1 Thiết kế các thông số hình học của vi cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.2 Mô phỏng thanh dầm cantilever chữ L . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.3 Cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6
4.2.4 Cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.5 Cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
KẾT LUẬN 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 54
7
DANH SÁCH HÌNH VẼ
1.1 Mô hình vi cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Mô hình vi cảm biến lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Thanh dầm cantilever chữ I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Phân bố ứng suất trên thanh dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6 Thanh dầm cantilever chữ L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.7 Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Các thành phần ứng suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Mạch cầu Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7 Mật độ phổ công suất nhiễu flicker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1 Vi cảm biến lực 3 chiều áp trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Khối đặt lực tác dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Sơ đồ cấu hình : a) Cấu hình ngang b) Cấu hình dọc c) Cấu hình dài d)
Bố trí cầu Wheatstone với công tắc chuyển từ a) sang b) . . . . . . . . . . 38
3.4 Cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Điện áp ra ở cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 Cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.7 Điện áp ra ở cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.8 Cấu hình dài 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.9 Cấu hình dài 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8
3.10 Điện áp ra ở cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1 Giao diện phần mềm COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Thanh dầm cantilever chữ L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 Phân bố ứng suất cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 Phân bố ứng suất cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.6 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7 Phân bố ứng suất cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.8 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
9
DANH SÁCH BẢNG

2.1 Thông số cơ học của một số vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Giá trị thực nghiệm các hệ số áp điện trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1 Thông số hình học của vi cảm biến lực 3 chiều áp trở . . . . . . . . . . . . 47
10
GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, với sự hỗ trợ của công nghệ vi điện tử và công nghệ tin
học, công nghệ vi cơ điện tử đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Công nghệ vi cơ điện
tử đã được ứng dụng để chế tạo các cảm biến, các hệ chấp hành, được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau từ công nghiệp, kỹ thuật, y tế đến quân sự .
Cảm biến lực chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử là một trong những cảm biến có
nhiều ứng dụng trong đời sống thực tiễn hiện nay. Một số loại vi cảm biến lực phổ biến
là: vi cảm biến tụ, vi cảm biến áp điện, vi cảm biến laser quang, vi cảm biến áp trở . . .
Nhìn chung các loại vi cảm biến này đều có ưu và nhược điểm riêng nhưng cảm biến lực
áp trở có ưu điểm vượt trội là độ nhạy cao, giá thành rẻ, mạch xử lý tín hiệu đơn giản [5].
Với các ứng dụng ngày càng trở nên tinh tế [5, 7] thì yêu cầu về cảm biến lực đa chiều,
độ nhạy cao, kích thước nhỏ đang được đặt ra.
Đề tài có mục tiêu chính là tìm hiểu và thiết kế vi cảm biến lực 3 chiều áp trở. Bên
cạnh đó đề tài còn thực hiện việc mô phỏng trong quá trình thiết kế.
Luận văn gồm 4 chương, nội dung cụ thể như sau:
Chương 1 trình bày chi tiết các mô hình vi cảm biến lực và các tiêu chí trong việc
thiết kế vi cảm biến. Một phần quan trọng của chương 1 là trình bày về cấu trúc thanh
dầm cantilever, một cấu trúc cơ bản của vi cảm biến lực.
Chương 2 trình bày chi tiết về vi cảm biến lực áp trở trong đó tập trung vào việc
phân loại vi cảm biến lực và giới thiệu hiệu ứng áp điện trở, là hiệu ứng vật lý được dùng
trong vi cảm biến lực áp trở. Ngoài ra chương này còn tìm hiểu về mạch đo và nhiễu trong
hệ thống.
Chương 3 trình bày về các cấu trúc dùng để nhận biết các lực tác dụng theo các
phương khác nhau của vi cảm biến lực 3 chiều áp trở: cấu trúc dài, cấu trúc dọc, cấu trúc
ngang . Sau đó là phần thiết kế chi tiết về vi cảm biến lực 3 chiều áp trở.
Chương 4 trình bày các kết quả và việc thực hiện mô phỏng từ phần mềm COMSOL.

Dùng phần mềm để khảo sát việc phân bố ứng suất và đánh giá các kết quả thực nghiệm
so với lý thuyết đã thực hiện ở chương 3.
11
CHƯƠNG 1: VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU
Chương 1 trình bày mô hình và cấu trúc vi cảm biến lực đa chiều, và tìm hiểu các
tiêu chí cho việc thiết kế. Phần 1.1 trình bày mô hình vi cảm biến lực đa chiều. Phần 1.2
trình bày cấu trúc thanh dầm vi cảm biến lực đa chiều. Phần 1.3 trình bày các tiêu chí
thiết kế vi cảm biến.
1.1 Mô hình vi cảm biến lực đa chiều
1.1.1 Mô hình vi cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không
có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện hoặc có đặc trưng điện và có thể xử lý
được [1].
Vi cảm biến là cảm biến được chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử (Micro Electro
Mechanical Systems - MEMS). MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến, vi
chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip. Công nghệ vi cơ và các
hệ thống cơ điện được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn
vị đo micro.
Nguyên tắc đo trong cảm biến và vi cảm biến thường dựa trên các hiệu ứng vật lý
biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện.
Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác
động lên cảm biến (vi cảm biến) cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (như điện
tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị
của đại lượng đo.
Mô hình vi cảm biến được trình bày ở hình (1.1) mô tả đầu vào X là đại lượng
không điện cần đo, đầu ra Y = f(X) là một đại lượng điện cần đo.
Việc đo lường Y sẽ cho phép nhận biết giá trị của X; Y = f(X) là dạng lý thuyết
của định luật vật lý biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu diễn
sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo (kích thước và hình dạng), vật liệu chế tạo cảm biến,
đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng (nhiệt độ, nguồn nuôi). Vị trí của cảm biến

12
Hình 1.1: Mô hình vi cảm biến
trong thiết bị đo lường chính là phần chuyển đổi sơ cấp.
Cảm biến được sử dụng ở hầu hết các mặt của sản xuất cũng như đời sống xã hội [1].
Trong ngành viễn thông là các cơ cấu tự động cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy . của
tổng đài, góp phần đảm bảo tổng đài hoạt động được liên tục, cảm biến tại các thiết bị
đầu cuối để chuyển âm thanh, hình ảnh thành tín hiệu điện, tại các thiết bị truyền dẫn
chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang và ngược lại. Trong ngành tự động hóa sử dụng
cảm biến để biết được các thông số của đối tượng cần điều khiển (tốc độ động cơ, vận
tốc của vật, của xe, hướng đi .) từ đó xây dựng phương pháp điều khiển. . .
Vi cảm biến có nhiều ứng dụng trong thế giới vi mô [5]. Thao tác chuẩn, chính xác
và kiểm soát các vật thể kích thước nhỏ là một lĩnh vực hấp dẫn và đầy thử thách cho cả
sản xuất công nghiệp và nghiên cứu khoa học cơ bản. Trong các thập kỷ qua, các phương
pháp khác nhau liên quan đến xử lý, phân tích, lắp ráp các mẫu vi mô, kể cả lỏng và rắn,
đã được chứng minh có hiệu quả và đáng tin cậy, cung cấp những tiến bộ đáng kể trong
việc phát triển công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Các ứng dụng phổ biến nhất là: các
phương pháp tích hợp trên chip, công nghệ in phun và lắp ráp vi cơ kết hợp công nghệ vi
cơ điện tử và các công cụ xử lý thu nhỏ.
Trong các ứng dụng vi thể lỏng, các thiết bị tích hợp trên chip đã được nghiên cứu
rộng rãi để phân tích các mẫu y sinh học, chẳng hạn như Acid Deoxyribo Nucleic - ADN,
virus và các tế bào sống. Bằng cách thu nhỏ các hệ thống phân tích vĩ mô thông thường
xuống kích cỡ chip, lượng mẫu chất lỏng cần thiết để có thể phân tích tin cậy được giảm
xuống mức đơn vị nano lít hay thậm chí pico lít. Thời gian và chi phí của toàn bộ thủ
tục phân tích được giảm đáng kể, bên cạnh đó còn cải thiện độ chính xác. Các công cụ
xử lý vi mô tích hợp cảm biến lực đã được phát triển dùng để lắp ráp vi mô, xử lý tế bào
sống, hạn chế kích thước phẫu thuật, nhận dạng các vi mẫu.
13
Xử lý vi mô là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển mới với nhiều thách thức. So
với vĩ mô, các thao tác với mẫu vi mô có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi môi trường xung
quanh. Bên cạnh đó, việc quan sát quá trình thao tác mẫu vi mô rất khó khăn, phải dựa

vào các thiết bị đặc biệt. Do đó, các thao tác gặp nhiều trở ngại và mất đi tính chính xác,
hiệu quả. Vì vậy, việc thiết kế các hệ thống thông minh với khả năng giám sát tại chỗ
nhằm phát hiện khối lượng, lực và vị trí là cần thiết để có thể thao tác an toàn, chính
xác và hiệu quả.
1.1.2 Mô hình vi cảm biến lực
Lực là đại lượng đo tác dụng cơ học giữa các vật thể với nhau. Nguyên tắc đo lực
là làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và moment tổng
của chúng bằng không [1].
Vi cảm biến lực là thiết bị dùng để chuyển đổi lực cần đo thành đại lượng điện có
thể xử lý được (điện áp ra).
Mô hình vi cảm biến lực được trình bày ở hình (1.2) mô tả đầu vào là lực F cần đo
, đầu ra V = f(F ) là điện thế ra cần đo. Lực F =
n

i=0
F
i
là lực tổng hợp từ các lực tác
dụng.
Hình 1.2: Mô hình vi cảm biến lực
1.1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều
Trong không gian 3 chiều với hệ trục tọa độ Đề các Oxyz, phân tích lực F thành
tổng các lực thành phần:
F = F
x
+ F
y
+ F
z
(1.1)

14
Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều được trình bày ở hình (1.3) mô tả đầu vào F
x
, F
y
, F
z
là 3 lực cần đo , các điện thế ra cần đo lần lượt là V
x
= f(F
x
), V
y
= f(F
y
), V
x
= f(F
z
).
Hình 1.3: Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều
Trong các vi cảm biến đo lực thường có một vật trung gian chịu tác động của lực
cần đo và biến dạng. Biến dạng của vật trung gian là nguyên nhân gây ra lực đối kháng
và trong giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng.
Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể đo trực tiếp bằng các cảm biến biến dạng,
hoặc đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo trung gian phụ
thuộc vào biến dạng.
1.2 Vi cảm biến lực đa chiều dạng thanh dầm can-
tilever
Thanh dầm cantilever là thanh dầm có một đầu làm đầu ngàm gắn cố định, đầu kia

tự do. Vi cảm biến lực dạng thanh dầm cantilever thường được dùng trong các ứng dụng
vi mô để đo lực [1]. Phần này tìm hiểu dạng cấu trúc thanh dầm cantilever và phân tích
ứng suất trên thanh dầm chữ I.
1.2.1 Thanh dầm cantilever chữ I
Thanh dầm cantilever hình chữ I được trình bày ở hình (1.4) là hình khối chữ nhật
đồng nhất, chiều dài l, chiều rộng w, chiều cao t. Một đầu của thanh dầm là đầu ngàm,
đầu kia tự do. Lực F tác dụng lên đầu tự do của thanh dầm.
15
Hình 1.4: Thanh dầm cantilever chữ I
Ứng suất trên thanh dầm cantilever chữ I
Xét lực F tác dụng theo phương dọc vào đầu tự do của thanh dầm cantilever hình
chữ I. Lực F làm thanh dầm bị uốn cong theo chiều dọc làm xuất hiện sức căng dọc và
sức căng trượt. Trong các vi cảm biến lực dạng thanh dầm, độ lệch của thanh dầm nhỏ
hơn nhiều so với chiều dài thanh dầm nên có thể bỏ qua sức căng trượt.
Sự phân bố của ứng suất theo chiều dọc được mô tả định tính ở hình (1.5). Dưới
tác dụng của lực F, sự phân bố mô-men dọc theo chiều dài của thanh dầm là không đồng
đều: bằng không ở đầu tự do và đạt giá trị cực đại ở đầu cố định. Tại bất kỳ mặt cắt
ngang nào của thanh dầm (phần mặt phẳng gạch chéo), ứng suất dọc đều thay đổi. Độ
lớn của ứng suất tại bất kỳ điểm nào trên mặt cắt ngang đều tỷ lệ tuyến tính với khoảng
cách đến trục chính.
Trên mỗi mặt cắt ngang, độ lớn cực đại của ứng suất biến thiên tuyến tính với
khoảng cách đến đầu tự do và đạt giá trị cực đại tại bề mặt phía trên hoặc phía dưới.
Với L là chiều dài của thanh dầm; trục x bắt đầu từ đầu tự do đến đầu cố định;
σ(x, h) là ứng suất thường tại bất kỳ tiết diện ngang (tại x) nào và có khoảng cách đến
trục chính bằng h. Mô-men tổng cộng tương ứng với tiết diện ngang là tích của vùng lực
tác dụng tại tiết diện ngang dA:
M =

A
h dF (x, h) =


A
h σ
x
dA (1.2)
Trên toàn bộ thanh dầm, sức căng cực đại xảy ra ở đầu cố định, khi x = L. Trên
thực tế, trong thiết kế, chỉ quan tâm đến sức căng cực đại hay ứng suất cực đại ở đầu cố
16
Hình 1.5: Phân bố ứng suất trên thanh dầm
định. Sức căng cực đại được thể hiện như một hàm của mô-men tổng cộng:

max
=
M
t
=
F l t
2E I
(1.3)
Trong đó E là mô đun Young; t là độ dày của thanh dầm, I là mô-men quán tính
của thanh dầm.
Ứng suất cực đại:
σ
max
= 
max
E =
F l t
2I
(1.4)

17
1.2.2 Thanh dầm cantilever chữ L
Thanh dầm cantilever hình chữ L được trình bày ở hình (1.6) có các kích thước như
mô tả. Một đầu của thanh dầm là đầu ngàm, đầu kia tự do. Lực F tác dụng lên đầu tự
do của thanh dầm.
Hình 1.6: Thanh dầm cantilever chữ L
1.3 Các tiêu chí cho việc thiết kế vi cảm biến lực đa
chiều
Việc xây dựng các tiêu chí cho việc thiết kế cảm biến đa chiều được xem xét trên
cơ sở đường cong chuẩn cảm biến, phương pháp chuẩn cảm biến và các yếu tố đặc trưng
của cảm biến: độ nhạy, độ tuyến tính, sai số và độ chính xác [1].
1.3.1 Đường cong chuẩn cảm biến
Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng
điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. 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 được s
i
của s. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng
s = f(m), hoặc bằng đồ thị.
Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa
đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào.
Phương trình s = f(m) có dạng s = am + b với a, b là các hệ số, khi đó đường cong
chuẩn là đường thẳng được trình bày ở hình (1.7).
18
Hình 1.7: Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
1.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo
được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố

ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc
biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác m
i
của m,
đo giá trị tương ứng s
i
của s và dựng đường cong chuẩn.
Chuẩn đơn giản
Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên
một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại
lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn
giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại
lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách:
− Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc
các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.
− Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn
đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên
hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng
của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác
của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần
chuẩn.
Chuẩn nhiều lần
19
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ
thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc
vào giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng
phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:
− Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương
ứng với điểm gốc, m = 0 và s = 0.
− Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng

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.
1.3.3 Độ nhạy
Độ nhạy của cảm biến ở giá trị m = m
0
là tỷ số giữa biến thiên đầu ra ∆x và biến
thiên đầu vào ∆m trong lân cận của m
0
. Gọi N là độ nhạy của cảm biến, ta có:
N =
∆x
∆m




m→m
0
=
δx
δm




m=m
0
Độ nhạy của cảm biến lực 3 chiều là:

N
i
=
δV
i
δF
i
với i = 1, 2, 3 (1.5)
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho
độ nhạy N của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
− Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.
− Thời gian sử dụng.
− Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi
trường xung quanh.
20
1.3.4 Độ tuyến tính
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế
độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm
biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của
cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong
vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gổm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế
độ tĩnh N(0) vào đại lượng đo, đổng thời các thông số quyết định sự hổi đáp (như tần số
riêng f
0
của dao động không tắt, hệ số tắt dần) cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh
sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào.
Sự hiệu chỉnh đó được goi là sự tuyến tính hoá.

1.3.5 Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm
nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo
được và giá trị thực của đại lượng cần đo.
Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai
số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:
δ =
∆x
x
× 100% (1.6)
Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá
trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân
chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc
thay đổi châm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và
giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử
dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:
− Do nguyên lý của cảm biến.
21
− Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.
− Do đặc tính của bộ cảm biến.
− Do điều kiện và chế độ sử dụng.
− Do xử lý kết quả đo.
Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể
dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán
được độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:
− Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
− Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
− Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến.
Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm

thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện
áp nguổn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vân hành đúng chế độ hoặc thực hiện
phép đo lường thống kê.
1.4 Kết luận chương
Để thực hiện mục tiêu thiết kế một vi cảm biến lực đa chiều áp trở, chương 1 đã
phân tích và tìm hiểu về mô hình và cấu trúc của vi cảm biến lực đa chiều. Cấu trúc
thanh dầm cantilever chữ L được dùng cho mô hình vi cảm biến lực đa chiều áp trở.
Phân tích ứng suất trên thanh dầm dẫn đến kết quả là ứng suất trên thanh dầm
thay đổi tùy thuộc phương, chiều và độ lớn của lực tác dụng. Nghiên cứu lý thuyết và
mô phỏng ứng suất trên thanh dầm để xác định được vị trí cấy các áp điện trở và dùng
để tính toán mối liên quan giữa lực và điện áp ra trong mô hình vi cảm biến.
Ngoài ra chương 1 đã thực hiện việc tìm hiểu các tiêu chí thiết kế cho cảm biến và
các tiêu chí liên quan như nhiễu, độ nhạy.
22
CHƯƠNG 2: VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ
Chương 2 tìm hiểu về vi cảm biến lực áp trở. Phần 2.1 trình bày việc phân loại cảm
biến lực và các ưu khuyết điểm của các loại cảm biến lực. Phần 2.2 trình bày đặc tính
của vi cảm biến lực áp trở. Phần 2.3 trình bày về mạch đo và phần 2.4 trình bày về nhiễu
trong vi cảm biến lực áp trở.
2.1 Phân loại vi cảm biến lực
Vi cảm biến lực có nhiều kiểu khác nhau dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau
được sử dụng trong vi cảm biến.
2.1.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ
Vi cảm biến lực kiểu tụ có nguyên lý hoạt động đơn giản. Điện dung của tụ được
thay đổi bằng cách tác động lên một trong các thông số làm thay đổi điện trường giữa
hai vật dẫn tạo thành hai bản cực của tụ. Một trong hai bản tụ được nối cơ học với vật
trung gian chịu tác động của lực cần đo. Nếu vật trung gian là màng mỏng thì điện dung
của tụ sẽ thay đổi theo sự dịch chuyển của tâm màng khi nó bị lực tác dụng.
Hình 2.1 trình bày một vi cảm biến lực kiểu tụ [2]. Cảm biến này có hai bậc tự do
(two degrees of freedom -2DOF ) và cách điện bằng silic (silicon on insulator - SOI). Vi

cảm biến có khả năng đo lực theo trục từ 490N với độ phân giải 0.01N đến 900N với độ
phân giải 0.24N
Ưu điểm của phương pháp kiểu tụ: khả năng chịu đựng ăn mòn cao, độ ổn định và
hiệu năng cao. Hạn chế lớn nhất của vi cảm biến lực kiểu tụ là độ phân giải thấp. Cấu
trúc tụ đòi hỏi phải ngăn cách hoàn toàn hai bản cực nên phải dùng nhiều SOI wafer.
Thêm vào đó là quá trình chế tạo phức tạp bao gồm các mạch điện. Vi cảm biến lực kiểu
tụ được sử dụng nhiều trong các gia tốc kế và các cảm biến trong môi trường khắc nghiệt.
2.1.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện
Vi cảm biến lực kiểu áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện để chuyển đổi áp
lực thành tín hiệu điện.
23
Hình 2.1: Vi cảm biến lực kiểu tụ
Hiện tượng áp điện là hiện tượng phân cực điện và thay đổi phân cực điện trong
một số chất điện môi khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng của lực theo một chiều nhất
định. Nếu chế tạo tụ điện bằng cách phủ 2 bản cực lên 2 bản đối diện của 1 phiến áp điện
mỏng và tác dụng 1 lực lên 2 bản cực thì trên 2 bản cực đó xuất hiện một điện tích trái
dấu. Hiệu điện thế của hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng [1].
Hiệu ứng áp điện là một hiệu ứng thuận nghịch. Dưới tác dụng của điện trường theo
chiều thích hợp thì vật liệu bị biến dạng. Đặc biệt đối với vật liệu áp điện có thể kích
thích đến trạng thái cộng hưởng rất cao.
Hình 2.2 trình bày một vi cảm biến lực kiểu áp điện [12]. Vi cảm biến gồm hai
thanh PVDF (polyvinylidene fluoride) gắn vuông góc với nhau. Cấu trúc này đối xứng
theo chiều dọc và chiều ngang, độ phân giải và độ nhạy của vi cảm biến trong khoảng
µN.
Tuy nhiên, hai thanh này vuông góc với nhau làm vi cảm biến có kích thước lớn. Vì
vậy, vi cảm biến khó chế tạo ở kích thước nhỏ và không tích hợp được với các IC. Phương
pháp áp điện cũng đòi hỏi mạch điện phức tạp để xử lý tín hiệu.
2.1.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở
Vi cảm biến lực kiểu áp trở hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện trở.
Hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu tinh thể dưới tác dụng của ứng suất cơ