Thiết kế chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ và kiểu áp trở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





PHẠM QUỐC THỊNH




THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN
DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ KIỂU TỤ VÀ KIỂU
ÁP TRỞ


Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70



LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH

Hà Nội – Năm 2013
iv

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii
MỞ ĐẦU xi
Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 1
1.1. Gii thiu chung v vi lng dng 1
1.2. Tng quan v c xut 2
1.2.1. Cm bin tr 2
1.2.2. Cm bin kiu t n 3
1.3. T chc ca lu 4
Chương 2 - CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 5
m v n dung 5
2.2. Ca cm bin dung 6
2.3. c hong ca mt cm bin dung 8
2.4. Mn dung 8
Chương 3 - CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN TRỞ 12
3.1. Gii thiu chung v n tr 12
3.2. ng dng ca hiu n tr trong MEMS 14
3.3. Thit k cm bin tr  16
3.3.1. Gii thiu chung 16

3.3.2. Thit k cm bin tr  16
3.3.3. Ch to 19
3.4. Kt qu 20
Chương 4 - HỆ THỐNG CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ
KIỂU TỤ 24
n ca cm bin dung thit k 24
4.2. H thng lock-in cho cm bin kiu t 25
4.3. C xut cho mu ra cm bin 28
4.4. Thit k cm bin kiu t trong MEMS 30
 ch to 30
v

m bin kiu t n thit k v 31
4.4.3. Kt qu 33
4.5. Thit k cm bing dc l 33
4.5.1. Thit k mu ra cho cm bin 34
4.5.2. Tn cc cho cm bin 35
4.5.3. Th nghim biy kiu t thit k 37
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AC
Alternating Current
u
ASIC
Application Specific Integrated
Circuit

Mng
CMOS
Complementary Metal Oxide
Semiconductor
 CMOS
DC
Direct Current
t chiu
FEA
Finite Element Analysis
n t hu hn
FEM

Finite Element Method

  n t hu
hn
IC
Integrated Circuit
Mp
LPF
Low Pass Filter
B lp
MEMS
Micro Electro Mechanical
Systems
H thn t
PCB
Printed Circuit Board
Bng mch in

PLL
Phase Locked Loop

RIE
Reactive ion etching
n ng
SEM
Scanning Electron Microscope
n t
SNR
Signal-to-noise ratio
T s u p 
SOC
System On Chip
H th
SOI
Silicon On Insulator


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bng 4-c ca cm bin thit k 30

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

-  hai h th 1
  - Vi h thng phn   c thc hi  ng mch vi l 
c ca h th
3
) [10] 1
a cm bin n tr u in
 2
a cm bi 
mc cht lng c 10-12pl [12,13] 3
- n dung gi 5
- (a) T 2 cc (b) t ba cc 6

- Mt t n phn cc song song 6
 - Mt cm bin m     (Omega engineering, INC,
Stamford, CT06907 USA,) 7
- t mt cm bin mn 8
- n dung dm bin kho 8
- S dng mt mn tr truyn (Transimpedance amplifier)
 n 9
-  n phn h 10
- a mt t n vi sai 10
- c thay i ca mn tr i ng xut theo chiu dc [17] 12
- Minh ha s bin dng vt lii: Mt lc theo chia
thanh dn ti bin dng trong hai trc trc giao [18] 13
- Minh ha b  m bit vng [16] 14
-  mch cu Wheatstone trong c 15
-  c cm bin ca thit b  xut: 16
- Cm bing cho thy s  ca ng suc theo
ng x theo stsut t mt i cmng  17
- Kt qu ng FEA minh ha mi quan h gia tp trung ng su
b mcu  . Nhng
 tp trung ng sun tr l 18
- Bn v  v n tr t ni ca  19
ix

- ch to cm bin tr [11] 20
- Hnh thit b ch tnh  
cm bin [11]. 20
  thit lp cho  [11] 21
- S bii tr   c qua  [11] 21
- Mi quan h gia t sut cht l dng  
 [11] 22

- S bii tr t cht l 22
- : a) Mt ct qua ca m
mt ny; b) Mn c
 (b) [13] 24
-  ca h thng khui lock-in [13] 26
 H thng khui lock-u ra cho cm bin t 27
-  mt c chopper ( ng b (V
sync
) cho gii
u ch)[13] 29
-  mu   29
6 - a cm bi xut vc ct
ct d 30
- nh ca cm bin thit k sau khi ch to [13] 31
- Thit lng cm bi[13] 31
- u ra sau khi giu cht
     i kho     n gia hai tr  y
 32
- u ra ca cm binh c chp li trong khi to mt
git [13] 33
- Ngun cho board mch cm bin 34
-  mch bng mch cm bin thit k 34
 Bng mch cm binh (3D) 35
- Cm bin t vn cc bng mch 35
- Cm bin t c to b ch in hai lp 36
- c thit k u cn thit 36
- ng dn cht lo ln cc cm bin 37
x

18 -  thit lng 37

- Thit lng thc t 38
- Kt ni xi lanh cung cc vi bng mch cm bin 38
- a) Xung sin t n b) Xung sin  39
- u ra b khuc;
c 39
- u sau khi qua b khui lock-in 40
- u sau khi qua b khui lock-in vng hc di chuyn
chm 40

xi

MỞ ĐẦU

H thn t p hm biu ch
c m nhng vi nhi trong
i vic s dng mt vi mu khin. Mt thit b 
t th vi nhu ch
cm bin mong mun. H th cn vi ngun cung c
 x u nh.
 u so vi ngun gc c
ng n. V,  to ra nhng cc nh  y
c o ra nhng b cm bin  
cu chc ng dng rc sng.  
h thng hong nhanh, y, r   kh t hp 
phc tp.
Thit b MEMS  xut ng minh s hu d c
  vi lng, , y sinh hc, hc, truy,
 d liu, hin th  quang hc, v.v.  cm bi t ti
y th t b  MEMS m
 u cn rt nhiu nhn   
vi s n ca MEMS, mc mc m a hn nhi
 c vi lng (Microfluidic).
 gii hin nay, nhin v vi
l t trong nh 

C y hiu qu ca  cao dthay th
ng k dng to ra nhng
bc nh su. Trong y t, viu khin to ra nhng git vi
lng vi t   ng dng rt ln, vic lnh nn
 d ng ti c vi l 
th t ta cht lng t t vi lng nhng
 theo  cu s d.
Vi nh,  t k ch to cm
biy du t  (Design and fabrication of
flow sensors based on capacitive and piezoresistive principles).
Trong lu, i dung nghiu v  t qu c
ct qu
 cm biy du t.
 xut cng d thng
n vt th l trong mao d ht
kim loi trong dv.v.

1

1. Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. Giới thiệu chung về vi lỏng và ứng dụng
n c ng dng nhic
vi lng. Vic s d i ta c
g to ra mt h thng th lnh dng thu nh. Mt lo
thit b  th y trong nhng cu vi l
ng dng [1], hay mt s  [2-7]. 
thit b vi lp mt cm bin dng cht vi
 thng hay b u khi
chy [8]. ai h thng vi l 

 1.1 -  hai h th [8]
Mt h thng phc tm m m, van, cm biy
 vi trn tt h th[9]. , mt h thng vi lng s
dm bing c th hin trong H
1.2 [10].

 1.2 - Vi h thng phn c thc hing mch vi lng (
c ca h th,,3cm
3
) [10]
Cm bic s dt ni vi lc to
ngay  ng ti hiu sut ca cm bin
2

. u ti cm bim nhn
  nhm b quan
trng quynh s 
Trong y t, vic t p rt quan
trng trong vic lu. n cht th
ng cu ln lc bmt tm lt li nh n mc ch ng
cu lt cht thi  lc ln hi vt cht thi
nh hn hng c p theo bt.
Mng dng rt ln y trong thc t vic ki
t ln gii quyt.
1.2. Tổng quan về cấu trúc đề xuất
1.2.1. Cảm biến áp điện trở
Cm bin tr t t[11] 
u thit k ch tm bin bi 

t ng cht l ra cc
c ca cm bin. Mt xung lc to ra bi thit b truyn gn
n cng v o ra mt cht lng
n tr t  mt c, dc theo
ming l ,   bin dng  bi s i 
 cht lng ng ti . T  th h ng 
t cht lng c phun ra tng v ng.

H1.3  a cm bin tr  u in

  ng cht l
thc hin. 
. C
3

         
.
1.2.2. Cảm biến kiểu tụ điện

 xu t
 ng ca mt khum b
mt mc in hay mc mu ra ca
cm bin kt hp vi thua cht l c s d d 
cht lng trong suo git  .

1.4  a cm bin dung cho  
c cht lng c 10-12pl [12,13]
  tm bin phi gii quyt 
hin s n dung ca cm bin trong kho
n dung cm bin nh, tr  cao, mu ra 

nh   n t, nhiu nhiu ng cn dung
ng yu t i h i ca cm bin, i vic
thit k u khi vi cm bin loi
 thng mn t n hay mt h thng
cm bin v thit k, c ch to   ng dng trong
nhiu h thng .
T ngkt qu  
MEMS, cm biy kiu t ng d
c l c t, v t lng
n . i nhng hn ch v
thit b , ch dng li  vi
kh  m bi    nhng s li  c t thc nghim   
nghim.
4

1.3. Tổ chức của luận văn
Trong luu t thit k  to loi
cm biu t t nhu v c
 hai loi cm bin tr m bi thc
hin trong MEMS.
ni dung t, ca mt
cm bin dung, nh cm bi thc hic mt
cm bin kiu t. M 
   uyu 
tm biy kiu t4.
 ng dng ca hiu n tr, ng dng
ct k, ch ti cm bic MEMS. 
 tng ca mt cm bin tr cho
c hin.
y v n t cho cm bin dung,

 ng cho cm bin m bin
n dung ng, ng dt lch nh 


ch t cm
biy kiu t cho ng dc ln
 trin khai d.
Trong phn kt lun n: y nhng ph c ca
lu n tip theo.















5

2. Chương 2 - CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG

2.1. Khái niệm về điện dung
T n t linh kin t th ng to bi hai b mt dn 

i  ch n th ti hai b mt, t mt s
xut hin  u.
1746 b (i hc Leiden Leidsche fles). 
ra b [14].
.
N to ra mt s bt k n cn
dung gin cc  [15]:
ji
ij
ij
VV
Q
C




(2.1)

ij
n dung gin c
ij
n cc i
u vn ci  n th V
i
- V
j
(V
i
, V

j
n
th n cc i, j). 
.

2.1- n dung gi

.  khc phcn t t
n hai cc, t n nhiu cc 
 t hai c 
 ho chp nhc.  gim ng ca
, bao quanh n cc,  n dung gia 
 c lp vi v a tt c , ngoi tr  
cn ca n cc.
6


2.2 - (a) T 2 cc (b) t ba cc
 n ba c, C
x
n dung trc tip gin cc hot
ng). Khi ng bo v c s dngn dung  c lp
vi v a tt c  ngoi tr trong vo v.
ng hp ch  n cc, n dung ph thu c, 
dng, kho   cng gin cc.  
nh, n dung gia hai n cc  t. , ,
 ch p vi cn. P phn t hu hn (FEM)
c s d t gi xp x.
2.2. Cấu trúc của cảm biến điện dung
Cn nht ca mt cm bin n dung  hai tm phng song song

vi  i din nhau A  gia hai bn t d ( 2.3).

2.3 - Mt t n phn cc song song
Khi d nh iu so vc   xp x

d
A
C
r 0



(2.2)

0
ng s 
0
= 8,85  10
-12
F/m
r

hng s i ca  gin cc.
c (2.2) ch  vi u kin nh. u loi t
 nhau n dung  ng A hay
-->