Thiết kế và thử nghiệm một số hệ thống đo lường chuyên dụng trên cơ sở cảm biến áp suất MEMS

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G I A H À N Ộ I
T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C C Ô N G N G H Ệ
Nguyễn Kiêm Hùng
T H I Ế T K É V À T H Ử N G H I Ệ M M Ộ T S Ố H Ệ
T H Ố N G Đ O L Ư Ờ N G C H U Y Ê N D Ụ N G T R Ê N c ơ
S Ở C Ả M B I Ể N Á P S U Ấ T M E M S
Ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin liên lạc
Mã sổ: 2.07.00
LUẬN VĂN THẠC sĩ
N GƯ Ờ I H Ư Ớ NG DẢ N K H O A H ỌC:
PG S. TS N G Ô D IÊ N T Ậ P
H à N ộ i - 2 0 0 6
L ờ i cam đ o a n ii
L ờ i cảm om iii
M ụ c lụ c iv
D a n h m ục c ác từ v iế t tắ t vii
D an h m ụ c c ác b ả n g ix
D a n h m ục c ác hìn h v ẽ X
M ở đ ầ u 1
C h ư ơ n g 1 : Á p suất v à đ o áp s u ất 3
1.1 C ơ s ở v ật lý c ủ a cảm b iến áp s u ấ t
3
1.1. í Á p suất tĩn h 3
1.1.2 Á p su ất c hấ t lỏ ng độ n g 6
1.1.3 C ác loại p h é p đo áp su ất 8
1.1.4 C á c đơ n vị đ o áp su ấ t 9
1.1.5 S ự cảm nh ận biến áp su ất 9
1.1.6 C á c hiệ u ứ n g củ a cảm b iến 12
1.2 C ác lo ạ i cảm biến áp su ất 15
1.2.1 C ả m b iến áp suất b iến trở 15

1.2.2 C ảm biế n áp su ất điện c ảm 15
1.2.3 C ả m biến áp su ấ t đ iện d u n g 16
1.2.4 C ảm b iến áp suất áp đ iện 17
1.2.5 C ả m biến áp su ấ t đo sức că n g 18
1.2.6 B án dẫn tíc h h ợp á p trở 2 0
1.3 M ột số v ấ n đ ề liên q u a n 22
1.3.1 G iao diện đ iện 22
iv
M Ụ C LỰ C
Trang
Trang phụ bìa i
V
1.3.2 C họ n lựa cảm biến ., 23
C h ư ơ n g 2: C ả m b iến áp suất công n g hệ M E M S 24
2.1 T ổ ng q u a n v ề cô ng ng hệ M E M S 24
2 .1 .1 M E M S l à g ì? 24
2.1.2 C á c ứng dụng củ a MEMS 27
2.1 .3 C ác c ô n g ng hệ ch ể tạ o 27
2.1.3.1 S ilic 27
2 .1.3.2 C h ất dẻo (P o ly m e r)
31
2 .1 .3.3 K im lo ạ i 31
2 .2 C ả m b iế n áp su ất c ô ng nghệ M E M S 31
2.2.1 M à n g m ỏ n g v i cơ S i 32
2 .2.2 C âm biến áp suất áp ừ ở M E M S 33
C h ư ơ ng 3: T h ử n g hiệ m m ột sổ ứ n g d ụn g c ảm b iể n áp su ấ t MEMS

36
3.1 V i diề u kh iể n A V R 37
3.1.1 G iớ i th iệ u 37

3 .1.2 N h ân C P U A V R 39
3.1 .3 V i điề u k hiể n A T M eg a8 5 3 5
41
3.2 T h ử ng hiệm m ộ t số ứ n g d ụ ng c ủ a cảm b iế n M E M S ữ o n g đo
lư ờ n g 46
3.2.1 ứ n g d ụn g cảm biến M P X 5 7 00 x ác định đ ộ ch ịu lự c củ a b ê 46
tô n g
3.2 .1 .1 Đ ặ t vấn đ ề 46
3 .2.1 .2 T h iể t kế h ệ th ố n g 52
3.2 .1.2.1 L ự a ch ọn cảm b iến 53
3 .2 .1 .2.2 G ia o d iện giữ a cảm b iến áp su ất vớ i v i điều khiển 56
3 .2 .1.2 .3 G ia o d iện vi đ iều k h iển 60
3 .2 .1 .2.4 H iển thị L E D 61
3 .2.1 .2 .5 T ín h toán áp suấ t
62
3 .2 .1.2 .6 P hầ n m ềm
.
62
3 .2.1 .3 K ết qu ả v à bàn luận
64
3.2.2 ứ n g d ụ ng cảm b iến M P X A 6 1 15A tro ng th iết bị đ o độ cao 67
3.2 .2.1 Đ ặ t vấn đ ề
.

67
3 .2.2 .2 C ơ s ở p h ư ơ n g phá p đ o 70
3 .2.2 .3 T h iế t k ế hệ th ố n g
73
3.2 .2.3.1 L ự a chọ n cảm b iến áp su ấ t 74
3 .2.2.3 .2 B ộ thu phá t v ô tu y ế n 77

3 .2.2 .3.3 G iao điện vi đ iều k h iển 78
3 .2 .2.4 K ết q uà v à b à n lu ận 81
3 .2.2.5 K ết luận 86
3.2 .3 T íc h h ợ p k h ả n ăng thôn g b áo k ết q u ả bằn g giọ ng nói cho hệ
thố n g đ o lư ờ n g
.
86
3 .2.3.1 Đ ặ t v ấ n đ ề 86
3 .2 .3 .2 T hiết k ế h ệ th ố n g
87
323.2.1 M ô đ un thu p há t âm số 87
3.23.2.2 H ệ đ o 90
3 .2.3.3 K ế t q uả và b à n lu ậ n 94
3 .2.3 .4 K ết lu ận 95
K ế t lu ậ n 96
D a n h m ụ c c á c côn g trìn h đ ã cô n g bổ 98
T ài liệ u th am k h ả o
.

99
vi
D A N H M Ụ C C Á C T Ừ V I É T T Ắ T
1. A /D : A n alog - to - D igital C on v erter, b ộ b iế n đổi tươ n g tự số
2. A L Ư : A rith m e tic L o g ic U nit, đ ơn v ị lo gic v à toán họ c .
3. A V R : M ột họ vi đ iều k hiển R IS C của h ãn g A tm eỉ.
4. C IS C : C o m p lex In stru ction S e t C o m p uter, m áy tín h vớ i tập lệnh p h ửc.
5. C P U : C en tra l P roc e s sing U nit, đ ơn vị x ử lý tru ng tầm .
6. E M I: E le ctro -M ag n e tic In terfe renc e , nh iễ u đ iện từ .
7. H V A C : H e atin g, V entila tio n an d A ir-C o n ditio n in g , hệ th ốn g đ iều h o à
k h ô n g k h í, th ô n g hơ i v à sưở i ấm .

8. IC : I n teg rate d C ircu it, m ạch tíc h hợp.
9. L V D T : L in e ar V ariable D iffe re n tia l T ra nsfo rm e r, lõ i b iế n thể v i sai b iể n
th iê n tuyến tín h .
10. M ic ro -M a eh in e s, vi m áy.
11. M E M S : M icro - E lectrom ec h ic al System , h ệ th ố n g vi cơ điện tử.
12. M IP S : M illio n In structio n s P e r S econ d, triệ u lệ n h m ỗi g iây.
13. M L S : M u lti-L e v e l S to rag e , côn g ng hệ b ộ n h ớ đ a m ức.
14. M S T : M ic ro S y stem T e chn olog y , c ô n g ngh ệ vi h ệ thốn g .
15. O ffset: tron g k ỹ th u ật d iên tử, th u ậ t n g ữ n à y đ ư ợ c d ù n g để chỉ h iệ n
tư ợ n g đ iệ n áp lối ra c ù a m ộ t thiế t bị lệch kh ỏ i g iá trị 0 k h i k h ô n g có
tá c đ ộ n g ở đ ầu vào.
16. P soC : P ro g ra m m ab le S y stem -on -C h ip , h ệ thố n g o n -ch ip k h ả trìn h .
17. R IS C : R e d u c e d Instru c tion S e t C o m pu te r, m áy tín h với tập lệnh rú t g ọ n.
18. R P M : R e c o rd/P la y M o d u le, m ô đu n th u ph át âm số.
19. S I: S y stèm e In tern a tio na l d 'U nités (tên tiến g P háp ), h ệ th ố n g c á c đơ n v ị
q uố c tế.
20. TCO: T e m p erature C o e ffic ien ts o f O ffset, các hệ số n h iệt độ c ủ a o ffs e t
2 1 . T C S : T e m p erature C o e fficie nts o f s p a n , c ả c h ệ s ố n h iệ t đ ộ c ủ a tha n g
m ở rộn g.
22. T F T : T h in F ilm T ran sis to r, tra n z ito m à n g m ỏn g .
23. W a fe r: m ộ t lát v ậ t liệu b án dẫn m ỏ n g đ ư ợ c sử đ ụn g đề chế tạo các
m ạ ch ữ o n g c ô n g n g h ệ vi điện tử .
ix
D A N H M Ụ C C Á C B Ả N G
T ra ng
B ả ng 1-1: B ả n g ch u yển đ ổi giữ a các đơn vị áp suất th ư ờ n g đ ù n g

9
B ả n g 3-1: C h ứ c n ăn g c á c c hâ n

.
55
B ả n g 3-2: C ác giá trị định m ức c ực đ ại 55
B ả n g 3-3: C ác đặc trư n g hoạ t đ ộ n g
.
55
B ả n g 3-4: C h uy ển đổi áp suất th àn h độ c a o 71
B àn g 3-5 : C h ử c n ăn g cá c c h â n 75
B ản g 3-6 : C á c giá trị đ ịn h m ứ c cực đạ i 76
B ản g 3-7 : C á c đặc trư n g ho ạt đ ộ n g
.
76
X
D A N H M Ụ C C Á C H Ì N H V Ê
T ra n g
H ình 1-1 : Á p su ấ t ở điểm bất kỳ c ho trư ớ c tro n g ch ấ t lỏ n g

3
H ìn h 1-2: M inh h o ạ n guyên lý A rc h im e d e s 4
H ìn h 1-3: Á p s u ất c ủ a m ộ t ch ấ t lỏng đ ượ c c h ứ a ứ o n g b ình c h ứ a đượ c
5
q u a n s át kh i đụ c m ột lô nhỏ trê n thàn h cù a b ìn h c h ứ a

H ìn h 1-4: M in h ho ạ địn h luật P a s ca l
6
H ình 1-5: M ộ t c ơ cấ u ố n g P itot có th ể đư ợ c sử d ụ n g để đ o v ận tổ c di
ch uy ển c ủ a chất lòn g

.
7

H ìn h 1-6: T ín h ch ất c ó th ể n én đ ư ợ c củ a ch ất k hí đư ợ c m inh h o ạ thôn g
q u a m ố i liên hệ p hi tuy é n g iữ a áp su ấ t khí qu y ển v à độ cao 7
H ình 1-7: C ù n g m ộ t c ảm biến có th ể đ ư ợ c s ử dụ n g ch o 3 loại p hé p đ o
á p suất chỉ k h ác nhau ở áp suất th am ch iế u
8
H ìn h 1-8: S ơ đ ồ khố i chú c n ăng củ a m ộ t cảm b iến áp su ất 10
H ình 1-9: C á c p h ần tử cảm b iến áp su ấ t cơ b ả n 12
H ình 1-10: N h iệ t độ có ảnh h ư ở ng tới độ dịch o ffset cùa cảm b iế n áp
s u ấ t 13
H ỉn h 1-11 : Đ ộ nhạy cảm c ủ a cảm biến cũ ng b ị tá c độ ng bởi n h iệ t độ. 13
H ìn h 1-12: P h ư ơ n g p há p b ìn h ph ư ơ n g tối th iểu có th ể đ ư ợ c sử dụ ng để
đ o đ ộ tuyến tín h c ủ a cảm biế n áp su ấ t 13
H ìn h 1-13: M inh ho ạ tính c hất có thể lặp lại ph é p đ o c ủ a cảm b iến á p
r 14
s u ấ t
.

H ình 1-14: H iệ n tu ợ n g trễ n h iệt 14
H ìn h 1-15. M inh h o ạ cảm biến áp suất kiểu b iến trở 15
Hình 1-16: M ột cảm biến áp suất kiểu LV D T

16
xi
H ìn h 1-17: C ả m biến áp su ấ t đ iện d u n g b a o gồ m 2 đĩa p h ẳn g p hâ n cách
b ằ n g ch ân k h ô n g 17
H ìn h 1-18: M ộ t c ả m b iế n áp s u ất đ iệ n d u n g p h ứ c tạ p hơ n đ ư ợ c đ ùn g để
đ o á p su ất vi sa i
.

17

H ìn h 1-19: C ả m b iế n á p đ iệ n c h uy ển đ ổi s ứ c c ă n g thàn h đ iện thế v à
n g ư ợ c lại. C ác cảm b iế n ừ ê n cơ sở côn g ng hệ nà y đ ư ợ c đù n g
đ ể đo áp su ất b iến th iê n 1 g
H ìn h 1-20: C á c c ả m b iến đo áp su ấ t kiểu đ o ỉực că n g đ o sứ c c ă ng củ a
v ậ t liệ u k hi áp tới v ậ t liệ u đó m ộ t l ự c 19
H ìn h 1-21: M ộ t tha n h sílic c ó th ể đư ợ c liê n k ế t tới m ộ t m à ng m ỏ n g để
tạo th àn h m ột cảm biến đ o sú c c ă n g
19
H ìn h 1-22: Q u á t ì n h chế tạo IC đ ượ c sử đụ n g để tạo các áp trở trên bề
m ặt c ủ a m ộ t m iế n g S i k hi sản x u ấ t m ộ t cảm b iến áp su ất áp
trở tích h ợ p 20
H ình 1-23: C á c cảm biến áp s u ất b án đẫn tích h ợ p loại áp ừ ở h ợp nh ất
b ố n á p trở tro n g m à n g m ỏn g . B ố n điện trở n ày đ ượ c n ối
th à n h m ộ t m ạch c ầ u bố n phần tử 2 0
H ình 1-24: M ặ t s a u c ủa m iển g b án d ẫn đ u ợ c kh ắc để tạ o m à n g m ỏ ng
c ủ a cả m b iến á p suấ t áp ừ ở 21
H ình 1-25: C ả m b iến áp su ất áp ư ở có th ế đ ư ợ c cấu h ình để c u ng cấp
v iệc đ ọ c á p s u ấ t tuy ệt đối, vi sai ho ặc gaug e, p h ụ thu ộ c vào
đ iể m th a m ch iếu . M ả n g m ỏn g ch ỉ ra ữ o n g trư ờ ng h ợ p nà y bị
lệch đi đ ư ớ i á p su ấ t vi sai đ ư ợ c áp tớ i 2 1
H ỉn h 1-26: M ộ t cả m b iế n áp s u ất silic tíc h h ợ p h o àn toàn có k íc h thư ớc
(b a o g ồ m cả cổ n g ) là: d ài 0,52 in, rộ n g 0 ,44 in, c ao 0,75 in 22
H ình 2-1: C ô n g n g hệ M E M S đ ư ợ c liên k ế t ừ o n g các th iết bị c ơ k ích
th ư ớ c m ic ro m é t 24
H ình 2-2: M ô h ìn h c h ứ c n ă n g của m ột th iế t bị cảm biến ư ê n cơ sở
M E M S điể n h ìn h 24
H ìn h 2-3 : B ộ gia tố c v ới ph ầ n IC đ iều k h iể n bê n ta y trái và tế b ào cảm
b iến b ê n ta y p h ả i ^
H ìn h 2-4: C ả m biến áp suất đ iện d u ng th eo cô ng n gh ệ vi cơ b ề m ặ t

29
H ìn h 2-5 : Q u y trình v i cơ k h ố i 31
H ìn h 2 -6 : M ặ t cắt ng an g của m àng silic 3 2
H ình 2-7 : S ơ đ ồ m inh h o ạ m ộ t cảm biế n áp su ất v ớ i c ác p h ầ n tử áp trở
k h u ế c h tá n
.
^
H ình 2 -8: B ố n p hầ n tử ảp trở tạo thàn h m ộ t c ấ u h ỉnh cầu W heatsto ne 35
H ìn h 3-1 : S ơ đ ồ khố i k iến trúc vi đ iều khiể n A V R

.
39
H ìn h 3-2: S ơ đ ồ chân c ủa A T M eg a8 5 3 5 42
H ìn h 3-3 : S ơ đ ồ k hố i củ a A T M eg a8 53 5

.

43
H ìn h 3 -4: M ạ ch lối v ào tư ơ n g tự ,

.

46
H ìn h 3 -5: M á y n én b ê tô n g 1 0 0 T
48
H ình 3 -6: M ộ t lo ại áp k ế được sử đ ụn g đ ể đo đ ộ c h ịu lự c c ủ a vậ t liệu 4g
H ỉnh 3-7: M á y n én b ê tông T o niPA C T III cù n g v ớ i hệ thố ng điề u k h iển 50
H ình 3-8: M á y kiểm tra sứ c n én củ a b ê tôn g loạ t C C H

50

H ìn h 3-9: M á y n é n th u ỷ lự c d ù ng tron g kiểm fra sứ c n é n c ủa b ê tông:
a ) loại chỉ thị k im tru y ền thố n g; b) loại h iện th ị số , g h ép nối
m á y tín h 51
H ình 3 -1 0: S ơ đ ồ k hố i chứ c n ă ng c ủ a h ệ đ o 52
H ìn h 3-11 : S ơ đ ồ cảm biển M P X 5 7 0 0 54
H ìn h 3-1 2: C á c loại cảm biế n ảp s u ấ t h ọ M P X 5 7 0 0
54
H ình 3-1 3 : N h iễ u ư ê n tín h iệu lối ra củ a c ảm biến tích h ợ p

57
H ình 3 -1 4 : M ạ ch lọc th ô n g th ấ p R C lối ra v à k h ử g hé p n gu ồ n n u ô i

58
H ìn h 3-15: S ử d ụn g m ộ t bộ đệm R a il-to -R a il đ ế giả m trở k h á n g lối ra
c ủ a m ạch lọc R C 3 ừ
H ìn h 3 -16: S ơ đ ồ m ạ c h v i điề u k h iể n
60
H ình 3-17: S ơ đ ồ m ạc h LE D h iển th ị 6 ]
x ii
xiii
H ìn h 3-1 9 : B ả n m ạ c h in của h ệ đo 64
H ìn h 3-20: G iao d iện h iện thị k ết qu ả đo b à n g m áy tín h 65
H ìn h 3-21 : M ộ t th iết bị đ o độ cao sử dụ n g tro n g m áy b a y 68
H ỉnh 3 -22: C ác thiế t bị đo đ ộ cao b ẳ ng rad a r d ù n g tro n g m áy b a y 69
H ìn h 3-23: C á c thiế t b ị đ o độ ca o cầm ta y 69
H ìn h 3 -2 4: M ộ i th iế t bị đo đ ộ cao k h á c 70
H ìn h 3 -2 5 : Á p suất k h í q u yển nh ư m ộ t h àm củ a đ ộ ca o 72
H ìn h 3-2 6 : S ơ đồ khổ i củ a h ệ đ o
73
H ỉn h 3-2 7 : H ệ đ o s a u k hi lắp rá p 74

H ìn h 3 -28: C ả m b iến M P X A 6 115 A 6 U 75
H ình 3 -2 9: S ơ đồ k h ối củ a cảm biế n M P X A 6 1 1 5 A
75
H ình 3-30: M ô đ un th u p h á t R F 9 X ten d 78
H ình 3-31 : L ư u đồ thu ật toán 79
H ỉn h 3-32: K ế t q u ả đ o hiển thị trên m àn hình L C D 81
H ình 3- 3 3: V i m ạ ch P S o C CY8C2XXX

.
83
H ìn h 3-3 4 : S ơ đồ k hối h ệ th ống tươ ng tự có th ể đư ợc k ế t n ổ i vớ i nh a u
84
th ô n g q u a các b us tron g P S o C

H ình 3-3 5 : S ơ đồ k hổi h ệ th ố ng số c ó th ể đ ư ợ c k ế t nối với nh a u thôn g
85
q u a các b us tro ng PS oC
H ìn h 3 -36: C ả m b iến á p su ất M S 5 5 3 5A 86
H ình 3-3 7: M ộ t số v í dụ v ề c á c th iế t b ị cầm tay thôn g b á o kết q u ả bàng
g iọn g n ó i
H ỉn h 3-3 8 : S ơ đ ồ kh ối củ a m ô đu n R P M 88
H ình 3-39: H ệ thố ng đo n h iệ t độ, độ ẩm v à ảp suất kh í q u y ển

9 0
H ình 3 -4 0 : S ự k ết nối c ủ a L M 35 tớ i h ệ th ố n g
92
H ình 3-41 : C ảm b iến độ ẩm tư ơn g đối H M 1500 93
H ỉnh 3 -42: B ản m ạc h của hệ đ o
.
94

Hình 3-18: Lưu đồ thuật toán tìm giá trị cực đạ i

.
63
T ro ng n h ữ ng năm gần đây, vớ i sự p h á t triể n củ a c ô n g n g h ệ b án d ẫn tron g v iệc
tạo ra n h ữ n g bộ v i x ử lí v à vi đ iều kh iển , cá c h ệ th ố ng đo lư ờ n g v à điều k h iể n n g à y
cà n g th ô n g m inh hơ n, giải quy ế t n hiều bài to án p hứ c tạp hơn.
B ê n cạ n h đ ó sự ph á t triển tron g c ôn g n g h ệ chế tạ o IC b án d ẫ n c ũ n g đ ư ợ c ứ n g
d ụn g v à cải tiế n đ ể c ó th ể tích hợ p n h iề u h ơ n các tính n ăn g của m ộ t h ệ th ố n g cơ-
đ iện lên m ộ t đ ế b ản dẫn đ ể tạo ra c á c h ệ th ố n g vi cơ đ iện tử on-chip . C á c h ệ thố ng
v i cơ đ iệ n tử (M E M S ) là m ộ t công n gh ệ m ớ i có n h ữ n g b ư ớ c p h á t triể n rất n ha n h
g ần đây . M E M S là sự k ết hợp c ủa c á c linh k iện cơ , cảm b iế n , các b ộ tru y ề n đ ộ n g v à
các lin h kiện đ iện tử trê n cùng m ộ t đế b á n đ ẫn S ilic th ôn g q u a sử d ụ n g c ôn g n gh ệ vi
c h ế tạo. C ô n g n g h ệ này đã m ở rộn g c á c th iết k ế h a i ch iều tru y ền th ố ng c ủa c ác c h ip
đ iệ n tử ; n ó có thể tạ o ra cá c cẩu trú c b a ch iể u tro n g m ột lá t m ỏn g (w a fer) silic. M ụ c
đ ích củ a tấ t cả c á c giải p háp đó là tạo ra k h ả n ăn g đặt to à n b ộ hệ th ố n g lên m ộ t c hip.
C ó th ể n ó i c á c ứ n g d ụ ng c ủ a M E M S là rấ t lớ n và các M E M S đ a ng n g ày c àn g thâm
n h ập sâu v ào tất c ả các s ả n p h ẩm , từ c ác sả n ph ẩ m d ân đ ụ ng dến các thiết b ị đ iều
k hiể n tro n g c ô n g n gh iệp , tự đ ộ ng ho á, y tế, q u ân s ự ,
S ự k ết hợ p g iữ a m ộ t cảm b ién á p su ấ t c ô n g ng hệ M E M S v à m ộ t v i đ iều k hiển
ch o ta m ộ t th iết k ể h ệ th ố n g h o àn ch in h ứ n g d ựng ừ o n g đ o lư ờ n g v à điều k h iển v ớ i
g iá thàn h thấp. N h iều ứ ng d ụn g trư ớ c đ ây h ầu n hư k h ô n g th ể th ự c h iệ n đ ư ợ c v ì
n h ữ n g k h ó k h ă n đ ế n từ p hía c ác c ả m b iến á p su ấ t thỉ n ay c ó thể đễ d àn g th ự c hiện
vớ i các cả m b iế n áp suất côn g n g hệ M E M S . Đ ể m in h c h ứ n g k h ả n ăn g ứ n g d ụ n g c ủ a
M E M S tro n g các th iế t bị đo lư ờ n g v à đ iều k h iể n , tro ng lu ận v ăn n à y tác g iả đ ã đ ư a
ra v à th ự c h iệ n 3 th iết kế ứn g đụ n g c ụ thể trê n cơ sở các c ả m biển áp su ấ t M E M S .
L u ậ n v ãn đ ư ợ c trình bày th à nh 3 ch ư ơn g:
C h ư ơ n g 1: Á p s u ấ t v à vỉệ c đ o á p s u ấ t trin h b ày m ộ t số kh ái niệm liên q u a n đ ến
áp su ấ t v à c á c p h ư ơ n g ph á p đ ư ợ c sử d ụn g để đ o áp suất.
M Ở ĐẦ U

Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng
C h ư ơ n g 2: C ả m b iế n á p s u ấ t M E M S . C ác k hái n iệm liên q uan đ ế n M E M S , c á c
q u y trìn h sàn x uấ t M E M S cũng n hư c á c cảm b iến áp suấ t M E M S đ ượ c g iở i th iệ u
tron g p h ầ n này .
C h ư ơ n g 3: M ộ t số ứ n g d ụ n g c ủ a c ả m b iến á p s u ấ t M E M S trìn h b ày 3 ứ n g
d ụ n g củ a c ả m b iến áp suất côn g n gh ệ M E M S tro n g đo lư ờ n g v à điều k hiển. T ro ng
p h ầ n n ày nh ằ m ph ục v ụ c h o v iệ c th iế t k ế c ác h ệ đo, c á c k iế n thứ c v ề p h ầ n cứ n g v à
lập trình c h o vi đ iều k hiển A V R c ũn g đư ợc đề cập.
H y v ọ n g luận v ăn đ ã g iới th iệu đ ư ợ c n h ữ n g hiểu biế t cơ b ản v ề c ôn g n g h ệ cảm
b iế n á p su ất M E M S cũn g n h ư m ộ t số k ế t q u ả ứ n g dụ ng củ a c ả m b iến n à y ứ o n g các
lĩn h v ự c củ a cu ộ c số n g h à n g ng ày.
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hừng
C hương 1
Á P S U Ấ T V À Đ O Á P S U Ấ T
1.1 C ơ S Ở V Ậ T L Ý C Ử A C Ả M B IẾ N Á P S U Ấ T
1.1 .1 Á p s u ấ t t ĩn h
Á p su ấ t p đ ư ợ c đ ịnh ng hĩa là lự c F tá c đ ộ ng trên m ộ t đơn v ị diệ n tích A , n g h ĩa là:
p = F /A (1-1)
V iệc đ o á p su ất n ói c h un g th ư ờ n g liên q u an tới các ch ấ t lỏn g h o ặ c khí. M ộ t b ìn h
c h ứ a đ ư ợ c đ iền đầy b ằn g m ột c hấ t lỏn g (h ừ ih l-1 ) có ốp s u ấ t ở m ộ t đ iểm ừ o n g ch ấ t
lỏn g đ ư ợ c x ác định bởi:
p = A F / A A = h w (1 -2 )
tro n g đ ó :
• h : là k h o ản g cách từ b ề m ặt chất lỏ n g tới đ iểm đo.
• w : ư ọ n g lư ợ n g củ a ch ất lỏn g (h ầ u h ế t c ác ch ấ t lỏ n g là k h ô n g n én đ ư ợ c)
1 r
• p
H ìn h 1-1: Áp suất ở một điểm bất kỷ cho trước trong chất lỏng ừong một bình
chúa được quyết định bửi ừọng lượng của chất lỏng và khoảng cách từ

điểm đó tớ i bể mặt.
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
-4-
T rọ n g lư ợ n g củ a m ộ t đ ơ n v ị th ể tích V c ủ a ch ất lỏ ng đ ư ợc x ác đ ịn h b ở i:
w = mg/v (1-3)
tro n g đó:
• m : k h ố i lư ợ ng ,
• g: g ia tốc rơ i tự do.
M ối liê n h ệ nà y có thể đượ c sử d ụ ng đ ể x ác địn h độ c a o củ a c ộ t ch ấ t lỏ n g tro n g
b ìn h c h ứ a th ôn g q ua v iệc đo áp suất.
M ậ t đ ộ k hố i p đ ượ c cho bời:
p = m /V (1-4)
N h ư vậ y , m ật độ (tỷ trọ ng ) c ủa chất lỏ n g x ác đ ịnh áp su ất p đ ư ợc g â y bởi m ộ t độ
ca o c h o trư ớ c. T hu ỷ n g ân có m ậ t đ ộ lớn h ơ n n ư ớ c 13,63 lần, v ì vậ y sẽ g ây ra áp
su ất b ằn g 13,63 áp suất gây ra b ời m ộ t cộ t n ư ớ c c ó cù ng đ ộ cao . C h ú ý rà n g á p suấ t
ở đ â y ỉà tổ n g á p su ất g â y bởi c ộ t c hấ t lón g v à á p suất k h í qu y ển tác đ ộn g lên b ề m ặt
c h ấ t lỏ ng. Đ ộ c a o cột ch ấ t lỏ n g là:
h = P /P g (1 -5 )
Hình 1-2: M inh hoạ nguyên lý Archimedes.
N g u y ên lý A rc him ed es chỉ ra rằng: " M ộ t v ật th ể chìm tro n g nư ớ c h oà n to àn h a y
m ộ t p h ần đ ư ợc n â ng lên bở i m ộ t lự c bằ n g trọ n g lượ ng c ủa kh ố i c h ấ t lỏn g bị ch iếm
ch ỗ". M ộ t kh ối v ậ t liệ u cho trư ớ c n h ú ng n g ập tron g m ộ t b ình c h ất lỏ n g (h ìn h 1-2)
vớ i d iện tích A v à độ d à i L , áp su ất hư ớ ng x u ố n g và áp lê n b ề m ặ t đỉn h c ủ a k h ố i v ậ t
liệu sẽ là:
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
-5-
P D = h P g (1-6)
v à á p su ất h ư ớ n g lên trên và tác đ ộn g lên b ề m ặt đáy cù a khối vậ t liệu là:

P u = (h + L )P g (1-7)
d ẫn đ ến á p su ảt tổ n g cộ ng là:
P u - P Đ = LPg (1-8)
v à lự c b ằ n g th ể tích c ủ a k h ố i ch ấ t lỏ ng n h â n với ừ ọ n g lượ ng củ a k hố i ch ất lỏ n g bị
th ay thế.
H ình 1-3: Áp suất của một chất lỏng được chứa trong bình chứa được quan sát
kh i đục một lỗ nhỏ trên thành của bình chứa.
Á p su ất tác d ụn g lên m ặt tro ng củ a bỉn h c h ứ a v u ô ng g ó c v ớ i bề m ặt, đ iề u nà y có
thể ch ứ n g m inh b ằ n g cách kh oan m ộ t lỗ ứ ê n th àn h của m ộ t b ìn h ch ứ a nư ớ c v à q uan
sá t n ư ớ c th o á t qu a lỗ (h ìn h 1-3). Á p su ấ t n ày đư ợ c g ọi là ấp suất tĩnh.
Đ ịn h luật P a sc al chỉ ra rằng m ộ t sự tăn g v ề áp suất tại m ộ t đ iểm b ấ t k ỳ tro n g ch ấ t
lỏ n g sẽ d ẫ n tới m ộ t sự tăng tư ơ n g ứn g ở m ọ i đ iểm k há c ứ o n g lò ng c hấ t lỏ n g đó.
N g uy ê n lý n à y đ ư ợ c s ử d ụn g ừ o n g các h ệ th ổ n g thuỷ lự c, c hẳ n g hạn k íc h và p h a n h
ô tô. H ình 1-4 c h ỉ ra m ộ t cơ c ấu ch o ph ép tạ o ra m ộ t lực lớ n h ơ n b ằn g v iệ c đ ổ i lẫn
g iữ a m ộ t s ự d i ch uy ể n lớ n c ủ a m ộ t p isto n n h ỏ v ớ i m ộ t s ự d i ch uy ể n n h ỏ c ù a m ộ t
p isto n lớn .
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
Hình 1-4: Minh hoạ định luật Pascal.
1.1.2 Áp suất chất lỏng động
Áp suất trong một chất iỏng chuyển động có hướng song song với hướng chuyển
động được gọi là áp suất tác động (impact pressure), Pi. Nguyên nhân là do động
năng của chất lỏng:
Pi=PVoV2 (1-9)
trong đó:
• P: mật độ,
• v0: vận tốc chất lỏng.
Nguyên lý Bernoulli chi ra rằng với dòng chảy nằm ngang ta có mối Hên hệ sau:
Ps = Po + Pi (1-10)
trong đó:

• ps: áp suất tổng,
• p0: áp suất tữih.
Mối liên hệ này cho phép xác định vận tốc chảy trong một loạt các ứng đụng.
Viết lại phương trình ta có:
VD = V 2(Ps-Po)/p (1-11)
Vận tốc của đòng chất lỏng được đo với một cơ cấu ống Pitot như được chỉ ra
trong hình 1-5. Ổng song song với dòng chảy đo áp suất tổng cộng và ống vuông
Luân Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
góc với dòng chảy đo áp suất tĩnh. Phương pháp này được sử dụng trong các ứng
dụng HVAC và trong các máy bay để đo vận tốc ỉuồng không khỉ.
Hình 1-5: Một cơ cấu ống Pitot có thể được sử đụng để đo vận tốc di chuyển cùa chất lỏng.
Chất khí: Chất khí phân biệt với chất lỏng ở 2 khía cạnh: có khả năng nén và lấp
đầy không gian bình chứa chúng. Áp suất không khí biển thiên theo độ cao chỉ ra
trong hình 1-6 là ví đụ về hiệu ứng nén được của chất khí.
Hình 1-6: Tính chất có thể nén được của chất khí được minh hoạ thông qua mối liên hệ
phi tuyến giữa áp suất khí quyển và độ cao.
Các hiệu ứng động: Áp suất tĩnh được đo dưới điều kiện trạng thái ổn định
hoặc cân bàng, trong khi phần lớn các ứng dụng trong đời sổng hàng ngày lại liên
quan đến áp suất thay đổi hay động. Ví dụ, việc đo huyết áp (áp suất máu) thường
cho 2 giá trị ừạng thái ồn định là áp suất tâm thu và áp suất tâm thất.
Để đo các áp suất thay đổi, ta càn quan tâm đến đáp ứng tần sổ của cảm biến.
Một cách gần đúng, đáp ứng tần số nên lớn gấp 5-10 lần thành phần tần sổ cao nhất
trong tín hiệu áp suất. Đáp úng tần số đuợc định nghĩa là tần sổ cao nhất mà cảm
biển sẽ đo mà không có méo hoặc sự suy giảm. Đôi khi thời gian đáp ứng được sử
dụng thay thế. Trong gần đúng bậc nhất, chúng được liên hệ như sau:
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
-8-
Fb - \!2%x

(1*12)
trong đó: • FB: tần số mà ở đó đáp ứng giảm 50%,
• T: hằng sổ thời gian mà ở đó lối ra tăng tới giá trị bằng 63% giá trị
cuối cùng của nó khi có một bước nhảy thay đổi ở lối vào.
1.1.3 Các loại phép đo áp suất
Áp suất có thể được đo trong mối liên hệ với áp suất chân không, áp suất khí
quyển hoặc với một áp suất khác.
Áp suất tuyệt đổi: được đo so với áp suất chân không lý tưởng. Một ví dụ là đo
áp suất khí quyển.
Áp suất vi sai đo sự sai khác về áp suất giữa 2 điểm của phép đo. Thiết kế của
các cảm biến đo áp suất vi sai thường phức tạp hom vì đòi hỏi hai áp suất
phải được áp đồng thời lên cấu trúc cơ khí. Các đặc tính kỹ thuật của các
thiết bị này cũng đòi hỏi cao hơn vì nỏ phải tách các áp suất vi sai nhỏ trên
nền một áp suất tĩnh lớn.
Ấp suất Gauge được đo tương đối với áp suất môi trường, do đó một phần của áp
suất phải được làm thông tới áp suất môi trường. Đo huyết áp là một ví dụ
của kiểu đo này.
Hỉnh 1-7: Cùng một cảm biến có thể được sử dụng cho 3 loại phép đo áp suất chỉ
khác nhau ở áp suất tham chiếu.
Ba loại đo áp suất được chỉ ra trong hình 1-7. Các cảm biến có thể được sử dụng
cho tất cả 3 loại; sự khác biệt chỉ ở áp suất tham chiếu được dùng. Áp suất vi sai có
Ảpsuất
vi sai
1 atm 14.7
psia
Áp suit
tuyệt đói
Opsia
chân không tuyột đ ii
Luận Vãn Cao Học

Nguyễn Kiêm Hùng
thể được đo ở bất kỳ đâu trong dải ở trên, ở duới hoặc xung quanh áp suất khí
quyển.
1.1.4 Các đơn vị đo áp suất
Như đã đề cập ở trên, áp suất là lực tác dụng ứên một đom vị diện tích và theo hệ
SI đơn vị của áp suất là N/m2 hoặc Pascal (Pa). Ngoài ra cũng còn có nhiều loại đơn
vị khác nhau được sử đụng phụ thuộc vào sự phù hợp của chúng đối với từng ứng
dụng. Ví dụ, huyết áp thường được đo bằng mmHg bởi vì các áp kế thuỷ ngân đuợc
sử dụng. Áp suất khí quyển thường được biểu điễn theo inHg với lý đo tương tự.
Các đơn vị khác được sử đụng cho áp suất khí quyển là bar và atm. Các hệ số
chuyển đổi sau được sử dụng khi cần chuyển đổi giữa các đơn vị:
Bảng 1-1: Bảng chuyển đổi giữa các đơn vị áp suất thường dùng.
KPa
mm Hg
Millibar Id H 20 Psi
1 atra 101,325
760
1013,25
406,795
14,6960
1 kPa 1
7,50062
10
4,01475
0,145038
1 mm Hg
0,133322
1
1,33322
0,535257 0,0193368

1 millibar
0,1
0,750062
1
0,401475 0,0145038
1 in H 20
0,249081
1,86826
2,49081
1 0,0361
1 psi
6,89473
51,7148
68,9473 27,6807 1
1 mm H20
0,009806
0,07355 9,8* 10'8 0,03937 0,0014223
1.1.5 Sự cảm nhận áp suất
Thông thường áp suất được đo bằng cách giám sát ảnh hường của nó lên các cấu
trúc cơ được thiết kế một cách đặc biệt để bị lệch hoặc uốn cong khi có áp suất đặt
vào. Các cấu trúc này được gọi là các phàn tử cảm biến. Thông qua sự biến dạng
ừong vật liệu của các phần tử cảm biển này có thể xác định độ lớn của áp suất. Sơ
đồ khối của một quy trình như vậy được chỉ ra ứong hình 1-8. Áp suất được cảm
nhận bởi các phần tử cơ chẳng hạn như các đĩa, màng và các ống Đây là những
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
-10-
ccr chế cơ bản được sử dụng để chuyển đổi áp suất thành sự di chuyển vật lý. Sau
đó, sự chuyển động này càn được biến đổi năng lượng để nhận được tín hiệu điện
hoặc một dạng tín hiệu khác. Cuổi cùng, có thể còn phải định dạng (conditioning)

lại tín hiệu, phụ thuộc vào loại cảm bién và ứng dụng.
Hình 1-8: Sơ đồ khối chức năng của một cảm biến áp suất.
Các loại phần tử cảm biến phổ biến là các ống Bourdon, các màng, các nồi
capxun và ống xếp (xem hĩnh 1-9).
Ông Bourdon: Ống Bourdon là một ống được bịt kín ở m ột đầu và đàu còn lại
được nối tới áp suất cần đo và thường có dạng chữ c hình (A) hoặc xoăn ổc
hình (B). Ống này có mặt cắt ngang hình elip và khi áp suất được đặt vào
mặt cắt này trở nên tròn hơn làm cho ống thẳng ra cho đến khi lực áp suất
chất lưu được cân bằng bởi trở kháng đàn hồi cửa vật liệu làm ổng. Các dải
áp suất đo khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng các vật liệu khác
nhau.
Nồi capxun: Các nồi capxun thường được sử dụng ứong các máy đo khí áp hộp
(aneroid Barometer). Mỗi máy đo khí áp này thường gồm một nồi capxun
kim loại linh động ở cả mặt trước và mặt sau hình (E). Hình dạng của capxun
bị biến đổi theo sự biến thiên cửa áp suất đặt vào và sự biển dạng này thường
được khuếch đại cơ học bởi một chuỗi các đòn bẩy (lever) hoặc bánh răng.
Capxun áp suất có thể được chế tạo dưới dạng một tập hợp cảc ống xếp hỉnh
(F) để đạt được độ biến dạng lớn hơn. Đáp ứng động của các thiết bị loại này
kém hơn do khối lượng của mỗi phần tử cảm biến và chúng thường không
phù hợp với các ứng dụng đo áp suất động.
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
-11-
M à n g : Các màng là cấu trúc cơ đom giản nhất phù hợp cho sử đụng như một
phần tử cảm biến. Chúng đưọc sử dụng làm phần tử cảm biến trong cả các
cảm biến áp suất công nghệ MEMS và truyền thống. Trong trường hợp
MEMS do bản chất planar của nhiều quy trình chế tạo đã được thiết lập,
màng là dạng chính của phần tử cảm biến. Phần này đầu tiên sẽ xem xét lại
lý thuyết cơ bản về màng trước khi phân tích chi tiết các khía cạnh thực tế
liên quan tới các cảm biến MEMS trong phần sau. Các màng thép nguyên

chất thường đựơc hợp nhất trong một vỏ để cách ly cảm biến khỏi môi
trường. Cách cư xử của các màng thép nguyên chất sẽ ảnh hưởng lên hiệu
suất của cảm biến và phải xem xẻt khi thiết kế thiết bị.
Áp suất được đặt vào một (hoặc cả hai) mặt cùa màng sỗ làm nổ bị uốn
cong cho đến khi lực đàn hồi cân bằng với áp suất. Dải áp suất đo của một
màng cho trước phụ thuộc các kích thước của nỏ (diện tích bề mặt và độ
dầy), dạng hình học, các điều kiện biên, và vật liệu chế tạo. Các cảm biến áp
suất màng kim loại truyền thống được làm từ một dải các vật liệu như thép
nguyên chất 31ỐL, 304, 17-4PH, PH 15-7 Mo, titan, hợp kim niken. Đối với
các cảm biến truyền thống, màng là phần tử cảm biển đơn giản nhất khi sản
xuất. Chúng nhậy cảm ít nhất đối với các dao động, cung cấp đáp ứng động
tốt nhất và có khả năng tương thích vởi các dạng bảo vệ quá tải đơn giản.
Tuy nhiên, độ uốn cong liên kết vói các màng nhỏ hơn nhiều so với chẳng
hạn ống Bourdon.
M á y đ o á p su ấ t c ơ học: Trong phép đo áp suất Gơ học, sự di chuyển được tạo ra
bởi phần tử cảm biến được đọc một cảch trực tiếp bởi một đồng hồ đĩa hoặc một
kim chi. Những thiết bị này thường gặp ữong các ứng dụng có chỉ tiêu chất lượng
thấp chẳng hạn như đo huyét áp. Phương pháp cơ học được sử dụng để ghép phần
tử cảm biến với chỉ thị kết quả lối ra có thể đưa vào các lỗi có tính chất lặp lại. Khối
lượng cơ học của máy đo cũng giới hạn đáp ứng tần số và lảm cho các cảm biến này
chỉ phù hợp với các phép đo thay đồi chậm.
Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng
- 1 2 -
BQnh 1-9: Các phần tử cảm biến áp suất cơ bản có thế được cấu hình như một ổng
Bourđon dạng chữ c (A); một ống dạng xoắn ổc Bourdon (B); màng mỏng
phẳng (C); màng mỏng dạng xoắn (D); nồi capxun (E); hoặc một tập các ống
xếp (F).
Các cảm biển áp suất cơ điện tử: Các cảm biến áp suất cơ điện tử chuyển đổi áp
suất được đặt vào thành tín hiệu điện. Một lớp rộng các vật liệu và công nghệ đã
được sử dụng trong các thiết bị này. Tín hiệu điện lối ra cũng cung cấp một loạt các

lựa chọn cho những ứng dụng khác nhau.
ỉ.1.6 Các hiệu ứng của cảm biến
Một cảm biến áp suất có thể được mô hình hoá như sau:
VouT = ko + k,P (1-13 )
trong đó:
• k o : độ dịch offset,
• k i: độ nhạy áp suất tính theo v/áp suất.
Một cảm biến cũng sẽ thể hiện các hệ số địch oíTset đo nhiệt độ (cũng được gọi
là dịch điểm không) và độ nhạy (xem hình 1-10 và 1-11).
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
-13-
EBnh 1-10: Nhiệt độ có ảnh hưởng tới độ dịch oíĩset của cảm biến áp suất.
Hình 1-11: Độ nhạy cảm cùa cảm biến cũng bị tác động bởi nhiệt độ.
Tín h tuy ển tỉn h ám chỉ độ lệch khỏi đường thẳng lý tưởng được miêu tả bởi
phương trình (1-13). Một phương pháp để đo độ tuyến tính ỉà sử dụng phương pháp
bình phương tối thiểu, cho ta một đường thẳng phù hợp tốt nhất (xem hình 1-12).
Hình 1-12: Phương pháp bỉnh phương tối thiểu có thể được sử đụng để đo độ
tuyến tính cùa cảm biến áp suất,
Tín h c h ấ t có th ể lặp lạ i p h é p đ o n h iều ỉầ n liên quan tới khả năng của cảm biến để
tạo cùng một tín hiệu lối ra khi áp liên tiếp cùng một áp suất ở lối vào (xem hình 1-
13).
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng
-1 4 -
Eũnh 1-13: Minh hoạ tính chất có thể iặp lại phép đo của cảm biến áp suất.
H iệ n tư ợ n g t r ễ liên hệ tới khả năng của cảm biến cho ra cùng một giá trị lối ra
khi thực hiện tuần tự tăng và sau đó là giảm áp suất đầu vào cùng một lượng (xem
hình 1-14).
H iệ n tư ợ n g t r ễ n h iệ t liên hệ tới khả năng của cảm biển cho ra cùng một giá trị lối

ra ờ một nhiệt độ cho trước trước và sau một chu trình nhiệt. Hiệu ứng trễ và tính cỏ
thể lập lại không dễ để bù và là bộ chỉ thị tính ổn định cơ sở của thiết bị.
Hình 1-14: Hiện tượng trc ỉà khả năng của cảm biến cho ra cùng một kết quả lối ra
ở một nhiệt độ cho trước truớc và sau một chu trình nhiệt.
H ệ Số G ơ u g e là giá trị đo độ nhạy cảm của cảm biến. Nó được định nghĩa như là
tỷ sổ giữa sự thay đổi của tham số truyền dẫn điện qua toàn bộ đải áp suất đo và giá
trị của tham số đó ở áp suất 0.
Do đó, hệ số gauge cùa một cảm biến điện trở là:
AR/R (1-14)
ừong đó:
Luận Văn Cao Học
Nguyễn Kiêm Hùng