Ứng dụng Sensor gia tốc Mems trong việc đo góc nghiêng và đo độ rung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







Vũ Việt Hùng







ỨNG DỤNG SENSOR GIA TỐC MEMS
TRONG VIỆC ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ ĐO ĐỘ RUNG





LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội - 2005




ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




Vũ Việt Hùng

ỨNG DỤNG SENSOR GIA TỐC MEMS
TRONG VIỆC ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ ĐO ĐỘ RUNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật vụ tuyến điện tử và thụng tin liên lạc
Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Cán bộ hướng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Phú Thùy

Hà nội - 2005







MỤC LỤC


Lời cám ơn
Các chữ viết tắt
Danh sách bảng biểu
Danh sách hình vẽ
Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về các hệ vi cơ điện tử (MEMS)
1.1 Giới thi
ệu về MEMS
1.2 Công nghệ chế tạo MEMS
1.2.1 Công nghệ vi cơ khối
1.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt
1.2.3 Công nghệ LIGA
1.3 Sensor gia tốc MEMS
1.3.1 Sensor
1.3.2 Sensor gia tốc
1.3.3 Một số loại sensor gia tốc

1.3.4 Ba loại sensor gia tốc trên thị trường
1.3.5 So sánh một số thông số của sensor gia tốc sử dụng công nghệ
vi cơ với sensor gia tốc dựa trên vật li
ệu áp điện
1.4 Tóm tắt

Chương 2 Tay máy robot
2.1 Giới thiệu
2.2 Phân loại robot
2.3 Các thành phần cơ bản của tay máy robot
2.3.1 Bộ thao tác (Manipulator)
2.3.2 Bộ chấp hành cuối cùng (end - effector)
2.3.3 Nguồn nuôi
2.3.4 Bộ điều khiển
2.4 Động học tay máy
2.4.1 Cấu trúc tay máy
2.4.2 Động học tay máy thuận
2.4.3 Động học tay máy ngược
2.5 Sensor trong robot
2.5.1 Vai trò của sensor trong điều khiển robot
2.5.2 Các loại sensor trong robot
iv
v
vi
vii
ix
1
1
3
4

4
5
6
6
6
7
12
17
19
20
20
20
21
21
22
23
23
25
25
25
28
30
30
31

i
2.5.2.1 Cơ quan tự cảm
2.5.2.2 Cơ quan ngoại cảm
2.6 Tóm tắt

Chương 3 Lý thuyết rung động
3.1 Giới thiệu
3.2 Nguồn rung
3.2.1 Chuyển động quay
3.2.2 Chuyển động tịnh tiến, chuyển động qua lại kiểu pittong
3.3 Các lĩnh vực ứng dụng phân tích rung
3.4 Lý thuyết rung động
3.4.1 Chuyển động điều hòa
3.4.2 Chuyển động không điều hòa
3.4.3 Các tham số đo được
3.5 Thu thập dữ liệ
u
3.5.1 Các thiết bị đo
3.5.2 Phân loại phép đo
3.6 Các loại tín hiệu và định dạng dữ liệu rung
3.6.1 Phân loại tín hiệu
3.6.2 Biểu diễn trên miền thời gian
3.6.3 Biểu diễn trên miền tần số
3.7 Phân tích dữ liệu rung
3.7.1 Tích phân Fourier FIT
3.7.2 Khai triển Fourier FSE
3.7.3 Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT
3.8 Tóm tắt

Chương 4 Thực nghiệm khảo sát sensor gia tốc ADXL202
4.1 Giới thiệu
4.2 Vi điều khiển Basic Stamp BS2SX
4.3 Bộ vi xử lý AT90S8535
4.4 Sensor gia tố
c ADXL202

4.4.1 Cấu trúc sensor
4.4.2 Cấu trúc mạch điện trong sensor
4.4.3 Khảo sát sensor ADXL202
4.5 Kết luận

Chương 5 Đo góc nghiêng và đo độ rung
5.1 Sử dụng sensor gia tốc ADXL202E để đo góc nghiêng
5.1.1 Giới thiệu
5.1.2 Mô tả hệ thống
5.1.3 Kết quả thực nghiệm
31
31
33
34
34
34
35
35
36
39
39
41
42
43
43
44
45
45
47
48

49
50
50
51
52
53
53
53
56
58
60
61
64
69
70
70
70
71
74

ii
5.2 Ứng dụng sensor gia tốc ADXL202AQC đo rung động
5.2.1 Giới thiệu
5.2.2 Mô tả mạch điện
5.2.3 Kết quả thu được
5.3 Kết luận
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
76

76
77
79
84
86
87
89

iii






Lời cám ơn



Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới GS Nguyễn
Phú Thùy, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ cho tôi rất
nhiều. GS Nguyễn Phú Thùy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi

trong thời gian học tập và công tác tại Khoa Công nghệ (giờ là
Khoa Điện tử Viễn thông và Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ
thống).
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới TS. Trần Quang Vinh và các cán
b
ộ phòng thí nghiệm Robotic đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn của mình tới các thầy giáo trong
Khoa, các cán bộ thuộc Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống đã
giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.




Vũ Việt Hùng













iv

Các chữ viết tắt



ACL
ADC
DFT
FFT
FIT
FSE
ICs
iMEMS
ITIMS
LIGA
MEMS
SEM
Advanced Control Language
Analog to Digital Conversion
Discrete Fourier transform
Fast Fourier transform
Fourier integral transform
Fourier series expansion
Integrated Circuits
integrated Microelectromechanical systems
International Training Institute for Materials Science
Lithography, Galvanoforming, moulding processes

Microelectromechanical systems
Scanning Electron Microscope





















v




Danh sách bảng biểu

Bảng 1.1 So sánh các loại sensor gia tốc của các hãng Endevco, PCB Piezotronics
và Analog Devices
Bảng 4.1 Mô tả chân của vi điều khiển BS2SX
Bảng 4.2 Một số thông số đặc trưng của sensor ADXL202
Bảng 4.3 Giá trị điện dung C
x
và C
y
tương ứng với các độ rộng dải thông khác
nhau
Bảng 4.4 Giá trị của điện trở R
SET

17
55
59

63
64

vi




Danh sách hình vẽ

Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4

Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 1.18
Hình 1.19
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3

Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Một số sản phẩm MEMS

Kích thước của linh kiện MEMS
Các thành phần của thiết bị MEMS
Quy trình của công nghệ vi cơ khối
Quá trình chế tạo sử dụng kỹ thuật vi cơ bề mặt
Sơ đồ khối của một hệ lò xo-gia trọng
Các dipole điện trong vật liệu áp điện
Đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp đi
ện
Sơ đồ của sensor kiểu áp trở
Mô hình một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải)
Cấu trúc và một số kích thước hình học của tụ vi phân
Sơ đồ của sensor PCB Piezotronics 352C67
Sơ đồ của sensor Endevco 7265A-HS
Hình chiếu của sensor ADXL50 (bên trên) và ADXL150 (bên dưới)
Ảnh SEM của một phần sensor ADXL150
Biểu đồ phát triển của sensor MEMS của hãng Analog Devices
Đáp ứng biên độ và tần số
Độ nhạ
y và nhiệt độ
So sánh nhiễu nền của hai loại sensor
Các thành phần cơ bản của robot công nghiệp
Các phần của bộ thao tác: thân, cánh tay và cổ tay
Ba bậc tự do trương ứng với chuyển động của cổ tay robot:
chuyển động lên xuống, chuyển động trái phải và chuyển động quay
Cơ cấu tay máy với các khớp
Một cơ cấu chấp hành ba bậc tự do
Sử dụng lượng giác để rút ra ph
ương trình động học
Mô tả cơ cấu chấp hành trong bài toán động học ngược
Những thành phần có thể gây ra rung động trong máy

Biểu diễn một chuyển động tuần hoàn với chu kỳ T
Mô tả một chuyển động điều hoà

Chuyển động không điều hoà
Phân loại tín hiệu
Tín hiệu được biểu diễn trong miền thời gian
1
2
3
4
5
7
8
9
10
11
11
13
13
14
15
16
18
18
19
21
22
22
25
26

27
29
35
39
40
41
46
47

vii
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 5.1

Hình 5.2
Hình 5.3
Hình 5.4

Hình 5.5
Hình 5.6
Hình 5.7
Hình 5.8
Hình 5.9
Hình 5.10
Hình 5.11
Hình 5.12
Hình 5.13
Hình 5.14
Hình 5.15
Hình 5.16

Dạng sóng ở miền thời gian
Rung động tiêu biểu thể hiện trên miền tần số
Phổ Fourier và chuỗi Fourier của tín hiệu tuần hoàn
Một số loại vi điều khiển Basic Stamp khác nhau
BS2SX và sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ ghép nối Basic Stamp với cổng nối tiếp của máy vi tính
Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển AT90S8535
Cấu trúc dầm của ADXL202
C
ấu trúc dầm ở một góc của sensor gia tốc ADXL202
Sơ đồ cấu trúc mạch điện của sensor ADXL202
Bộ giải điều chế đồng bộ sử dụng trong mạch điện ADXL202
Biên độ của nhiễu nền của sensor ADXL202AQC

Mật độ phổ công suất nhiễu của sensor ADXL202AQC
Các hướng đặt sensor
Hệ đo đặc trưng góc của sensor ADXL202
Sơ đồ kết nố
i
Sử dụng bộ đếm xung để đo T1
Mối liên hệ giữa xung lối ra trên kênh X và góc nghiêng
Mối liên hệ giữa xung lối ra trên kênh Y và góc nghiêng
Hệ thống điều khiển tay máy từ xa
Sơ đồ khối của hệ điều khiển tay máy từ xa
Vị trí của sensor gắn trên tay người ánh xạ lên các khớp của tay máy
Sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển BS2SX với sensor
ADXL202E
Môi trường ảo trên màn hình máy tính
Hành động của người điều khiển và tay máy
Sơ đồ ghép nối sensor ADXL202AQC với máy tính
Sơ đồ nguyên lý của mạch điện
Gắn sensor lên màng loa để đo rung
Dữ liệu thu được ở lối ra của sensor gia tốc
Phổ tần số của tín hiệu lối ra sensor khi rung động với tần số 128Hz
Độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc theo thời gian
Mạch tích phân đơn giản
Tích phân theo hình thang
Vậ
n tốc, độ dịch chuyển của rung động dạng sin với tần số 128 Hz
Giao diện phần mềm Matlab trên máy tính
48
49
51
54

55
56
57
60
61
62
63
65
65
66
66
67
67
68
68
71
72
73
74
75
76
77
78
80
80
81
82
82
83
83

84



viii




Mở đầu



Công nghệ vi cơ điện tử MEMS mới xuất hiện trong thời gian gần
đây nhưng đã có những đóng góp quan trọng trong qua trình phát triển
khoa học kỹ thuật và công nghệ do những ưu điểm nổi bật của nó. Công
nghệ này cho phép tạo ra những sản phẩm có kích thước rất nhỏ nhưng đạt
độ chính xác cao.
Tuy nhiên, ở Việt Nam lĩnh vực này mới chỉ được nghiên cứu phát
triển trong nh
ững năm gần đây mà đi đầu là trung tâm ITIMS (Viện quốc
tế đào tạo về khoa học vật liệu). Mặc dù vậy, trung tâm ITIMS mới chỉ
nghiên cứu phát triển và chế tạo một số loại sensor MEMS. Xu hướng
phát triển tiếp theo là đưa các sản phẩm này vào ứng dụng trong thực tế.
Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống thuộc Trường đại học Công nghệ đ
ã
tập trung nghiên cứu các ứng dụng của sản phẩm MEMS. Nằm trong
chương trình nghiên cứu đó, luận văn này được thực hiện với mục đích
tìm hiểu về sensor gia tốc kiểu tụ và các ứng dụng của loại sensor này.
Luận văn bao gồm năm chương. Chương 1 giới thiệu sơ qua về

công nghệ MEMS và sensor gia tốc MEMS, một số ưu điểm của sensor
gia tốc MEMS so v
ới các loại sensor khác. Chương 2 trình bày một số đặc
điểm của robot công nghiệp, đặc biệt là tìm hiểu vai trò của một số loại
sensor trong robot. Chương 3 tìm hiểu những vấn đề cơ bản về lý thuyết
rung động, phân tích mối quan hệ giữa các thông số của rung động (biên
độ, tần số, vận tốc, gia tốc) và các phương pháp phân tích đo đạc các
thông số đó. Chương 4 trình bày các kết quả khảo sát sensor ADXL202.
Chươ
ng 5 trình bày một số kết quả thực nghiệm thu được khi sử dụng
sensor gia tốc MEMS ADXL202 để đo góc nghiêng (gia tốc tĩnh) và đo
rung động (gia tốc động) dựa trên các mạch điện tử được thiết kế để thu
thập dữ liệu và phần mềm trên máy tính để xử lý số liệu.

ix
Luận văn thạc sỹ


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ
(MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM=MEMS)

1.1 Giới thiệu về MEMS
Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, cuộc cách mạng về công nghệ micro
đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ
thống vi cơ điện tử (MicroElectroMechanical System) viết tắt là MEMS cũng đã được
ra đời và phát triển trong giai đoạn này.
Tuy mới được phát triển trong một thời gian ngắn nhưng các sản phẩm MEMS
đã mang lại cho xã hội những lợ
i ích to lớn, qua đó đã khẳng định được tầm quan

trọng của mình. MEMS đã và đang tạo ra những thay đổi mang tính cách mạng trong
truyền thông, đời sống, khoa học và trong lĩnh vực thiết bị, linh kiện nhờ rất nhiều đặc
điểm nổi bật của mình. Hình 1.1 giới thiệu một số sản phẩm MEMS.

Hình 1.1 Ảnh SEM của một số sản phẩm MEMS
Vũ Việt Hùng
1
Luận văn thạc sỹ
Các thiết bị MEMS giao tiếp với cả tín hiệu điện và không điện, đồng thời
tương tác với thế giới vật lý cũng giống như với thế giới điện bằng cách kết hợp xử lý
tín hiệu với các bộ cảm biến. MEMS không chỉ bao gồm các thành phần điện mà còn
có các phần tử cơ học, mà một số có thể chuyển động đượ
c như: sensor áp suất, sensor
gia tốc, con quay vi cơ… Các thiết bị MEMS được thiết kế dựa trên các kỹ thuật VLSI
và hệ CAD cơ khí. Cũng giống như các IC trước đây, MEMS cũng hướng tới kích
thước nhỏ hơn, tốc độ cao hơn, nhiều chức năng hơn, linh hoạt hơn và rẻ tiền hơn [3].
Hình 1.2 trình bày kích thước điển hình của linh kiện MEMS khi so sánh với các đối
tượng khác.

Hình 1.2 Kích thước của linh kiện MEMS
Những thành phần điện được cấu tạo bằng cách sử dụng công nghệ của mạch
tích hợp (IC) [4]. Những thành phần cơ học lại được cấu tạo từ công nghệ vi cơ
(micromachining) trên đế silíc hoặc thêm vào những lớp cấu trúc mới để hình thành
nên những thiết bị cơ và cơ điện tử. Điểm đặc biệt và cơ
bản của công nghệ MEMS đó
là tận dụng được đặc tính cơ học của vật liệu silíc để tạo ra những cấu trúc cơ học
chuyển động kết hợp với các yếu tố vi điện tử- điều này đã tạo ra những thế hệ sản
phẩm công nghệ mới [5].

Công nghệ vi cơ ra đời từ những năm 1960 với các linh kiện ban đầu được ứng

dụng làm các đầu đo áp suất và biến dạng thay thế cho các đầu đo cơ truyền thống.
Cùng với sự phát triển của công nghệ thì công nghệ MEMS không chỉ còn bó hẹp
trong các loại cảm biến cơ mà còn được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực cảm
biến khác: cảm biến nhiệt, cảm bi
ến từ, cảm biến quang, cảm biến hóa, cảm biến sinh
Vũ Việt Hùng
2
Luận văn thạc sỹ
học. Ngoài ra, các linh kiện MEMS còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống
chấp hành, các hệ thống điều khiển tự động v.v. [6].
Cấu trúc cơ bản của MEMS bao gồm vi cấu trúc, vi mạch điện tử, vi cảm biến
và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chip như trình bày trên hình 1.3.

Hình 1.3 Các thành phần của thiết bị MEMS
Các thiết bị MEMS này cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm vi kích
thước µm và thông qua hệ vi điện tử và hệ vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường
xung quanh.

1.2 Công nghệ chế tạo MEMS
Các thiết bị MEMS này được chế tạo bằng vật liệu silíc và do đó nó có những
ưu điểm về tính chất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác.

¾ Vật liệu silíc là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử,
giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc chế tạo các
phiến silíc được thực hiện trong quy mô công nghiệp.
¾ Vật liệu silíc cho phép tích hợp các các phần điện tử và vi cấu trúc trên cùng
một chip và làm tăng khả năng giảm kích thước c
ủa các linh kiện.
¾ Vật liệu silíc có những tính chất cơ rất tốt:
o Độ bền kéo của silíc là 6.10

9
N/m
2
trong khi độ bền kéo của thép là
4,2.10
9
N/m
2

o Khối lượng riêng của silíc là 2,3g/cm
3
trong khi khối lượng riêng của
thép là 7,9g/cm
3

Vũ Việt Hùng
3
Luận văn thạc sỹ
MEMS được chế tạo bằng công nghệ vi cơ mà nó có thể được phân loại thành
hai công nghệ chính: công nghệ vi cơ khối và công nghệ vi cơ bề mặt.

1.2.1 Công nghệ vi cơ khối
Công nghệ vi cơ khối là công nghệ tạo vi cấu trúc bằng cách gia công cả khối
vật liệu (ở đây là một tấm silíc). Phương pháp để tạo vi cấu trúc dùng trong công nghệ
vi cơ khối là phương pháp ăn mòn ướt (ăn mòn đẳng hướng, ăn mòn dị hướng) hoặc
phương pháp ăn mòn khô (ăn mòn nhờ phản ứng ion, ăn mòn bằng plasma). Sơ đồ của
quy trình công nghệ vi cơ khối được trình bày trên hình 1.4

Hình 1.4 Quy trình của công nghệ vi cơ khối

1.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt
Công nghệ vi cơ bề mặt liên quan đến quá trình tạo nên các lớp vật liệu mỏng
với cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế. Có hai loại lớp vật liệu khác nhau được sử
dụng để phủ lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrificial material) và lớp vật liệu
tạo cấu trúc. Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu được phủ lên bề mặt lớp đế theo hình
dạng c
ủa cấu trúc cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trong qúa trình tạo cấu trúc. Thông
thường thì lớp này là vật liệu oxit silíc. Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ được phủ lên trên
lớp vật liệu "hi sinh" và chúng không phản ứng với các chất ăn mòn sử dụng để tạo
cấu trúc, vật liệu của lớp này là các đa tinh thể silic, silicon nitride. Sau quá trình ăn
Vũ Việt Hùng
4
Luận văn thạc sỹ
mòn sẽ hình thành vi cấu trúc trên bề mặt đế ban đầu. Hình 1.5 trình bày quá trình chế
tạo linh kiện theo công nghệ vi cơ bề mặt.

Hình 1.5 Quá trình chế tạo sử dụng kỹ thuật vi cơ bề mặt
A: Đế silíc ban đầu
B: Phủ lớp silíc nitride bảo vệ đế
C: Phủ tiếp một lớp oxide trên bề mặt silicon nitride
D: Tạo mẫu oxide bằng mặt nạ và ánh sáng cực tím
E: Phủ một lớp polysilicon lên trên bề mặt oxide
F: Loại bỏ lớp oxide


1.2.3 Công nghệ LIGA
LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) được hiểu là quy trình công
nghệ vi đúc (Micromolding) [3]. Thuật ngữ tiếng Đức này có nghĩa là quang khắc
(lithography), mạ điện, và đúc. Công nghệ này sử dụng các khuôn "đúc" hay "dập" vật
liệu với độ chính xác cao làm công cụ trong việc chế tạo các vi cấu trúc. Quy trình này

Vũ Việt Hùng
5
Luận văn thạc sỹ
có thể được sử dụng cho việc sản xuất các vi cấu trúc ba chiều, có tỷ số cạnh cao
(high-aspect-ratio) với nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, polymers, gốm và
thuỷ tinh. Hạn chế chủ yếu của công nghệ LIGA là cần phải có một nguồn chuẩn trực
sóng ngắn tia X giống như một máy synchrotron.
Sử dụng các quy trình vi đúc có thể chế tạo các vi cấu trúc kim loại tỷ số cạnh
cao có nhiều ứng dụng như là các bề mặt phản xạ cho các thành phần quang học, các
vật liệu từ cho các sensor/cơ cấu chấp hành điện từ. Ngoài ra, độ dày của các cấu trúc
có tỷ số cạnh cao càng lớn sẽ tạo ra độ cứng trục giao với đế càng lớn, cũng như làm
tăng mômen xoắn trong các cơ cấu chấp hành tĩnh điện. Các cấu trúc mạ kẽm (Ni), mạ
đồ
ng (Cu) hoặc cấu trúc hợp kim chứa ít nhất một trong các kim loại này là những cấu
trúc kim loại được dùng phổ biến. Crôm, SiO
2
, polyimide, photoresist và Titan thường
được dùng làm vật liệu hy sinh (sacrificial material).

1.3 Sensor gia tốc MEMS
1.3.1 Sensor
Sensor (cảm biến) cho phép chúng ta phát hiện, phân tích và ghi lại các hiện
tượng vật lý mà rất khó đo lường bằng cách khác. Sensor biến đổi các đại lượng vật lý
như khoảng cách, vận tốc, gia tốc, lực, áp suất … thành các tín hiệu điện. Các giá trị
của các tham số vật lý ban đầu có thể được tính toán thông qua các đặc trưng thích hợp
của tín hiệu điện như: biên độ, tần số, độ rộng xung …[7]
Kích thước sensor cũ
ng là một yếu tố rất quan trọng. Trong hầu hết các trường
hợp, sensor có kích thước nhỏ được sử dụng nhiều hơn vì mật độ tích hợp sensor cao
và giá thành sensor rẻ hơn. Một cuộc cách mạng trong công nghệ sản xuất sensor là

việc ứng dụng công nghệ chế tạo vi điện tử. Các sensor được chế tạo theo cách này
được gọi là các hệ thống vi cơ điện tử (microelectromechanical systems - MEMS) [8].
Sensor MEMS được ch
ế tạo đầu tiên là sensor áp suất sử dụng phần tử nhạy
điện kiểu áp trở (piezoresistive). Hiện nay, các sensor MEMS bao gồm nhiều loại khác
nhau: sensor gia tốc, con quay vi cơ, sensor đo nồng độ hóa học…

1.3.2 Sensor gia tốc
Sensor gia tốc cho phép biến đổi gia tốc thành một tín hiệu điện ở lối ra. Áp
dụng định luật II Newton, F = ma, đo lực tác động lên một vật mà ta đã biết trước khối
Vũ Việt Hùng
6
Luận văn thạc sỹ
lượng, từ đó ta tính ra được gia tốc tác động lên vật. Có rất nhiều cách để đo lực tác
động lên khối gia trọng, nhưng cách phổ biến nhất được dùng trong sensor gia tốc là
đo khoảng cách dịch chuyển của khối gia trọng tương tự như khi khối gia trọng đó
được treo bằng một lò xo. Một hệ thống lò xo-gia trọng được vẽ trong hình 1.6.

Hình 1.6 Sơ đồ khối của một hệ lò xo-gia trọng
Hệ thống có thể được mô tả bởi phương trình vi phân sau:
2
2
ext
dx dx
mBKxF
dt dt
++==ma

trong đó: m là khối lượng của khối gia trọng, B là hệ số suy hao, K độ cứng của lò xo.
Khi sensor gia tốc hoạt động ở xa tần số cộng hưởng của hệ lò xo-gia trọng thì

ảnh hưởng của hệ số suy hao B có thể bỏ qua. Với những khoảng cách dịch chuyển đủ
nhỏ thì hệ số K có thể coi như là hằng số. Ở trạng thái cân bằng, khi khối gia trọng
không chuyển độ
ng, lực đàn hồi của lò xo cân bằng với lực tác động lên khối gia
trọng. Độ dịch chuyển của khối gia trọng, x, là một tham số có thể chuyển đổi thành
tín hiệu điện bằng nhiều cách. Có hai cách phổ biến nhất được dùng, đó là đo sự thay
đổi điện trở của vật liệu áp trở (piezoresistive material) và đo sự thay đổi điện dung
của tụ
điện khi phần tử điện chuyển động. Ngoài ra còn một cách thứ ba nữa cũng
được dùng để chế tạo sensor, đó là đo sự thay đổi điện tích trên bề mặt của vật liệu áp
điện (piezoelectric material) khi có lực tác động vào bề mặt của vật liệu [6, 7, 8].

1.3.3 Một số loại sensor gia tốc
a) Sensor gia tốc kiểu áp điện (Piezoelectric accelerometer sensor)
Vật liệu áp điện tạo ra một điện tích tức thời trên bề mặt tỉ lệ với biên độ của
lực tác động. Điện tích này xuất hiện do sự phân cực của các dipole điện bên trong,
như hình 1.7, và sau đó bị trung hòa rất nhanh do các điện tích tự do trong môi trường.
Vũ Việt Hùng
7
Luận văn thạc sỹ
Một lực tác động vào tinh thể có thể là nguyên nhân gây ra sự biến dạng của cấu trúc
dipole, làm cho điện tích bề mặt thay đổi tạm thời cho đến khi nó bị trung hòa lại. Như
vậy điện tích trên vật liệu áp điện là một hàm số của biên độ của sự biến dạng và phụ
thuộc vào việc sự biến dạng đó xuất hiện nhanh như thế nào [3, 7, 10].

Hình 1.7 Các dipole điện trong vật liệu áp điện
Vật liệu áp điện có điện trở nội rất cao, vì thế hai mặt của vật liệu trông giống
như các bản cực của tụ điện. Điện áp đi qua các bản cực là hàm của điện tích và điện
dung:
f

orce
Q
V
C
=

Một loại vật liệu áp điện tự nhiên là tinh thể thạch anh nhưng có độ nhạy thấp,
vì thế người ta đã tìm ra hỗn hợp gốm sắt điện nhân tạo có độ nhạy tốt hơn và do đó
được dùng nhiều hơn trong loại sensor gia tốc kiểu áp điện. Nói chung, sử dụng vật
liệu áp điện là một cách có hiệu quả dùng để đo gia tốc, như
ng chúng có nhược điểm
là không ổn định khi đo gia tốc một chiều và có mối quan hệ phức tạp giữa điện áp lối
ra và biên độ gia tốc và tần số. Sensor áp điện là loại sensor điển hình dùng để đo gia
tốc có biên độ và tần số cao như các cú va chạm mạnh, shock. Hình 1.8 trình bày đáp
ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện [10]. Từ hình vẽ này ta thấy dải
đo của
sensor gia tốc kiểu áp điện có thể lên tới gần 50 KHz.
Vũ Việt Hùng
8
Luận văn thạc sỹ

Hình 1.8 Đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện

b) Sensor gia tốc kiểu áp trở (Piezoresistive accelerometer sensor)
Vật liệu áp trở là một điện trở trạng thái rắn, điện trở của nó thay đổi khi có một
sức căng cơ học tác động vào. Đặc biệt, độ dẫn của vật liệu áp trở tỉ lệ tuyến tính với
lực tác dụng, hay điệ
n trở tỉ lệ nghịch với lực tác dụng. Sơ đồ của hai loại áp trở được
trình bày trong hình 1.9. Ở hình a) áp trở được hình thành bằng cách sắp xếp các dây
dẫn nằm trên lớp điện trở mỏng, điện trở giữa các dây dẫn sẽ thay đổi khi lớp điện trở

mỏng bị biến dạng. Một áp trở như vậy có thể được chế tạ
o trên bề mặt của một phần
tử đàn hồi, để đo sự biến dạng của phần tử đàn hồi cũng như sự chuyển động của khối
gia trọng.

a)
Một cách sắp xếp áp trở khác trình bày ở hình b). Trong trường hợp này, sự
biến dạng của vật dẫn là do sức căng cơ học. Thông thường, áp trở được sắp xếp sao
Vũ Việt Hùng
9
Luận văn thạc sỹ
cho loại trừ sự căng hoặc sự nén cơ học, và khi đó điện trở của vật liệu áp trở là một
hàm của độ rộng khe hở của cầu áp trở.
b)

Hình 1.9 Sơ đồ của sensor kiểu áp trở
Nói chung, chúng ta đều có thể sử dụng cả hai cách sắp xếp trên để chế tạo
sensor gia tốc. Để tăng độ nhạy và giảm dao động do nhiệt độ gây ra người ta dùng
nhiều áp trở với cùng một hệ lò xo-khối gia trọng sắp xếp trong cùng một mạch cầu [7,
10].

c) Sensor gia tốc kiểu tụ (Differential-capacitance accelerometer sensor)
Như ở phần trước đã trình bày, khi bỏ qua hệ số suy hao D, ta thu được một
phương trình đơn giản:
m
kx
a =

Như vậy, để đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng dịch chuyển x. Để đo khoảng dịch
chuyển này, người ta có thể sử dụng thuộc tính điện của tụ điện có hai bản cực song

song khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được (hình 1.10)
Vũ Việt Hùng
10
Luận văn thạc sỹ

Hình 1.10 Mô hình một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải)
Điện dung của tụ điện được cho bởi công thức
0
x
k
C =
, trong đó k là hệ số đặc
trưng cho tính chất của chất giữa hai bản cực (điện môi). Gia tốc cần đo làm dịch
chuyển bản cực ở giữa làm thay đổi điện dung của tu điện. Và để tăng độ chính xác và
độ nhạy người ta thường đo điện dung vi phân (hình 1.11), tức là theo dõi sự khác
nhau về điện dung của hai tụ điện khi bản c
ực ở giữa bị dịch chuyển [9, 11, 13].

Hình 1.11
Cấu trúc và một số kích thước hình học của tụ vi phân
Nếu bản cực ở giữa dịch chuyển một khoảng cách x, thì:

xx
k
C
A
+
=
0
và

xx
k
C
B
−
=
0

hoặc có thể viết như sau:
xx
x
CC
A
+
=
0
0
và
xx
x
CC
B
−
=
0
0

Vũ Việt Hùng
11
Luận văn thạc sỹ

và
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
+
=−=∆
xxxx
CxCCC
BA
00
0
11

Với những giá trị nhỏ của x, biểu thức trên trở thành
0
2
x
x
CC ≈∆

tức là, sự khác nhau về điện dung tỉ lệ với độ dịch chuyển x.
Phần lớn các sensor gia tốc dựa trên nguyên tắc làm việc của sensor kiểu tụ.
Sensor gia tốc kiểu tụ đơn có thể xây dựng với trục nhạy vuông góc với mặt phẳng của
silíc và bản cực của tụ điện, cho phép hình thành một vùng tụ điện rất lớn và do đó có
độ nhạy rấ

t cao. Một kiểu sensor phổ biến hơn là dùng một cặp tụ điện vi phân được
chế tạo với trục nhạy nằm trên mặt phẳng của thiết bị. Một ưu điểm khác của sensor
gia tốc kiểu tụ vi phân là có thể dùng một hệ lực phản hồi tĩnh điện để tránh tính phi
tuyến trong tụ điện bằng cách luôn giữ cho vị trí của khố
i gia trọng chuyển động gần
với vị trí cố định.

1.3.4 Ba loại sensor gia tốc trên thị trường
a) Sensor gia tốc kiểu áp điện PCB Piezotronics 352C67
Sensor gia tốc kiểu áp điện PCB Piezotronics 352C67 không phải là sensor
dạng MEMS, tuy nhiên, việc tìm hiểu về cấu trúc của chúng cũng là rất cần thiết. Toàn
bộ sensor được đặt trong một vỏ bằng titan và được bịt kín. Hầu hết các sensor gia tốc
kiểu áp trở không có đủ độ nhạy để đo chính xác các chuyển động nhỏ vì vật liệu áp
điện trong sensor là vô cùng nhỏ. Phần tử áp đi
ện trong sensor PCB Piezotronics
352C67 được dùng chủ yếu trong chế độ đo sự biến dạng trượt (shear mode), nó làm
giảm nhiễu nền và độ nhạy với nhiệt xuất hiện từ cột trụ trung tâm (center post). Sơ đồ
của sensor được trình bày trong hình 1.12 [7].
Sensor bao gồm một bộ khuếch đại bên trong vỏ để khuếch đại điện áp áp trở
và tạo ra một lối ra trở kháng thấp. Nhờ có tín hiệu lối ra của b
ộ khuếch đại này mà độ
nhạy của sensor cỡ khoảng 100mV/g. Cũng như tất cả các loại sensor kiểu áp điện
khác, sensor gia tốc áp điện không đáp ứng với thế DC và tần số gia tốc thấp nhất có
thể đo được là khoảng 0,5 Hz.
Vũ Việt Hùng
12
Luận văn thạc sỹ

Hình 1.12 Sơ đồ của sensor PCB Piezotronics 352C67

b) Sensor gia tốc kiểu áp trở Endevco 7265A-HS
Sensor gia tốc kiểu áp trở Endevco 7265A-HS được xây dựng trên một chip
đơn và sau đó được đóng gói trong một vỏ nhôm. Sensor gia tốc áp trở Endevco
7265A-HS sử dụng một hệ thống lò xo-gia trọng MEMS, mà khối gia trọng được gắn
dọc theo biên một khớp nối silíc (silicon hinge). Sơ đồ của sensor được cho trên hình
1.13. Trục nhạy với gia tốc nằm trong mặt phẳng của linh kiện. Khớp nối hoạt động
như một lò xo quay sinh ra một lực tỉ lệ với góc giữa vị trí hiện tại của khối gia trọng
và vị trí cân bằng, lực này chống lại lực gia tốc. Các sensor áp trở được gắn ở vị trí gần
cuối của khối gia trọng và sắp xếp từng cặp trên khớp quay. Khi khối gia trọng quay
thì các sensor được gia tốc và chúng sẽ đo được biên độ quay [7].

Hình 1.13 Sơ đồ của sensor Endevco 7265A-HS
Vũ Việt Hùng
13
Luận văn thạc sỹ
c) Sensor gia tốc kiểu tụ ADXLxxx
Sensor gia tốc ADXLxxx của hãng Analog Devices được đóng gói như mạch
tích hợp IC chuẩn với vỏ gốm hoặc kim loại. Sensor ADXLxxx sử dụng hệ lò xo-gia
trọng MEMS và đo điện dung vi phân do các phần tử nhạy điện sinh ra khi có gia tốc
tác động lên sensor. Hình 1.14 trình bày một hệ thống điển hình của sensor gia tốc
ADXLxxx. Trục nhạy với gia tốc được sắp xếp trên mặt phẳng của sensor. Khố
i gia
trọng là một miếng đế gắn với các góc bằng lò xo hoặc dây treo. Hình 1.15 trình bày
ảnh SEM của các sensor gia tốc, trong đó chỉ ra các khối gia trọng, dây treo và các
phần tử điện dung [9, 11, 12, 13].


Hình 1.14 Hình chiếu của sensor
ADXL50 (bên trên) và ADXL150 (bên dưới)
Cấu trúc của sensor gia tốc ADXLxxx có thể được mô tả như sau: trên một đế

silíc đơn bao gồm một hệ lò xo-gia trọng và toàn bộ mạch điện để tính gia tốc từ độ
Vũ Việt Hùng
14