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

LIC MèN

Tổi xin b y tọ lặng bit ỡn sƠu sc n thy giĂo, PGS.TS. Chò ức Trnh, ngữới Â
hữợng dÔn tổi tn tnh, chu Ăo trong quĂ trnh thỹc hiằn lun vôn. Sỹ ch bÊo tn
tƠm ca thy  mang li cho tổi hằ thng cĂc phữỡng phĂp, kin thức cụng nhữ k nông
ht sức quỵ bĂu cõ th ho n thiằn t i mt cĂch tt nhĐt.
Tổi xin chƠn th nh cÊm ỡn phặng o to, thy giĂo, cổ giĂo khoa iằn tò vin
thổng, trữớng i hồc Cổng nghằ, c biằt l cĂc thy giĂo B mổn , khoa iằn tò vin
thổng - nhng ngữới m trong thới gian qua  dy dỉ, truyn thử kin thức khoa hồc,
giúp tổi tng bữợc trững th nh.
Tổi xin trƠn trồng cÊm ỡn phặng o to Sau i hồc, khoa Vt lỵ, trữớng i hồc Khoa
hồc, i hồc Hu  hỉ trổ tổi trong thới gian hồc tp v thỹc hiằn lun vôn.
Xin chƠn th nh cÊm ỡn nhng ngữới thƠn, gia nh v bn b - nhng ngữới  hỉ
trổ tổi rĐt nhiu v cÊ vt chĐt lÔn tinh thn tổi cõ th hồc tp t kt quÊ tt v thỹc hiằn
th nh cổng lun vôn n y.
Tổi xin chƠn th nh cÊm ỡn!
H Ni, ng y 10 thĂng 2 nôm 2014
Trn Vụ Minh


2

L˝I CAM OAN

Tæi xin cam oan lu“n v«n do tæi thüc hi»n. Nhœng k‚t qu£ tł nhœng t¡c gi£ tr÷îc
m

tæi sß döng trong lu“n v«n •u ÷æc tr‰ch d¤n rª r ng, cö th”. Khæng câ b§t ký sü

khæng trung thüc n o trong c¡c k‚t qu£ t‰nh to¡n.
N‚u câ g… sai tr¡i, tæi xin ho n to n chàu tr¡ch nhi»m.
H Nºi, ng y 10 th¡ng 2 n«m 2014
Håc vi¶n

Trƒn Vô Minh


3

TMT T

Nhiằm vử chnh ca lun vôn l tm hiu v vi cÊm bin, cử th l tm hiu v vi
cÊm bin lỹc a chiu Ăp tr. Trản cỡ s lỵ thuyt tm hiu ữổc, thit k mt cĐu trúc vi
cÊm bin lỹc 3 chiu Ăp tr nhn bit v o ữổc cĂc lỹc theo nhiu chiu.
Lun vôn  i v o tm hiu mổ hnh vi cÊm bin lỹc, mổ hnh vi cÊm bin lỹc a
chiu, cĐu trúc thanh dm cantilever cho vi cÊm bin lỹc a chiu, cỡ s v hiằu ứng Ăp
tr ca vi cÊm bin lỹc Ăp tr.... Dỹa trản cỡ s lỵ thuyt nghiản cứu ữổc, lun vôn Â
thỹc hiằn viằc thit k mt cĐu trúc vi cÊm bin lỹc 3 chiu Ăp tr. Lun vôn cụng  xƠy
dỹng cĂc cổng thức liản quan cho cĂc cĐu trúc n y.
Cui cũng, lun vôn  thỹc hiằn viằc mổ phọng bng phn mm COMSOL
khÊo sĂt v thit k vi cÊm bin ỗng thới trnh b y cĂc kt quÊ t ữổc t õ xƠy dỹng
nhng hữợng phĂt trin mợi.


4

MÖC LÖC

L˝IC MÌN
L˝I CAM OAN
T´MT TLU NV N
DANHS CHHNHV
DANH S CH B NG
GI˛I THI U
CH×ÌNG 1: VI C M BI N LÜC A CHI U
1.1

Mæ h…nh vi c£m bi‚n lüc a chi•u . . . . . . .
1.1.1
1.1.2
1.1.3

1.2

Vi c£m bi‚n lüc a chi•u d⁄ng thanh dƒm can
1.2.1
1.2.2

1.3

C¡c ti¶u ch‰ cho vi»c thi‚t k‚ vi c£m bi‚n lüc
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5

1.4

K‚t lu“n ch÷ìng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


CH×ÌNG 2: VI C M BI N LÜC P TR—
2.1

Ph¥n lo⁄i vi c£m bi‚n lüc . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4

2.2

Vi c£m bi‚n lüc ¡p trð . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1
2.2.2

2.3

M⁄ch cƒu Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4

Nhi„u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1
2.4.2

2.5

K‚t lu“n ch÷ìng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CH×ÌNG 3: THI T K C U TRÓC VI C M BI N LÜC A CHI U
P TR—
3.1

Mæ h…nh c§u tróc vi c£m bi‚n lüc 3 chi•u

3.2

C§u h…nh ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3

C§u h…nh dåc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4

C§u h…nh d i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5

K‚t lu“n ch÷ìng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CH×ÌNG 4: M˘ PH˜NG V K T QU
4.1

Thi‚t k‚ c¡c thæng sŁ h…nh håc cıa vi c£m b

4.2

Mæ phäng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1
4.2.2
4.2.3


4.3 K‚t lu“n ch÷ìng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
KTLUN
T ILI UTHAMKH O


7

DANHS CHHNHV

1.1 Mổ hnh vi cÊm bin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Mổ hnh vi cÊm bin lỹc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Mổ hnh vi cÊm bin lỹc 3 chiu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Thanh dm cantilever ch I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5 PhƠn b ứng suĐt trản thanh dm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Thanh dm cantilever ch L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.7 ữớng cong chu'n ca cÊm bin tuyn tnh . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Vi cÊm bin lỹc kiu tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Vi cÊm bin lỹc kiu Ăp iằn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 Vi cÊm bin lỹc kiu Ăp tr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Vi cÊm bin lỹc kiu laser quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 CĂc th nh phn ứng suĐt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Mch cu Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.7 Mt ph cổng suĐt nhiu flicker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 Vi cÊm bin lỹc 3 chiu Ăp tr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Khi t lỹc tĂc dửng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3 Sỡ ỗ cĐu hnh : a) CĐu hnh ngang b) CĐu hnh dồc c) CĐu h
B tr cu Wheatstone vợi cổng tc chuyn t a) sang b) . . . .
3.4 CĐu hnh ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 iằn Ăp ra cĐu hnh ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 CĐu hnh dồc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 iằn Ăp ra cĐu hnh dồc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8 CĐu hnh d i 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9 CĐu hnh d i 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


8
3.10

i»n ¡p ra ð c§u h…nh ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1

Giao di»n phƒn m•m COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2

Thanh dƒm cantilever chœ L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3

Ph¥n bŁ øng su§t c§u h…nh ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4

ç thà ph¥n bŁ øng su§t c§u h…nh ngang . . . . . . . . . . . . . . .

4.5

Ph¥n bŁ øng su§t c§u h…nh dåc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.6

ç thà ph¥n bŁ øng su§t c§u h…nh dåc . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7

Ph¥n bŁ øng su§t c§u h…nh d i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.8

ç thà ph¥n bŁ øng su§t c§u h…nh d i . . . . . . . . . . . . . . . . . .


9

DANH S CH B NG

2.1 Thæng sŁ cì håc cıa mºt sŁ v“t li»u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

2.2 Gi¡ trà thüc nghi»m c¡c h» sŁ ¡p i»n trð . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4.1 Thæng sŁ h…nh håc cıa vi c£m bi‚n lüc 3 chi•u ¡p trð . . . . . . . . . . . .

47


10

GII THI U

Trong nhng nôm gn Ơy, vợi sỹ hỉ trổ ca cổng nghằ vi iằn tò v cổng nghằ
tin hồc, cổng nghằ vi cỡ iằn tò Â phĂt trin mnh m trản th giợi. Cổng nghằ vi cỡ iằn tò
 ữổc ứng dửng ch to cĂc cÊm bin, cĂc hằ chĐp h nh, ữổc ứng dửng trong nhiu
lắnh vỹc khĂc nhau t cổng nghiằp, k thut, y t n quƠn sỹ . . .
CÊm bin lỹc ch to bng cổng nghằ vi cỡ iằn tò l mt trong nhng cÊm bin cõ
nhiu ứng dửng trong ới sng thỹc tin hiằn nay. Mt s loi vi cÊm bin lỹc ph bin
l : vi cÊm bin tử, vi cÊm bin Ăp iằn, vi cÊm bin laser quang, vi cÊm bin Ăp tr . . .

Nhn chung cĂc loi vi cÊm bin n y u cõ ữu v nhữổc im riảng những cÊm bin lỹc
Ăp tr cõ ữu im vữổt tri l nhy cao, giĂ th nh rã, mch xò lỵ tn hiằu ỡn giÊn [5]. Vợi
cĂc ứng dửng ng y c ng tr nản tinh t [5, 7] th yảu cu v cÊm bin lỹc a chiu, nhy
cao, kch thữợc nhọ ang ữổc t ra.

t i cõ mửc tiảu chnh l tm hiu v thit k vi cÊm bin lỹc 3 chiu Ăp tr. Bản
cnh õ t i cặn thỹc hiằn viằc mổ phọng trong quĂ trnh thit k.
Lun vôn gỗm 4 chữỡng, ni dung cử th nhữ sau:
Chữỡng 1 trnh b y chi tit cĂc mổ hnh vi cÊm bin lỹc v cĂc tiảu ch trong
viằc thit k vi cÊm bin. Mt phn quan trồng ca chữỡng 1 l trnh b y v cĐu trúc thanh
dm cantilever, mt cĐu trúc cỡ bÊn ca vi cÊm bin lỹc.
Chữỡng 2 trnh b y chi tit v vi cÊm bin lỹc Ăp tr trong õ tp trung v o viằc phƠn
loi vi cÊm bin lỹc v giợi thiằu hiằu ứng Ăp iằn tr, l hiằu ứng vt lỵ ữổc dũng trong vi
cÊm bin lỹc Ăp tr. Ngo i ra chữỡng n y cặn tm hiu v mch o v nhiu trong hằ
thng.
Chữỡng 3 trnh b y v cĂc cĐu trúc dũng nhn bit cĂc lỹc tĂc dửng theo cĂc
phữỡng khĂc nhau ca vi cÊm bin lỹc 3 chiu Ăp tr: cĐu trúc d i, cĐu trúc dồc, cĐu trúc
ngang . Sau õ l phn thit k chi tit v vi cÊm bin lỹc 3 chiu Ăp tr.
Chữỡng 4 trnh b y cĂc kt quÊ v viằc thỹc hiằn mổ phọng t phn mm
COMSOL. Dũng phn mm khÊo sĂt viằc phƠn b ứng suĐt v Ănh giĂ cĂc kt quÊ thỹc
nghiằm so vợi lỵ thuyt  thỹc hiằn chữỡng 3.


11

CHìèNG 1: VI C M BI N LĩC

A CHI U

Chữỡng 1 trnh b y mổ hnh v cĐu trúc vi cÊm bin lỹc a chiu, v tm hiu cĂc
tiảu ch cho viằc thit k. Phn 1:1 trnh b y mổ hnh vi cÊm bin lỹc a chiu. Phn
1:2 trnh b y cĐu trúc thanh dm vi cÊm bin lỹc a chiu. Phn 1:3 trnh b y cĂc tiảu
ch thit k vi cÊm bin.

1.1

Mổ hnh vi cÊm bin lỹc

1.1.1

a chiu

Mổ hnh vi cÊm bin

CÊm bin l thit b dũng bin i cĂc i lữổng vt lỵ v cĂc i lữổng khổng cõ tnh
chĐt iằn cn o th nh cĂc i lữổng iằn hoc cõ c trững iằn v cõ th xò lỵ ữổc [1].

Vi cÊm bin l cÊm bin ữổc ch to bng cổng nghằ vi cỡ iằn tò (Micro Electro
Mechanical Systems - MEMS). MEMS bao gỗm nhng cĐu trúc vi cỡ, vi cÊm bin, vi
chĐp h nh v vi iằn tò cũng ữổc tch hổp trản cũng mt chip. Cổng nghằ vi cỡ v cĂc
hằ thng cỡ iằn ữổc dũng to ra cĐu trúc, linh kiằn v hằ thng phức tp theo ỡn v o
micro.
Nguyản tc o trong cÊm bin v vi cÊm bin thữớng dỹa trản cĂc hiằu ứng vt lỵ bin
i mt dng nông lữổng n o õ (nhiằt, cỡ hoc bức x) th nh nông lữổng iằn.
CĂc i lữổng cn o thữớng khổng cõ tnh chĐt iằn (nhữ nhiằt , Ăp suĐt ...) tĂc
ng lản cÊm bin (vi cÊm bin) cho ta mt c trững mang tnh chĐt iằn (nhữ iằn tch,
iằn Ăp, dặng iằn hoc tr khĂng) chứa ỹng thổng tin cho php xĂc nh giĂ tr ca i
lữổng o.
Mổ hnh vi cÊm bin ữổc trnh b y hnh (1.1) mổ tÊ u v o X l i lữổng
khổng iằn cn o, u ra Y = f(X) l mt i lữổng iằn cn o.
Viằc o lữớng Y s cho php nhn bit giĂ tr ca X; Y = f(X) l dng lỵ thuyt ca nh
lut vt lỵ biu din hot ng ca cÊm bin, ỗng thới l dng s biu din sỹ phử thuc ca nõ
v o cĐu to (kch thữợc v hnh dng), vt liằu ch to cÊm bin, ổi khi cÊ v o mổi trữớng
v ch sò dửng (nhiằt , nguỗn nuổi). V tr ca cÊm bin

12

Hnh 1.1: Mổ hnh vi cÊm bin
trong thit b

o lữớng chnh l phn chuyn i sỡ cĐp.

CÊm bin ữổc sò dửng hu ht cĂc mt ca sÊn xuĐt cụng nhữ ới sng x hi [1].
Trong ng nh vin thổng l cĂc cỡ cĐu tỹ ng cÊnh bĂo nhiằt , 'm, bĂo chĂy. . . ca tng
i, gõp phn Êm bÊo tng i hot ng ữổc liản tửc, cÊm bin ti cĂc thit b u cui
chuyn Ơm thanh, hnh Ênh th nh tn hiằu iằn, ti cĂc thit b truyn dÔn chuyn tn
hiằu iằn th nh tn hiằu quang v ngữổc li. Trong ng nh tỹ ng hõa sò dửng cÊm bin
bit ữổc cĂc thổng s ca i tữổng cn iu khin (tc ng cỡ, vn tc ca vt, ca xe,
hữợng i. . . .) t õ xƠy dỹng phữỡng phĂp iu khin. . .
Vi cÊm bin cõ nhiu ứng dửng trong th giợi vi mổ [5]. Thao tĂc chu'n, chnh xĂc
v kim soĂt cĂc vt th kch thữợc nhọ l mt lắnh vỹc hĐp dÔn v y thò thĂch cho cÊ sÊn

xuĐt cổng nghiằp v nghiản cứu khoa hồc cỡ bÊn. Trong cĂc thp k qua, cĂc phữỡng phĂp
khĂc nhau liản quan n xò lỵ, phƠn tch, lp rĂp cĂc mÔu vi mổ, k cÊ lọng v rn,

 ữổc chứng minh cõ hiằu quÊ v Ăng tin cy, cung cĐp nhng tin b Ăng k trong
viằc phĂt trin cổng nghiằp v nghiản cứu khoa hồc. CĂc ứng dửng ph bin nhĐt l :
cĂc phữỡng phĂp tch hổp trản chip, cổng nghằ in phun v lp rĂp vi cỡ kt hổp cổng
nghằ vi cỡ iằn tò v cĂc cổng cử xò lỵ thu nhọ.
Trong cĂc ứng dửng vi th lọng, cĂc thit b tch hổp trản chip  ữổc nghiản
cứu rng rÂi phƠn tch cĂc mÔu y sinh hồc, chflng hn nhữ Acid Deoxyribo Nucleic ADN, virus v cĂc t b o sng. Bng cĂch thu nhọ cĂc hằ thng phƠn tch vắ mổ
thổng thữớng xung kch cù chip, lữổng mÔu chĐt lọng cn thit cõ th phƠn tch
tin cy ữổc giÊm xung mức ỡn v nano lt hay thm ch pico lt. Thới gian v chi ph
ca to n b th tửc phƠn tch ữổc giÊm Ăng k, bản cnh õ cặn cÊi thiằn chnh

xĂc. CĂc cổng cử xò lỵ vi mổ tch hổp cÊm bin lỹc  ữổc phĂt trin dũng lp rĂp vi
mổ, xò lỵ t b o sng, hn ch kch thữợc phÔu thut, nhn dng cĂc vi mÔu.


13
Xò lỵ vi mổ l mt lắnh vỹc nghiản cứu v phĂt trin mợi vợi nhiu thĂch thức. So vợi vắ
mổ, cĂc thao tĂc vợi mÔu vi mổ cõ th d d ng b Ênh hững bi mổi trữớng xung quanh.
Bản cnh õ, viằc quan sĂt quĂ trnh thao tĂc mÔu vi mổ rĐt khõ khôn, phÊi dỹa
v o cĂc thit b c biằt. Do õ, cĂc thao tĂc gp nhiu tr ngi v mĐt i tnh chnh xĂc,

hiằu quÊ. V vy, viằc thit k cĂc hằ thng thổng minh vợi khÊ nông giĂm sĂt ti chỉ
nhm phĂt hiằn khi lữổng, lỹc v v tr l cn thit cõ th thao tĂc an to n, chnh xĂc
v hiằu quÊ.

1.1.2

Mổ hnh vi cÊm bin lỹc

Lỹc l

i lữổng o tĂc dửng cỡ hồc gia cĂc vt th vợi nhau. Nguyản tc

o lỹc

l l m cƠn bng lỹc cn o vợi mt lỹc i khĂng sao cho lỹc tng cng v moment tng

ca chúng bng khổng [1].
Vi cÊm bin lỹc l thit b dũng chuyn i lỹc cn o th nh i lữổng iằn cõ th xò lỵ
ữổc ( iằn Ăp ra).
Mổ hnh vi cÊm bin lỹc

nh (1.2) mổ tÊ
u v o l lỹc F cn

ữổc trnh b y h
o
n
P

, u ra V = f(F ) l

iằn th ra cn

o. Lỹc F =

dửng.

i=0

Fi l

lỹc tng hổp t cĂc lỹc tĂc

Hnh 1.2: Mổ hnh vi cÊm bin lỹc

1.1.3

Mổ hnh vi cÊm bin lỹc 3 chiu

Trong khổng gian 3 chiu vợi hằ trửc tồa

cĂc Oxyz, phƠn tch lỹc F th nh

F = Fx + Fy + Fz

(1.1)

tng cĂc lỹc th nh phn:


14

Mổ hnh vi cÊm bin lỹc 3 chiu ữổc trnh
b l 3 lỹc cn o , cĂc iằn th ra cn o ln lữổt l

y hnh (1.3) mổ tÊ u v o Fx; Fy;
Fz Vx = f(Fx); Vy = f(Fy); Vx = f(Fz).

Hnh 1.3: Mổ hnh vi cÊm bin lỹc 3 chiu
Trong cĂc vi cÊm bin o lỹc thữớng cõ mt vt trung gian chu tĂc ng ca lỹc cn o
v bin dng. Bin dng ca vt trung gian l nguyản nhƠn gƠy ra lỹc i khĂng v trong giợi
hn n hỗi bin dng t lằ vợi lỹc i khĂng.
Bin dng v lỹc gƠy ra bin dng cõ th o trỹc tip bng cĂc cÊm bin bin dng, hoc o
giĂn tip nu mt trong nhng tnh chĐt iằn ca vt liằu ch to trung gian phử thuc v o
bin dng.

1.2

Vi cÊm bin lỹc a chiu dng thanh dm can-tilever

Thanh dm cantilever l thanh dm cõ mt u l m u ng m gn c nh, u kia tỹ
do. Vi cÊm bin lỹc dng thanh dm cantilever thữớng ữổc dũng trong cĂc ứng dửng
vi mổ o lỹc [1]. Phn n y tm hiu dng cĐu trúc thanh dm cantilever v phƠn tch

ứng suĐt trản thanh dm ch I.

1.2.1

Thanh dm cantilever ch I

Thanh dm cantilever hnh ch I ữổc trnh b y hnh (1.4) l hnh khi
ch nht ỗng nhĐt, chiu d i l, chiu rng w, chiu cao t. Mt u ca thanh dm l u ng
m, u kia tỹ do. Lỹc F tĂc dửng lản u tỹ do ca thanh dm.


15

Hnh 1.4: Thanh dm cantilever ch I
ng suĐt trản thanh dm cantilever ch I
Xt lỹc F tĂc dửng theo phữỡng dồc v o u tỹ do ca thanh dm cantilever hnh
ch I. Lỹc F l m thanh dm b un cong theo chiu dồc l m xuĐt hiằn sức công dồc v
sức công trữổt. Trong cĂc vi cÊm bin lỹc dng thanh dm, lằch ca thanh dm nhọ
hỡn nhiu so vợi chiu d i thanh dm nản cõ th bọ qua sức công trữổt.
Sỹ phƠn b ca ứng suĐt theo chiu dồc ữổc mổ tÊ nh tnh hnh (1.5).
Dữợi tĂc dửng ca lỹc F, sỹ phƠn b mổ-men dồc theo chiu d i ca thanh dm l khổng
ỗng u: bng khổng u tỹ do v t giĂ tr cỹc i u c nh. Ti bĐt ký mt ct ngang n
o ca thanh dm (phn mt phflng gch cho), ứng suĐt dồc u thay i. lợn ca ứng
suĐt ti bĐt ký im n o trản mt ct ngang u t lằ tuyn tnh vợi khoÊng cĂch n trửc ch
nh.

Trản mỉi mt ct ngang,
khoÊng cĂch n

lợn cỹc

u tỹ do v

i ca ứng suĐt bin thiản tuyn tnh vợi

t giĂ tr cỹc i ti b mt pha trản hoc pha dữợi.

Vợi L l chiu d i ca thanh dm; trửc x bt u t u tỹ do n u c nh; (x; h) l ứng
suĐt thữớng ti bĐt ký tit diằn ngang (ti x) n o v cõ khoÊng cĂch n trửc chnh bng h.
Mổ-men tng cng tữỡng ứng vợi tit diằn ngang l tch ca vũng lỹc
tĂc dửng ti tit diằn ngang dA:
Z

Z
h

h dF (x; h) =

M=
A

x dA

(1.2)

A

Trản to n b thanh dm, sức công cỹc i xÊy ra u c nh, khi x = L. Trản thỹc
t, trong thit k, ch quan tƠm n sức công cỹc i hay ứng suĐt cỹc i u c


16

H…nh 1.5: Ph¥n bŁ øng su§t tr¶n thanh dƒm
ành. Søc c«ng cüc ⁄i

÷æc th” hi»n nh÷ mºt h m cıa mæ-men tŒng cºng:

Trong â E l mæ un Young; t l
cıa thanh dƒm.
Ùng su§t cüc ⁄i:


17

1.2.2

Thanh dm cantilever ch L

Thanh dm cantilever hnh ch L ữổc trnh b y hnh (1.6) cõ cĂc kch
thữợc nhữ mổ tÊ. Mt u ca thanh dm l u ng m, u kia tỹ do. Lỹc F tĂc dửng lản u
tỹ do ca thanh dm.

Hnh 1.6: Thanh dm cantilever ch L

1.3

CĂc tiảu ch cho viằc thit k vi cÊm bin lỹc a chiu

Viằc xƠy dỹng cĂc tiảu ch cho viằc thit k cÊm bin a chiu ữổc xem xt trản cỡ
s ữớng cong chu'n cÊm bin, phữỡng phĂp chu'n cÊm bin v cĂc yu t c trững ca cÊm
bin: nhy, tuyn tnh, sai s v chnh xĂc [1].

1.3.1

ữớng cong chu'n cÊm bin
ữớng cong chu'n cÊm bin l ữớng cong biu din sỹ phử thuc ca i lữổng iằn (s)

u ra ca cÊm bin v o giĂ tr ca i lữổng o (m) u v o. Dỹa v o ữớng cong chu'n
ca cÊm bin, ta cõ th xĂc nh giĂ tr m i chữa bit ca m thổng qua giĂ tr o ữổc s i ca
s. ữớng cong chu'n cõ th biu din bng biu thức i s dữợi dng s = f(m), hoc bng ỗ
th.
d sò dửng, ngữới ta thữớng ch to cÊm bin cõ sỹ phử thuc tuyn tnh gia i
lữổng u ra v i lữổng u v o.
Phữỡng trnh s = f(m) cõ dng s = am + b vợi a; b l cĂc hằ s, khi õ ữớng cong
chu'n l ữớng thflng ữổc trnh b y hnh (1.7).


18

Hnh 1.7: ữớng cong chu'n ca cÊm bin tuyn tnh

1.3.2

Phữỡng phĂp chu'n cÊm bin

Chu'n cÊm bin l php o nhm mửc ch xĂc lp mi quan hằ gia giĂ tr s o
ữổc ca i lữổng iằn u ra v giĂ tr m ca i lữổng o cõ tnh n cĂc yu t Ênh hững,
trản cỡ s õ xƠy dỹng ữớng cong chu'n dữợi dng tữớng minh ( ỗ th hoc biu thức i s).
Khi chu'n cÊm bin, vợi mt lot giĂ tr  bit chnh xĂc m i ca m, o giĂ tr tữỡng ứng s i
ca s v dỹng ữớng cong chu'n.
Chu'n

ỡn giÊn

Trong trữớng hổp i lữổng o ch cõ mt i lữổng vt lỵ duy nhĐt tĂc ng lản mt i
lữổng o xĂc nh v cÊm bin sò dửng khổng nhy vợi tĂc ng ca cĂc i lữổng Ênh
hững, ngữới ta dũng phữỡng phĂp chu'n ỡn giÊn. Thỹc chĐt ca chu'n ỡn giÊn l o cĂc
giĂ tr ca i lữổng u ra ứng vợi cĂc giĂ xĂc nh khổng i ca i lữổng o u v o. Viằc
chu'n ữổc tin h nh theo hai cĂch:
Chu'n trỹc tip: cĂc giĂ tr khĂc nhau ca i lữổng o lĐy t cĂc mÔu chu'n hoc cĂc
phn tò so sĂnh cõ giĂ tr bit trữợc vợi chnh xĂc cao.
Chu'n giĂn tip: kt hổp cÊm bin cn chu'n vợi mt cÊm bin so sĂnh  cõ sfin ữớng
cong chu'n, cÊ hai ữổc t trong cũng iu kiằn l m viằc. Khi tĂc ng lản hai cÊm
bin vợi cũng mt giĂ tr ca i lữổng o ta nhn ữổc giĂ tr tữỡng ứng ca cÊm bin
so sĂnh v cÊm bin cn chu'n. Lp li tữỡng tỹ vợi cĂc giĂ tr khĂc ca i lữổng o cho
php ta xƠy dỹng ữổc ữớng cong chu'n ca cÊm bin cn chu'n.

Chu'n nhiu ln


19
Khi cÊm bin cõ phn tò b tr (tr cỡ hoc tr t), giĂ tr o ữổc u ra phử thuc
khổng nhng v o giĂ tr tức thới ca i lữổng cn o u v o m cặn phử thuc
v o giĂ tr trữợc õ ca ca i lữổng n y. Trong trữớng hổp nhữ vy, ngữới ta Ăp dửng

phữỡng phĂp chu'n nhiu ln v tin h nh nhữ sau:
t li im 0 ca cÊm bin: i lữổng cn o v i lữổng u ra cõ giĂ tr tữỡng ứng vợi
im gc, m = 0 v s = 0.
o giĂ tr u ra theo mt lot giĂ tr tông dn n giĂ tr cỹc i ca i lữổng o u v
o.
Lp li quĂ trnh o vợi cĂc giĂ tr giÊm dn t giĂ tr cỹc i. Khi chu'n nhiu ln cho
php xĂc nh ữớng cong chu'n theo cÊ hai hữợng o tông dn v o giÊm dn.

1.3.3

nhy

nhy ca cÊm bin giĂ tr m = m0 l
thiản u v o m trong lƠn cn ca m0. Gồi N l nhy ca cÊm bin, ta cõ:

nhy ca cÊm bin lỹc 3
Ni =
php o t chnh xĂc cao, khi thit k v sò dửng cÊm bin cn l m sao cho
nhy N ca nõ khổng i, nghắa l t phử thuc nhĐt v o cĂc yu t sau:
GiĂ tr ca

i lữổng cn o m v tn s thay

i ca nõ.

Thới gian sò dửng.
nh hững ca cĂc i lữổng vt lỵ khĂc (khổng phÊi l i lữổng o) ca mổi trữớng
xung quanh.

20

1.3.4

tuyn tnh

Mt cÊm bin


ữổc gồi l tuyn tnh trong mt dÊi o xĂc

õ, nhy khổng phử thuc v o

nh nu trong dÊi ch

i lữổng o.

Trong ch tắnh, tuyn tnh chnh l sỹ khổng phử thuc ca nhy ca cÊm
bin v o giĂ tr ca i lữổng o, th hiằn bi cĂc on thflng trản c trững tắnh ca cÊm bin
v hot ng ca cÊm bin l tuyn tnh chng n o i lữổng o cặn nm trong vũng n y.

Trong ch ng, tuyn tnh bao gm sỹ khổng phử thuc ca nhy ch
tắnh N(0) v o i lữổng o, ng thới cĂc thổng s quyt nh sỹ hi Ăp (nhữ tn s riảng
f0 ca dao ng khổng tt, hằ s tt dn) cụng khổng phử thuc v o i lữổng o.
Nu cÊm bin khổng tuyn tnh, ngữới ta ữa v o mch o cĂc thit b hiằu chnh
sao cho tn hiằu iằn nhn ữổc u ra t lằ vợi sỹ thay i ca i lữổng o u v o. Sỹ
hiằu chnh õ ữổc goi l sỹ tuyn tnh hoĂ.

1.3.5

Sai s v

chnh xĂc

CĂc b cÊm bin cụng nhữ cĂc dửng cử o lữớng khĂc, ngo i i lữổng cn o (cÊm
nhn) cặn chu tĂc ng ca nhiu i lữổng vt lỵ khĂc gƠy nản sai s gia giĂ tr o
ữổc v giĂ tr thỹc ca i lữổng cn o.
Gồi x l lằch tuyằt i gia giĂ tr o v
s tữỡng i ca b cÊm bin ữổc tnh bng:
x

Sai s ca b cÊm bin mang tnh chĐt ữợc tnh bi v khổng th bit chnh
xĂc giĂ tr thỹc ca i lữổng cn o. Khi Ănh giĂ sai s ca cÊm bin, ngữới ta thữớng phƠn
chúng th nh hai loi: sai s hằ thng v sai s ngÔu nhiản.
Sai s hằ thng: l sai s khổng phử thuc v o s ln o, cõ giĂ tr khổng i
hoc thay i chƠm theo thới gian o v thảm v o mt lằch khổng i gia giĂ tr thỹc v
giĂ tr o ữổc. Sai s hằ thng thữớng do sỹ thiu hiu bit v hằ o, do iu kiằn sò dửng
khổng tt gƠy ra. CĂc nguyản nhƠn gƠy ra sai s hằ thng cõ th l :
Do nguyản lỵ ca cÊm bin.


21
Do giĂ tr ca

i lữổng chu'n khổng úng.

Do c tnh ca b cÊm bin.
Do iu kiằn v ch
Do xò lỵ kt quÊ

sò dửng.
o.

Sai s ngÔu nhiản: l sai s xuĐt hiằn cõ lợn v chiu khổng xĂc nh. Ta cõ th dỹ
oĂn ữổc mt s nguyản nhƠn gƠy ra sai s ngÔu nhiản những khổng th dỹ oĂn ữổc
lợn v dĐu ca nõ. Nhng nguyản nhƠn gƠy ra sai s ngÔu nhiản cõ th l :
Do sỹ thay i c tnh ca thit b.
Do tn hiằu nhiu ngÔu nhiản.
Do cĂc i lữổng Ênh hững khổng ữổc tnh n khi chu'n cÊm bin.
Chúng ta cõ th giÊm thiu sai s ngÔu nhiản bng mt s biằn phĂp thỹc nghiằm
thch hổp nhữ bÊo vằ cĂc mch o trĂnh Ênh hững ca nhiu, tỹ ng iu chnh iằn Ăp
ngun nuổi, bũ cĂc Ênh hững nhiằt , tn s, vƠn h nh úng ch hoc thỹc hiằn
php o lữớng thng kả.

1.4

Kt lun chữỡng
thỹc hiằn mửc tiảu thit k mt vi cÊm bin lỹc a chiu Ăp tr, chữỡng 1 Â phƠn t

ch v tm hiu v mổ hnh v cĐu trúc ca vi cÊm bin lỹc a chiu. CĐu trúc thanh
dm cantilever ch L ữổc dũng cho mổ hnh vi cÊm bin lỹc a chiu Ăp tr.
PhƠn tch ứng suĐt trản thanh dm dÔn n kt quÊ l ứng suĐt trản thanh dm
thay i tũy thuc phữỡng, chiu v lợn ca lỹc tĂc dửng. Nghiản cứu lỵ thuyt v mổ
phọng ứng suĐt trản thanh dm xĂc nh ữổc v tr cĐy cĂc Ăp iằn tr v dũng tnh
toĂn mi liản quan gia lỹc v iằn Ăp ra trong mổ hnh vi cÊm bin.
Ngo i ra chữỡng 1 Â thỹc hiằn viằc tm hiu cĂc tiảu ch thit k cho cÊm bin v
cĂc tiảu ch liản quan nhữ nhiu, nhy.


22

CHìèNG 2: VI C M BI N LĩC

P TR

Chữỡng 2 tm hiu v vi cÊm bin lỹc Ăp tr. Phn 2:1 trnh b y viằc phƠn loi
cÊm bin lỹc v cĂc ữu khuyt im ca cĂc loi cÊm bin lỹc. Phn 2:2 trnh b y c tnh
ca vi cÊm bin lỹc Ăp tr. Phn 2:3 trnh b y v mch o v phn 2:4 trnh b y v nhiu
trong vi cÊm bin lỹc Ăp tr.

2.1

PhƠn loi vi cÊm bin lỹc
Vi cÊm bin lỹc cõ nhiu kiu khĂc nhau dỹa trản cĂc hiằu ứng vt lỵ khĂc nhau

ữổc sò dửng trong vi cÊm bin.

2.1.1

Vi cÊm bin lỹc kiu tử

Vi cÊm bin lỹc kiu tử cõ nguyản lỵ hot ng ỡn giÊn. iằn dung ca tử ữổc thay i
bng cĂch tĂc ng lản mt trong cĂc thổng s l m thay i iằn trữớng gia hai vt dÔn to
th nh hai bÊn cỹc ca tử. Mt trong hai bÊn tử ữổc ni cỡ hồc vợi vt trung gian chu tĂc
ng ca lỹc cn o. Nu vt trung gian l m ng mọng th iằn dung ca tử s thay i theo
sỹ dch chuyn ca tƠm m ng khi nõ b lỹc tĂc dửng.
Hnh 2.1 trnh b y mt vi cÊm bin lỹc kiu tử [2]. CÊm bin n y cõ hai bc tỹ do
(two degrees of freedom -2DOF ) v cĂch iằn bng silic (silicon on insulator - SOI). Vi
cÊm bin cõ khÊ nông o lỹc theo trửc t 490N vợi phƠn giÊi 0:01N n 900N vợi phƠn
giÊi 0:24N

ìu im ca phữỡng phĂp kiu tử: khÊ nông chu ỹng ôn mặn cao, n nh v
hiằu nông cao. Hn ch lợn nhĐt ca vi cÊm bin lỹc kiu tử l phƠn giÊi thĐp. CĐu trúc tử
ặi họi phÊi ngôn cĂch ho n to n hai bÊn cỹc nản phÊi dũng nhiu SOI wafer. Thảm v o
õ l quĂ trnh ch to phức tp bao gỗm cĂc mch iằn. Vi cÊm bin lỹc kiu tử ữổc sò
dửng nhiu trong cĂc gia tc k v cĂc cÊm bin trong mổi trữớng khc nghiằt.

2.1.2

Vi cÊm bin lỹc kiu Ăp

iằn

Vi cÊm bin lỹc kiu Ăp iằn hot ng dỹa trản hiằu ứng Ăp iằn chuyn i Ăp
lỹc th nh tn hiằu iằn.


23

Hnh 2.1: Vi cÊm bin lỹc kiu tử
Hiằn tữổng Ăp iằn l hiằn tữổng phƠn cỹc iằn v thay i phƠn cỹc iằn trong mt
s chĐt iằn mổi khi chúng b bin dng dữợi tĂc dửng ca lỹc theo mt chiu nhĐt nh.
Nu ch to tử iằn bng cĂch ph 2 bÊn cỹc lản 2 bÊn i diằn ca 1 phin Ăp iằn mọng v
tĂc dửng 1 lỹc lản 2 bÊn cỹc th trản 2 bÊn cỹc õ xuĐt hiằn mt iằn tch trĂi dĐu.
Hiằu iằn th ca hai bÊn cỹc t lằ vợi lỹc tĂc dửng [1].
Hiằu ứng Ăp iằn l mt hiằu ứng thun nghch. Dữợi tĂc dửng ca iằn trữớng theo
chiu thch hổp th vt liằu b bin dng. c biằt i vợi vt liằu Ăp iằn cõ th kch th
ch n trng thĂi cng hững rĐt cao.
Hnh 2.2 trnh b y mt vi cÊm bin lỹc kiu Ăp iằn [12]. Vi cÊm bin gỗm hai
thanh PVDF (polyvinylidene fluoride) gn vuổng gõc vợi nhau. CĐu trúc n y i xứng
theo chiu dồc v chiu ngang, phƠn giÊi v nhy ca vi cÊm bin trong khoÊng N.

Tuy nhiản, hai thanh n y vuổng gõc vợi nhau l m vi cÊm bin cõ kch thữợc lợn.
V vy, vi cÊm bin khõ ch to kch thữợc nhọ v khổng tch hổp ữổc vợi cĂc IC.
Phữỡng phĂp Ăp iằn cụng ặi họi mch iằn phức tp xò lỵ tn hiằu.

2.1.3

Vi cÊm bin lỹc kiu Ăp tr

Vi cÊm bin lỹc kiu Ăp tr hot

ng dỹa trản hiằu ứng Ăp iằn tr.

Hiằn tữổng thay i iằn tr ca vt liằu tinh th dữợi tĂc dửng ca ứng suĐt cỡ