Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung mems sử dụng vật liệu silicon và hợp chất của silicon

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN
DUNG MEMS SỬ DỤNG VẬT LIỆU SILICON VÀ
HỢP CHẤT CỦA SILICON

Giáo viên hƣớng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp:

Nghệ An, 2017

ThS. Nguyễn Thị Minh
Đƣờng Công Hải
1251085433
53K2 - ĐTVT


TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN
DUNG MEMS SỬ DỤNG VẬT LIỆU SILICON VÀ

HỢP CHẤT CỦA SILICON

Giáo viên hƣớng dẫn:

ThS. Nguyễn Thị Minh

Sinh viên thực hiện:
Đƣờng Công Hải
Cán bộ phản biện: ThS. Nguyễn Thị Kim Thu

Nghệ An, 2017

2


LỜI MỞ ĐẦU
Các linh kiện đƣợc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử ngày càng đƣợc sử
dụng rộng rãi nhờ những ƣu điểm nổi trội nhƣ kích thƣớc nhỏ gọn, chi phí sản suất
thấp, tính ứng dụng cao. Một thiết bị MEMS thông thƣờng là một hệ thống vi cơ
tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động những yếu tố
sinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng
với nhiều loại lối vào: hoá học, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc...
Với ƣu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế, và nhạy cảm đặc thù,
công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ
chấp hành (actuator) đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống.
Vì vậy em đã lựa chọn cho đồ án tốt nghiệp của mình với đề tài: “Mơ phỏng,
phân tích cảm biến áp suất điện dung MEMS sử dụng vật liệu Silicon và hợp
chất của Silicon”. Nội dung đề tài bao gồm ba chƣơng:
Chƣơng 1 Trình bày khái niệm cảm biến, phân loại và ứng dụng của cảm biến.
Chƣơng 2 trình bày công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), cảm biến áp suất điện

dung, vi cảm biến áp suất kiểu tụ và vi cảm biến áp suất kiểu áp trở.
Chƣơng 3 trình bày về phần mềm COMSOL Multiphysics và kết quả mô
phỏng các tác động của áp suất lên vi cảm biến áp suất điện dung đối với 3 vật liệu.
Mục đích của đề tài là mô phỏng cảm biến áp suất điện dung, khảo sát các tác
động của áp suất đến điện dung của cảm biến và ảnh hƣởng của nhiệt độ đến giá trị
điện dung của cảm biến đối với 3 vật liệu khác nhau.
Để thực hiện đề tài này em thực hiện những nhiệm vụ chính nhƣ sau:
- Tìm hiểu về cảm biến và ứng dụng của cảm biến. Sau đó đi vào tìm hiểu
cơng nghệ MEMS và cảm biến áp suất, vi cảm biến áp suất kiểu tụ và vi cảm biến
áp suất kiểu áp trở.
- Dựa vào các kết quả mơ phỏng, phân tích và so sánh các thông số của cảm
biến đƣợc chế tạo trên các vật liệu khác nhau.
Đề tài đƣợc thực hiện bằng các phƣơng pháp: Nghiên cứu lý thuyết về vi cảm
biến thông qua sách, giáo trình, các bài báo khoa học. Cuối cùng là thực hiện mô

i


phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0
Trong suốt quá trình học tập và làm đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành gửi
lời cảm ơn tới quý thầy cô và các bạn trong Viện kỹ thuật và công nghệ. Đặc biệt
em xin cảm ơn cô giáo ThS. Nguyễn Thị Minh là ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn đồ án
tốt nghiệp cho em một cách nhiệt tình, chu đáo để em có thể hoàn thiện đồ án một
cách tốt hơn. Thời gian làm đồ án, cũng nhƣ kiến thức còn hạn chế nên khơng thể
tránh khỏi những thiếu sót, kính mong thầy cơ và các bạn có thể thơng cảm cho em.

ii


TĨM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án thực hiện mơ phỏng, phân tích các cảm biến áp suất điện dung MEMS
chế tạo với ba loại vật liệu khác nhau: Silicon, Silicon Dioxide và Silicon nitride
bằng phần mềm COMSOL Multiphysics. Độ dịch chuyển của lớp màng, giá trị điện
dung và độ nhạy của cảm biến khi có tác động của áp suất bên ngoài đã đƣợc khảo
sát. Các kết quả đạt đƣợc cho thấy cảm biến sử dụng vật liệu Silicon Dioxide có độ
nhạy cao hơn tuy nhiên tính ổn định khơng cao so với cảm biến sử dụng vật liệu
Silicon và Silicon Nitride khi nhiệt độ của môi trƣờng làm việc thay đổi.

ABSTRACT

This thesis imitates and simulates by using different materials: Silicon and
Silicon Dioxide (SiO2 and Silicon Nitride - Si3N4) with COMSOL Multiphysics
sofrware. The shift of membrane layer, Capacitance pressure sensor and sensitivity
of sensor when exposing to external pressure were investigated. The results show
that sensor uses materials silicon dioxide have sensitivity is taller, however, the
stability isn’t taller than sensor uses Silicon and Silicon Nitride, when the
temperature of the work environment changes.

iii


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii
DANH TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... viii
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ..............................................................1
1.1 Giới thiệu chung .............................................................................................1

1.1.2 Phân loại cảm biến ................................................................................2
1.1.3 Đƣờng cong chuẩn của cảm biến ..........................................................5
1.1.4 Các đặc trƣng cơ bản ............................................................................7
1.2 Nguyên lý chế tạo và đo cảm biến ...............................................................13
1.2.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến .....................................................13
1.2.2 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực ............................................13
1.2.3 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động .................................................16
1.3 Các loại cảm biến thông dụng ......................................................................17
1.3.1 Cảm biến nhiệt độ ...............................................................................17
1.3.2 Cảm biến quang ..................................................................................17
1.3.3 Cảm biến đo biến dạng .......................................................................17
1.3.4 Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển ......................................................18
1.3.5 Cảm biến đo lực ..................................................................................19
1.3.6 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung .................................................19
1.3.7 Cảm biến đo áp suất chất lƣu ..............................................................20
1.3.8 Cảm biến đo lƣu lƣợng và mức chất lƣu ............................................20
1.4 Kết luận chƣơng ...........................................................................................21
CHƢƠNG 2 CẢM BIẾN ÁP SUẤT .......................................................................22
2.1 Công nghệ vi cơ điện tử MEM ....................................................................22
2.1.1 Tổng quan về MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) ...............22
2.1.2 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS ...........................................26
2.1.3 Ứng dụng của cảm biến MEMS .........................................................28
2.2 Cảm biến áp suất ..........................................................................................29
2.2.1 Khái niệm ............................................................................................29
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất .......................................29
2.3 Vi cảm biến áp suất ......................................................................................31

iv

2.3.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ .................................................................34
2.3.2 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở ..........................................................36
2.4 Kết luận chƣơng ..........................................................................................37
CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG ....38
3.1 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics ................................................38
3.2. Thiết kế cảm biến áp suất điện dung MEMS ..............................................44
3.2.1 Cấu tạo của cảm biến áp suất điện dung .............................................44
3.2.2. Nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến áp suất điện dung MEMS ...45
với w(x,y) là độ dịch chuyển của lớp màng. ................................................46
3.3 Kết quả và thảo luận .....................................................................................47
3.3.1 Khảo sát hoạt động của cảm biến .......................................................47
3.3.2. Tác động của nhiệt độ môi trƣờng tới giá trị điện dung của cảm biến 49
3.4 Kết luận chƣơng ...........................................................................................50
KẾT LUẬN ..............................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................53
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH .....................................................54

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Đƣờng cong chuẩn cảm biến .......................................................................5
Hình 1.2 Phƣơng pháp chuẩn cảm biến .....................................................................6
Hình 1.3. Xác định các khoảng thời gian đặc trƣng trong chế độ quá độ ................11
Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện .........................................................................13
Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện .....................................................................14
Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện .......................................................................14
Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ ........................................................15
Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ ........................................................15
Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall ............................................................................16

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại ..........................................................18
Hình 1.11 Mạch đo thƣờng dùng với cảm biến tụ điện ...........................................19
Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của bộ biến đổi kiểu áp vi sai ...........................20
Hình 1.13 Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ ...........................................................21
Hình 2.1 Sơ đồ khối cảm biến áp suất .....................................................................29
Hình 2.2 Cảm biến áp suất .......................................................................................30
Hình 2.3. Cấu tạo cảm biến kiểu áp trở .....................................................................30
Hình 2.4 Đo áp suất động bằng ống Pitot ................................................................34
Hình 2.5 Đo áp suất động bằng màng ......................................................................34
Hình 2.6 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung ...................................................................35
Hình 3.1. Mơ hình của vi cảm biến áp suất điện dung .............................................44
Hình 3.2. Mặt cắt ngang 2D của cảm biến áp suất điện dung ..................................45
Hình 3.3 Tác động của áp suất lên lớp màng cảm biến ...........................................47
Hình 3.4 Sự thay đổi giá trị điện dung của cảm biến khi có áp suất tác động .........48
Hình 3.5 Tác động nhiệt độ tới giá trị điện dung của cảm biến ............................... 49
Hình 3.6 Tác động của nhiệt độ tới giá trị điện dung của linh kiện cảm biến .........50

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất ..........................................................32
Bảng 3.1. Đặc tính của vật liệu Silicon và AISI 4340 .............................................45

vii


DANH TỪ VIẾT TẮT
MEMS

Micro Electro Mechanical Systems

Công nghệ vi cơ điện tử

SiO2

Silicon Dioxide

Silicon Dioxide

Si3N4

Silicon Nitride

Silicon Nitride

viii


CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN
Ở chƣơng này trình bày đến một số khái niệm cơ bản về cảm biến, phạm vi
ứng dụng cảm biến, phân loại cảm biến cũng nhƣ nói về các đặc trƣng cơ bản nhƣ là
độ nhạy cảm biến trong chế độ tĩnh và động. Ngồi ra trong chƣơng cịn nói về
ngun lý chế tạo cảm biến dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi
một dạng năng lƣợng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lƣợng điện và các
loại cảm biến thông dụng.
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Khái niệm
Cảm biến - sensor: xuất phát từ chữ sense nghĩa là giác quan, do đó nó nhƣ
các giác quan trong cơ thể con ngƣời. Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện

có thể thu nhận thơng tin từ bên ngồi. Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động
mới có thể tự động hiển thị thơng tin về đại lƣợng đang cảm nhận hay điều khiển
quá trình định trƣớc có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trƣờng
hoạt động. Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lý và
các đại lƣợng khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng có thể đo và xử
lý đƣợc.
Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng khơng có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp
suất...) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trƣng (s) mang tính chất điện (nhƣ điện
tích, điện áp, dịng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá
trị của đại lƣợng đo. Đặc trƣng (s) là hàm của đại lƣợng cần đo (m):
s = F(m)

(1.1)

Ngƣời ta gọi (s) là đại lƣợng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại
lƣợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lƣợng cần đo). Thông qua đo đạc
(s) cho phép nhận biết giá trị của (m) [1].
 Phạm vi ứng dụng:
- Quân sự.
- Nghiên cứu khoa học.
- Môi trƣờng, khí tƣợng.
- Thơng tin viễn thơng.

1


- Nông nghiệp.
- Công nghiệp.
- Giao thông.
- Vũ trụ.

- Dân dụng.
1.1.2 Phân loại cảm biến
Các bộ cảm biến đƣợc phân loại theo các đặc trƣng cơ bản sau đây:
 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng:
 Hiện tƣợng vật lý:
- Nhiệt điện.
- Quang điện.
- Quang từ.
- Điện từ.
- Quang đàn hồi.
- Từ điện.
- Nhiệt từ...
 Hiện tƣợng hoá học:
- Biến đổi hoá học.
- Biến đổi điện hố.
- Phân tích phổ...
- Biến đổi sinh hố.
 Hiện tƣợng sinh học:
- Biến đổi vật lý.
- Hiệu ứng trên cơ thể sống...
 Phân loại theo dạng kích thích
 Âm thanh:
- Biên pha, phân cực.
- Phổ.
2


- Tốc độ truyền sóng...
 Điện:
- Điện tích, dịng điện.

- Điện thế, điện áp.
- Điện trƣờng (biên, pha, phân cực, phổ).
- Điện dẫn, hằng số điện môi...
 Từ:
- Từ trƣờng (biên, pha, phân cực, phổ).
- Từ thông, cƣờng độ từ trƣờng.
- Độ từ thẩm...
 Quang:
- Biên, pha, phân cực, phổ.
- Tốc độ truyền.
- Hệ số phát xạ, khúc xạ.
- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ...
 Cơ:
- Vị trí.
- Lực, áp suất.
- Gia tốc, vận tốc.
- Ứng suất, độ cứng.
- Mô men.
- Khối lƣợng, tỉ trọng.
- Vận tốc chất lƣu, độ nhớt...
 Nhiệt:
- Nhiệt độ.
- Thông lƣợng.
- Nhiệt dung, tỉ nhiệt...

3


 Bức xạ:
- Kiểu 111.

- Năng lƣợng.
- Cƣờng độ...
 Theo tính năng của bộ cảm biến
- Độ nhạy.
- Độ chính xác.
- Độ phân giải.
- Độ chọn lọc.
- Độ tuyến tính.
- Công suất tiêu thụ.
- Dải tần.
- Độ trễ.
- Khả năng quá tải.
- Tốc độ đáp ứng.
- Độ ổn định.
- Tuổi thọ.
- Điều kiện mơi trƣờng.
- Kích thƣớc, trọng lƣợng.
 Phân loại theo phạm vi sử dụng
- Công nghiệp.
- Nghiên cứu khoa học.
- Mơi trƣờng, khí tƣợng.
- Thơng tin, viễn thơng.
- Nông nghiệp.
- Dân dụng.
- Giao thông.

4


- Vũ trụ.

- Quân sự.
 Phân loại theo thông số của mơ hình mạch điện thay thế
- Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dịng.
- Cảm biến thụ động đƣợc đặc trƣng bằng các thông số R, L, C, M... tuyến tính
hoặc phi tuyến.
1.1.3 Đƣờng cong chuẩn của cảm biến
Đƣờng cong chuẩn cảm biến là đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại
lƣợng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo (m) ở đầu vào.
Đƣờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dƣới dạng s = F(m), hoặc
bằng đồ thị nhƣ hình 1.1a. [1].

Hình 1.1 Đƣờng cong chuẩn cảm biến
a) Dạng đường cong chuẩn

b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

Dựa vào đƣờng cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chƣa
biết của m thông qua giá trị đo đƣợc si của s. Để dễ sử dụng, ngƣời ta thƣờng chế
tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào,
phƣơng trình: s = F(m) có dạng s = am + b với a, b là các hệ số, khi đó đƣờng cong
chuẩn là đƣờng thẳng (hình 1.1b).
 Phƣơng pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s
đo đƣợc của đại lƣợng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lƣợng đo có tính đến các
yếu tố ảnh hƣởng, trên cơ sở đó xây dựng đƣờng cong chuẩn dƣới dạng tƣờng minh
(đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính

5

xác mi của m, đo giá trị tƣơng ứng si của s và dựng đƣờng cong chuẩn [1].

Hình 1.2 Phƣơng pháp chuẩn cảm biến
 Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo đƣợc ở đầu ra phụ
thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lƣợng cần đo ở đầu vào mà cịn phụ
thuộc vào giá trị trƣớc đó của của đại lƣợng này. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, ngƣời
ta áp dụng phƣơng pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành nhƣ sau:
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lƣợng cần đo và đại lƣợng đầu ra có giá trị
tƣơng ứng với điểm gốc, m=0 và s=0.
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại
lƣợng đo ở đầu vào.
- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại. Khi chuẩn
nhiều lần cho phép xác định đƣờng cong chuẩn theo cả hai hƣớng đo tăng dần và đo
giảm dần.
 Chuẩn đơn giản
Trong trƣờng hợp đại lƣợng đo chỉ có một đại lƣợng vật lý duy nhất tác động
lên một đại lƣợng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của
các đại lƣợng ảnh hƣởng, ngƣời ta dùng phƣơng pháp chuẩn đơn giản. Thực chất
của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lƣợng đầu ra ứng với các giá xác định
không đổi của đại lƣợng đo ở đầu vào. Việc chuẩn đƣợc tiến hành theo hai cách:
- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lƣợng đo lấy từ các mẫu chuẩn
hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trƣớc với độ chính xác cao.
- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã
6


có sẵn đƣờng cong chuẩn, cả hai đƣợc đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác
động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lƣợng đo ta nhận đƣợc giá trị
tƣơng ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tƣơng tự với các

giá trị khác của đại lƣợng đo cho phép ta xây dựng đƣợc đƣờng cong chuẩn của cảm
biến cần chuẩn.
1.1.4 Các đặc trƣng cơ bản
 Độ nhạy của cảm biến
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào
Δm có sự liên hệ tuyến tính:
Δs = S.Δm

(1.2)

Đại lƣợng S xác định bởi biểu thức: S=

s
đƣợc gọi là độ nhạy của cảm biến.
m

Trƣờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh
giá trị mi của đại lƣợng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lƣợng đầu ra
và biến thiên Δm tƣơng ứng của đại lƣợng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:
 s 

S= 

 m m mi

(1.3)

Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao
cho độ nhạy S của nó khơng đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
- Giá trị của đại lƣợng cần đo m và tần số thay đổi của nó.

- Thời gian sử dụng.
- Ảnh hƣởng của các đại lƣợng vật lý khác (không phải là đại lƣợng đo) của
môi trƣờng xung quanh. Thông thƣờng nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S
tƣơng ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.
 Độ nhạy trong chế độ tĩnh
Đƣờng cong chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị s i ở đầu ra
tƣơng ứng với các giá trị không đổi mi của đại lƣợng đo khi đại lƣợng này đạt đến
chế độ làm việc danh định đƣợc gọi là đặc trƣng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi
(mi, si) trên đặc trƣng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh.

7


Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo cơng thức (1.3) chính là độ đốc của đặc
trƣng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Nhƣ vậy, nếu đặc trƣng tĩnh khơng phải là
tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc.
Đại lƣợng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào
đƣợc gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:

 s 
ri   
 m Qi

(1.4)

Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm
việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trƣng tĩnh là đƣờng thẳng đi qua gốc toạ độ.
 Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động đƣợc xác định khi đại lƣợng đo biến thiên tuần
hoàn theo thời gian. Giả sử biến thiên của đại lƣợng đo m theo thời gian có dạng:

m(t )  m0  m1 cos t

(1.5)

Trong đó m0 là giá trị khơng đổi, m1 là biên độ,  là tần số góc của biến thiên
đại lƣợng đo.
Ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng:

s(t )  s0  s1 cos(t   )

(1.6)

Trong đó:
+ s0 là giá trị khơng đổi tƣơng ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0
trên đƣờng cong chuẩn ở chế độ tĩnh.
+ s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại
lƣợng đo gây nên.
+  là độ lệch pha giữa đại lƣợng đầu vào và đại lƣợng đầu ra.
Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến đƣợc xác định bởi tỉ số giữa biên
độ của biến thiên đầu ra s1 và biên độ của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm
việc đƣợc xét Q0 theo phƣơng trình:

 s 
s 1 
 m1 Q0

(1.7)

8

Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lƣợng đo, S = S(f). Sự
biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện
của đầu đo, tức là của cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng khơng thể cung cấp
tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lƣợng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi
đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách
tổng thể.
 Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo
(cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giữa
giá trị đođƣợc và giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa
giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tƣơng đối của bộ cảm biến đƣợc
tính bằng:



x
.100 (%)
x

(1.9)

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì khơng thể biết chính
xác giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, ngƣời ta
thƣờng phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
- Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khơng
đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi
giữa giá trị thực và giá trị đo đƣợc. Sai số hệ thống thƣờng do sự thiếu hiểu biết
về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số

hệ thống có thể là:
+ Do nguyên lý của cảm biến.
+ Do giá trị của đại lƣợng chuẩn không đúng.
+ Do đặc tính của bộ cảm biến.
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng.
+ Do xử lý kết quả đo.
- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều khơng xác định. Ta
có thể dự đoán đƣợc một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhƣng khơng thể
dự đốn đƣợc độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên
có thể là:

9


+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
+ Do các đại lƣợng ảnh hƣởng khơng đƣợc tính đến khi chuẩn cảm biến.
Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm
thích hợp nhƣ bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hƣởng của nhiễu, tự động điều chỉnh
điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hƣởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc
thực hiện phép đo lƣờng thống kê.
 Độ tuyến tính
Một cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải
chế độ đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lƣợng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự khơng phụ thuộc của độ nhạy của
cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trƣng
tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lƣợng đo
còn nằm trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự khơng phụ thuộc của độ nhạy ở
chế độ tĩnh S(0) vào đại lƣợng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp nhƣ

tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần, cũng không phụ thuộc vào đại
lƣợng đo.
Nếu cảm biến khơng tuyến tính, ngƣời ta đƣa vào mạch đo các thiết bị hiệu
chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận đƣợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lƣợng đo
ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó đƣợc gọi là sự tuyến tính hố.
 Đƣờng thẳng tốt nhất
Khi chuẩn cảm biến từ kết quả thực nghiệm ta nhận đƣợc một loại điểm tƣơng
ứng (si,mi) của đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các
cảm biến tuyến tính, đƣờng cong chuẩn là một đƣờng thẳng, tuy nhiên do sai số khi
đo, các điểm chuẩn (mi,si) nhận đƣợc bằng thực nghiệm thƣờng không cùng nằm
trên một đƣờng thẳng.
Đƣờng thẳng đƣợc xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số
là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến đƣợc gọi là đƣờng thẳng tốt nhất.
Phƣơng trình biểu diễn đƣờng thẳng tốt nhất đƣợc lập bằng phƣơng pháp bình
phƣơng bé nhất trong đa thức nội suy. Giả sử tiến hành chuẩn cảm biến với N điểm
đo, phƣơng trình có dạng:
10


s = am + b

(1.8)

Trong đó, các hệ số a, b đƣợc xác định bởi các biểu thức sau:
a

s m  m s m
;b   
N  m   m 
  m 

N  si mi   si  mi
N  mi

2

2

i

i

i i

2

i

i

i

2

2

i

 Độ lệch tuyến tính
Đối với các cảm biến khơng hồn tồn tuyến tính, khái niệm độ lệch tuyến

tính đƣợc đƣa ra và đƣợc xác định bởi độ lệch cực đại giữa đƣờng cong chuẩn và
đƣờng thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.
 Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trƣng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về
thời gian của đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là
đại lƣợng đƣợc sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh tr là khoảng
thời gian từ khi đại lƣợng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lƣợng đầu
ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lƣợng giới hạn ε tính bằng %. Thời gian hồi
đáp tƣơng ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có
sự biến thiên của đại lƣợng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trƣớc.
Thời gian hồi đáp đặc trƣng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các
thông số thời gian xác định chế độ này.

Hình 1.3. Xác định các khoảng thời gian đặc trƣng trong chế độ quá độ
Trong trƣờng hợp sự thay đổi của đại lƣợng đo có dạng bậc thang, các thơng
số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng
đột ngột của đại lƣợng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (t dc) và thời gian giảm (tc) ứng
với sự giảm đột ngột của đại lƣợng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng t dm là thời gian
11


cần thiết để đại lƣợng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên
tổng cộng của đại lƣợng này và khoảng thời gian tăng t m là thời gian cần thiết để đại
lƣợng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó.
Tƣơng tự, khi đại lƣợng đo giảm, thời gian trể khi giảm t dc là thời gian cần
thiết để đại lƣợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng
cộng của đại lƣợng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại
lƣợng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó.
Các thơng số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá
về thời gian hồi đáp của nó.

 Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong q trình sử dụng, các cảm biến ln chịu tác động của ứng lực cơ học,
tác động nhiệt... Khi các tác động này vƣợt quá ngƣỡng cho phép, chúng sẽ làm
thay đổi đặc trƣng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, ngƣời sử
dụng cần phải biết rõ các giới hạn này.
 Vùng làm việc danh định
Vùng làm việc danh định tƣơng ứng với những điều kiện sử dụng bình thƣờng
của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngƣỡng mà các đại lƣợng đo, các đại
lƣợng vật lý có liên quan đến đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng ảnh hƣởng có thể
thƣờng xun đạt tới mà khơng làm thay đổi các đặc trƣng làm việc danh định của
cảm biến.
 Vùng không nên gây hƣ hỏng
Vùng không gây nên hƣ hỏng là vùng mà khi mà các đại lƣợng đo hoặc các
đại lƣợng vật lý có liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt qua ngƣỡng của
vùng làm việc danh định nhƣng vẫn cịn nằm trong phạm vi khơng gây nên hƣ
hỏng, các đặc trƣng của cảm biến có thể bị thay đổi nhƣng những thay đổi này
mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trƣng của
cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.
 Vùng không phá hủy
Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng

12


vật lý có liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt qua ngƣỡng của vùng không
gây nên hƣ hỏng nhƣng vẫn cịn nằm trong phạm vi khơng bị phá hủy, các đặc trƣng
của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính khơng thuận nghịch, tức
là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trƣng của cảm biến không thể lấy lại
giá trị ban đầu của chúng. Trong trƣờng hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng đƣợc,
nhƣng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.

1.2 Nguyên lý chế tạo và đo cảm biến
1.2.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến
Các loại cảm biến đƣợc chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tƣợng vật lý và đƣợc
phân làm hai loại:
 Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động nhƣ một máy phát, đáp ứng
(s) là điện tích, điện áp hay dịng.
 Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt động nhƣ một trở kháng trong đó
đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung.
1.2.2 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực
Các cảm biến tích cực đƣợc chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật
lý biến đổi một dạng năng lƣợng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lƣợng
điện. Dƣới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế
tạo cảm biến [2].
 Hiệu ứng nhiệt điện

Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện
Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hố học khác nhau đƣợc hàn lại với
nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau,
khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ
thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.
Hiệu ứng nhiệt điện đƣợc ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trƣớc nhiệt độ
13


T2, thƣờng chọn T2 = 0C.
 Hiệu ứng hỏa điện
Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có
tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện
trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa
hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện.

Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện
Hiệu ứng hoả điện đƣợc ứng dụng để đo thông lƣợng của bức xạ ánh sáng.
Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và
nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V
ta có thể xác định đƣợc thơng lƣợng ánh sáng F.
 Hiệu ứng áp điện
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (nhƣ thạch anh chẳng hạn) khi bị
biến dạng dƣớc tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất
hiện những lƣợng điện tích bằng nhau nhƣng trái dấu, đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện.
Đo V ta có thể xác định đƣợc cƣờng độ của lực tác dụng F.

Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện
 Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trƣờng không đổi, trong dây dẫn xuất
hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian,
nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tƣơng tự nhƣ vậy, trong một khung
dây đặt trong từ trƣờng có từ thơng biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ
lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây.

14


Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ
Hiệu ứng cảm ứng điện từ đƣợc ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của
vật, thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.
 Hiệu ứng quang điện
- Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tƣợng
giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thƣờng là bán dẫn) khi chiếu vào
chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bƣớc sóng nhỏ hơn

một ngƣỡng nhất định.
- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay cịn gọi là hiệu ứng quang điện ngồi)
là hiện tƣợng các điện tử đƣợc giải phóng và thốt khỏi bề mặt vật liệu tạo thành
dịng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trƣờng.
 Hiệu ứng quang - điện - từ
Khi tác dụng một từ trƣờng B vng góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu
bán dẫn đƣợc chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hƣớng vng góc với
từ trƣờng B và hƣớng bức xạ ánh sáng.

Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ
 Hiệu ứng Hall
Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thƣờng là bán dẫn), trong đó có dịng
điện chạy qua, vào trong một từ trƣờng B có phƣơng tạo với dịng điện I trong tấm
một góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế VH theo hƣớng vuông góc với B và I. Biểu
thức hiệu điện thế có dạng:

VH  K H .I .B.sin 

15

(1.10)