Bài báo này trình bày về việc thiết kế, chế tạo và một số áp dụng của cảm biến gia tốc áp điện trở trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử (MEMS). Vật liệu silíc được lựa chọn để chế tạo cảm biến và các áp điện trở được tạo bởi quá trình khuếch tán Boron lên các thanh dầm silíc có bề dày đủ mỏng. Hai ứng dụng được lựa chọn là đo góc nghiêng khi tận dụng vai trò gia tốc trọng trường và đo rung cho kết quả rất tốt cho thấy tính khả thi khi áp dụng vào thực tiễn.
1. Giới thiệu
Các cảm biến gia tốc được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và vi hệ thống đã và đang thâm nhập một cách mạnh mẽ trong hầu hết các lĩnh vực như y sinh [1], công nghiệp ôtô [2], điện tử dân dụng, khoa học không gian…Hiện nay, về cơ bản có ba loại cảm biến gia tốc, đó là cảm biến gia tốc kiểu tụ [3, 4], áp điện và áp điện trở. Nhìn chung cả ba loại cảm biến này đều có các ưu và nhược điểm riêng nhưng cảm biến gia tốc kiểu áp trở là thông dụng nhất bởi các ưu điểm vượt trội như độ nhạy cao, giá thành rẻ, mạch xử lý tín hiệu đơn giản [5].
Bài báo này trình bày về việc thiết kế, chế tạo và hai áp dụng tiêu biểu của cảm biến gia tốc áp điện trở (đo gia tốc tĩnh và động). Cảm biến được thiết kế và mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn mà ở đây là phần mềm ANSYS. Khâu thiết kế và áp dụng được thực hiện tại Việt nam, còn khâu chế tạo cảm biến được thực hiện tại Nhật Bản. Cảm biến có kích thước nhỏ cỡ 1.5×1.5×0.5 mm3 nên có thể hướng tới nhiều ứng dụng đo gia tốc khác nhau.
2. Cảm biến gia tốc áp điện trở
Các cảm biến gia tốc được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và vi hệ thống đã và đang thâm nhập một cách mạnh mẽ trong hầu hết các lĩnh vực như y sinh [1], công nghiệp ôtô [2], điện tử dân dụng, khoa học không gian…Hiện nay, về cơ bản có ba loại cảm biến gia tốc, đó là cảm biến gia tốc kiểu tụ [3, 4], áp điện và áp điện trở. Nhìn chung cả ba loại cảm biến này đều có các ưu và nhược điểm riêng nhưng cảm biến gia tốc kiểu áp trở là thông dụng nhất bởi các ưu điểm vượt trội như độ nhạy cao, giá thành rẻ, mạch xử lý tín hiệu đơn giản [5].
Bài báo này trình bày về việc thiết kế, chế tạo và hai áp dụng tiêu biểu của cảm biến gia tốc áp điện trở (đo gia tốc tĩnh và động). Cảm biến được thiết kế và mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn mà ở đây là phần mềm ANSYS. Khâu thiết kế và áp dụng được thực hiện tại Việt nam, còn khâu chế tạo cảm biến được thực hiện tại Nhật Bản. Cảm biến có kích thước nhỏ cỡ 1.5×1.5×0.5 mm3 nên có thể hướng tới nhiều ứng dụng đo gia tốc khác nhau.
2. Cảm biến gia tốc áp điện trở
 |  |
| Hình 1: Cấu hình cảm biến gia tốc 3 chiều | Hình 2: Chồng lấp các mặt nạ sử dụng phần mềm L-EDIT |
Cảm biến gia tốc áp điện trở ba chiều (hình 1) với kích thước nhỏ 1.5×1.5×0.5 mm3 đã được chế tạo. Hiệu ứng áp điện trở đã được ứng dụng để xác định các gia tốc tác động vào cảm biến. Hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu tinh thể dưới tác dụng của ứng suất cơ được gọi là hiệu ứng áp điện trở [6, 7]. Nguyên nhân đó là đặc tính dị hướng của độ phân giải mức năng lượng trong không gian tinh thể. Trong silíc chỉ tồn tại ba hệ số áp điện trở không phụ thuộc vào nhau là (liên hệ dọc), (liên hệ ngang) và (cho liên hệ trượt). Đối với silíc đơn tinh thể có mật độ tạp dẫn thấp thì có thể coi những hệ số áp điện trở , và là các hằng số. Người ta ứng dụng vật liệu biến dạng cơ là màng mỏng hay cấu trúc thanh dầm. Để đạt được độ dãn ngang (chiều dài và chiều rộng) lớn thì cần chiều dày nhỏ và do vậy có thể bỏ qua ứng suất dọc. Lúc này phần tử áp điện trở được cấy trên vật biến dạng cơ và mạch điện xử lý bên ngoài được thiết kế một cách thích ứng.
Trong các cảm biến gia tốc áp điện trở thì độ dịch chuyển của khối gia trọng sẽ làm thanh dầm biến dạng. Điện trở được cấy trên các thanh dầm sẽ biến đổi tỷ lệ thuận với gia tốc tác dụng lên khối gia trọng. Các cảm biến loại này thường được chế tạo theo công nghệ vi cơ khối 2 mặt. Cấu trúc thanh dầm và khối gia trọng sẽ được tạo hình bằng ăn mòn nhiều bước. Việc cấy tạp chất nồng độ cao sẽ tạo ra áp điện trở trên cấu trúc thanh dầm treo vật nặng.
Ngôn ngữ lập trình ANSYS đóng vai trò quyết định trong việc xây dựng cấu trúc cũng như vị trí cấy các áp điện trở [13]. Chương trình thiết kế mask L-EDIT đã được sử dụng để thiết kế các mặt nạ phục vụ cho việc chế tạo (hình 2).
Cảm biến được chế tạo thành công sử dụng công nghệ vi cơ khối. Hình 3.a và 3.b là ảnh chup cảm biến sau quá trình bonding và được gắn vào mạch PCB phục vụ cho quá trình đo chuẩn và áp dụng.
Trong các cảm biến gia tốc áp điện trở thì độ dịch chuyển của khối gia trọng sẽ làm thanh dầm biến dạng. Điện trở được cấy trên các thanh dầm sẽ biến đổi tỷ lệ thuận với gia tốc tác dụng lên khối gia trọng. Các cảm biến loại này thường được chế tạo theo công nghệ vi cơ khối 2 mặt. Cấu trúc thanh dầm và khối gia trọng sẽ được tạo hình bằng ăn mòn nhiều bước. Việc cấy tạp chất nồng độ cao sẽ tạo ra áp điện trở trên cấu trúc thanh dầm treo vật nặng.
Ngôn ngữ lập trình ANSYS đóng vai trò quyết định trong việc xây dựng cấu trúc cũng như vị trí cấy các áp điện trở [13]. Chương trình thiết kế mask L-EDIT đã được sử dụng để thiết kế các mặt nạ phục vụ cho việc chế tạo (hình 2).
Cảm biến được chế tạo thành công sử dụng công nghệ vi cơ khối. Hình 3.a và 3.b là ảnh chup cảm biến sau quá trình bonding và được gắn vào mạch PCB phục vụ cho quá trình đo chuẩn và áp dụng.
3. Áp dụng của cảm biến đã chế tạo
3.1 Đo gia tốc tĩnh
 |
| Hình 3: Ảnh chụp cảm biến |
Sử dụng gia tốc trọng trường (là gia tốc tĩnh) thì cảm biến có thể được sử dụng như bộ đo góc - thiết bị được sử dụng rất rộng rãi cho rôbốt, ôtô, ngôn ngữ dấu hiệu...Với cách thực hiện này thì dải đo gia tốc sẽ nằm trong khoảng từ -g tới +g (g=9,8 m/s2). Hình 4 ảnh chụp hệ đo góc nghiêng và cảm biến lắp đặt trên đó. Dễ nhận thấy tại 1 góc nghiêng xác định thì thành phần gia tốc tác động lên cảm biến là:
Mà ta có sự liên hệ giữa gia tốc đo a và điện thế đầu ra Vra của cảm biến như sau:
Ở đó Vnguon là điện thế cấp cho mạch cầu Wheastone và K là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của cảm biến và điều kiện chế tạo.
Hình 5 là kết quả đo góc nghiêng thu được sử dụng cảm biến gia tốc ở trên khi so sánh với tín hiệu lý tưởng. Các góc đo được lấy mẫu tại các góc đặc biệt 0, 30, 60, 90, 120, 150 và 180 độ để thuận tiện cho việc kiểm chứng.
3.2 Đo gia tốc động – phân tích rung
Phân tích rung là một ứng dụng rất phổ biến của cảm biến gia tốc, được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống giám sát chất lượng cầu đường, thiết bị…Trong thí nghiệm này chúng ta sử dụng 1 bộ tạo dao động hình sin, sau khi qua bộ khuếch đại sẽ đưa tới một bộ tạo rung mà trên đó đã gắn sẵn cảm biến gia tốc. Khi bi rung, tín hiệu từ cảm biến sẽ được khuếch đại, lấy mẫu và truyền về máy tính. Tại máy tính sẽ tiến hành việc phân tích tín hiệu trên miền tần số nhằm tìm ra tần số rung của tín hiệu.
Mà ta có sự liên hệ giữa gia tốc đo a và điện thế đầu ra Vra của cảm biến như sau:
Ở đó Vnguon là điện thế cấp cho mạch cầu Wheastone và K là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của cảm biến và điều kiện chế tạo.
Hình 5 là kết quả đo góc nghiêng thu được sử dụng cảm biến gia tốc ở trên khi so sánh với tín hiệu lý tưởng. Các góc đo được lấy mẫu tại các góc đặc biệt 0, 30, 60, 90, 120, 150 và 180 độ để thuận tiện cho việc kiểm chứng.
3.2 Đo gia tốc động – phân tích rung
Phân tích rung là một ứng dụng rất phổ biến của cảm biến gia tốc, được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống giám sát chất lượng cầu đường, thiết bị…Trong thí nghiệm này chúng ta sử dụng 1 bộ tạo dao động hình sin, sau khi qua bộ khuếch đại sẽ đưa tới một bộ tạo rung mà trên đó đã gắn sẵn cảm biến gia tốc. Khi bi rung, tín hiệu từ cảm biến sẽ được khuếch đại, lấy mẫu và truyền về máy tính. Tại máy tính sẽ tiến hành việc phân tích tín hiệu trên miền tần số nhằm tìm ra tần số rung của tín hiệu.
 |  |
| Hình 4. Hệ đo gia tốc tĩnh | Hình 5. Kết quả đo góc |
Sơ đồ kết nối hệ thống được mô tả như trên hình 6.
 |
| Hình 6. Hệ thống tạo rung |
Hệ thống được cho rung tại tần số 6 Hz, tín hiệu tại đầu ra của cảm biến là khá nhỏ (cỡ mV) nên cần sử dụng bộ khuếch đại (K=20) trước khi đưa tới bộ lấy và giữ mẫu (tần số lấy mẫu là 200 Hz là thoả mãn điều kiện Shannon). Giá trị của tần số lấy mẫu rất quan trọng trong việc phân tích tín hiệu trên miền tần số.
Sử dụng kỹ thuật phân tích Fourier cơ bản sẽ cho kết quả phân tích như trên hình 7. Nhận xét rằng kết quả trong hình 7 là rất khó quan sát nên cần thiết phải có 1 công cụ khác để thay thế và phương pháp Welch đã được sử dụng (hình 8).Nhận xét rằng hệ thống có thể phát hiện ra tần số rất chính xác với sai số khá nhở mà nguyên nhân cũng có thể là do độ chính xác của bộ tạo dao động.
Sử dụng kỹ thuật phân tích Fourier cơ bản sẽ cho kết quả phân tích như trên hình 7. Nhận xét rằng kết quả trong hình 7 là rất khó quan sát nên cần thiết phải có 1 công cụ khác để thay thế và phương pháp Welch đã được sử dụng (hình 8).Nhận xét rằng hệ thống có thể phát hiện ra tần số rất chính xác với sai số khá nhở mà nguyên nhân cũng có thể là do độ chính xác của bộ tạo dao động.
 |  |
| Hình 7. Phân tích phổ tín hiệu gia tốc dung FFT | Hình 8. Phân tích phổ tín hiệu gia tốc dung phương pháp Welch |
4. Kết luận
Bài báo đã thành công trong việc thiết kế, chế tạo và đưa vào áp dụng cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở trên cơ sở công nghệ MEMS. Có thể thấy rằng đây là một quy trình hoàn thiện mà các tác giả đã thực hiện được. Các kết quả áp dụng bước đầu đã cho thấy tính khả thi của cấu trúc cảm biến mới này khi đưa vào thực tiễn.
Bài báo đã thành công trong việc thiết kế, chế tạo và đưa vào áp dụng cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở trên cơ sở công nghệ MEMS. Có thể thấy rằng đây là một quy trình hoàn thiện mà các tác giả đã thực hiện được. Các kết quả áp dụng bước đầu đã cho thấy tính khả thi của cấu trúc cảm biến mới này khi đưa vào thực tiễn.
Link gốc: http://automation.net.vn/The-gioi-cam-bien/Thiet-ke-che-tao-va-ap-dung-vi-cam-bien-gia-toc-kieu-ap-dien-tro.html
Khánh Linh (TCTĐH Tháng 11-2008)
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét