Cảm biến gia tốc kiểu tụ

Tổng quan về đề tài: Trong chương này chúng tôi giới thiệu một cách tổng quan nhất về khái niệm và các thông số cơ bản của cảm biến nói chung và cảm biến gia tốc nói riêng, nhiễu trong c

cơ điện tử và linh kiện điện đã được phát triển mạnh ở nhiều nước và cũng được đầu tư phát triển được gọi là công nghệ chế tạo vi cơ điện tử – MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) Sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã giúp cho công nghệ MEMS có những bước phát triển mạnh mẽ, mở ra nhiều

kĩ thuật sản xuất mới; công nghệ vi cơ dạng khối (bulk- micromachining), và công nghệ vi cơ bề mặt (surface- micromachining) với vật liệu chủ yếu là đơn tinh thể silic Các thành tựu đạt được cho thấy, công nghệ MEMS không chỉ

bó hẹp trong các loại cảm biến cơ, mà có thể phát triển ứng dụng trong rất nhiều rất nhiều lĩnh vực cảm biến khác Đồng thời nó đã và đang tạo ra những thay đổi mang tính cách mạng trong chế tạo linh kiện kích thước có micro, được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, điện tử dân dụng, quân sự, giao thông v.v…Có thể nói rằng công nghệ MEMS là công nghệ của thiên niên kỉ mới, công nghệ của tương lai

Trước sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ MEMS ,với lòng ham mê, học hỏi và muốn đi sâu tìm hiểu, được sự hướng dẫn của thầy Vũ Mạnh Quang, cũng như sự ủng hộ của các thầy cô trong khoa, tác giả khoá luận đã

lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Cảm biến gia tốc kiểu tụ” để có thể giúp bản

thân và những ai đam mê về công nghệ MEMS nói chung và cảm biến rói riêng có thể hiểu rõ hơn về cảm biến gia tốc

2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu về cảm biến gia tốc kiểu tụ

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 2

3 Đối tượng nghiên cứu

Cảm biến gia tốc, cảm biến gia tốc kiểu tụ

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Giới thiệu về cảm biến

Cảm biến gia tốc kiểu tụ

Một số công nghệ chế tạo cảm biến

Một số ứng dụng của cảm biến gia tốc và cảm biến gia tốc kiểu tụ trong thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết

6 Cấu trúc

Chúng tôi cấu trúc luận văn làm 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về đề tài: Trong chương này chúng tôi giới thiệu một cách tổng quan nhất về khái niệm và các thông số cơ bản của cảm biến nói chung và cảm biến gia tốc nói riêng, nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch

Chương 2 Cảm biến gia tốc kiểu tụ: Trong chương này chúng tôi giới thiệu về cấu tạo của cảm biến gia tốc kiểu tụ điện, cảm biến tụ điện đơn, cảm biến tụ kép vi sai và nguyên tắc hoạt động của cảm biến gia tốc MEMS kiểu

tụ

Chương 3 Công nghệ chế tạo cảm biến và ứng dụng cảm biến: Trong chương này chúng tôi giới thiệu các công nghệ chế tạo cảm biến và ứng dụng của cảm biến trong thực tế

Chương 4 Lựa chọn một cảm biến gia tốc: Trong chương này chúng tôi đã khảo sát một số phương pháp để lựa chọn một cảm biến gia tốc

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 3

Chương 1 tổng quan về đề tài 1.1 Giới thiệu chung về cảm biến

1.1.1 Khái niệm chung

Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường, kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho tác động của các phần tử khác Cảm biến là thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo mà không có tính chất điện, kí hiệu là s, có s = F(m) Cảm biến thường dùng ở khâu đo lường và kiểm tra

Các loại cảm biến thường được sử dụng rộng rãi trong tự động hoá các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau Chúng có chức năng biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường kiểm tra là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượng đầu ra, đại lượng đầu ra là đại lượng điện ví dụ điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện tần số điện áp rơi, góc pha

Căn cứ theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân ra các loại cảm biến như: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, mômen quay, nhiệt độ, áp suất

1.1.2 Các thông số cơ bản của cảm biến

* Độ nhạy s

x

y s







Trong đó: x gia số đại lượng đầu vào

y gia số đại lượng đầu ra

Trong thực tế còn sử dụng độ nhạy tương đối

x

y

s0  (y là đại lượng ra,

x là đại lượng vào)

Phân loại: Phân làm 2 loại sai số

+ Sai số tuyệt đối: x = x’ – x

x’: là giá trị đo được

Các nguyên nhân ảnh hưởng tới sai số:

- Có thể đưa ra nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan ảnh hưởng tới sai số Trong thực tế người ta thường đưa ra các tiêu chuẩn và các điều kiện kỹ thuật để hạn chế mức độ ảnh hưởng này trong phạm vi cho phép

- Sai số là giá trị định mức do yếu tố của bên ngoài gọi là sai số cơ bản Nếu yếu tố của bên ngoài vượt qua giới hạn định mức thì xuất hiện sai số phụ,

để giảm sai số phụ phải giảm độ nhạy của cảm biến với yếu tố ngoài hoặc hạn chế ảnh hưởng của chúng bằng màn chắn hay môi trường khác

* Các yêu cầu của cảm biến

Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ cảm biến cần có tính chất sau:

Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết

Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lường kiểm tra

ảnh hưởng ít đến đại lượng đầu vào

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 5

Có quán tính nhỏ

Hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến chúng làm việc theo nhiều nguyên

lý khác nhau do vậy kết cấu của các cảm biến đa dạng và phong phú [1]

* Phân loại cảm biến

Gồm 2 loại chính: Cảm biến tham số (thụ động) và cảm biến phát (chủ động hay tích cực)

Nhóm phát (làm việc như một máy phát) bao gồm các loại cảm biến sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ, hiệu ứng điện áp, hiệu ứng Hall và sự xuất hiện sức điện động của cặp nhiệt ngẫu, tế bào quang điện

Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Trong 1 dây dẫn chuyển động trong 1 từ trường không đổi sẽ xuất hiện 1 sức điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong 1 đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng

Hình 1: Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hiệu ứng quang phát ra điện từ: là hiện tượng các điện từ được giải phóng thoát ra khỏi vật liệu tạo thành dòng được thu lại dưới tác dụng của điện trường

Hình 2: Hiệu ứng quang điện

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 6

Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: là hiện tượng khi 1 chuyển tiếp PN được chiếu sáng sẽ phát sinh ra cặp điện tử – lỗ trống chúng chuyển động dưới tác động của điện trường chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp

Hiệu ứng Hall: Trong vật liệu (thường là bán dẫn) dạng tấm mỏng có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành 1 góc với dòng điện I sẽ xuất hiện 1 hiệu điện thế U theo phương vuông góc với B và I hiệu dụng

Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động Vật sẽ được ghép nối cơ học với một thanh nam châm ở mọi thời điểm

vị trí của thanh nam châm xác định vị trí của từ trường và góc lệch tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm trung gian Hiệu điện thế đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn trong trường hợp này (gián tiếp) là làm phụ thuộc vị trí của vật trong không gian

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 7

Cảm biến loại này là tích cực vì trong trường hợp này nguồn của dòng diện I (chứ không phải là lượng cần đo) cung cấp năng lượng liên quan đến tín hiệu cần đo

Hiệu ứng điện áp: Khi tác dụng cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện (như thạch anh) sẽ gây lên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu nhau trên mặt đối diện của vật (là hiệu ứng điện áp) Hiệu ứng này được ứng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc) thông qua việc đo điện

áp qua 2 bản cực tụ điện

Ngoài ra còn có cảm biến nhiệt điện, cảm biến hóa điện

Cảm biến tham số (thụ động) thường được chế tạo từ những trở kháng

có một trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Một mặt giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu nhưng mặt khác nó còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như: điện trở suất từ thẩm hằng

số điện môi

Vì vậy giá trị của trở kháng thay đổi dưới tác dụng của đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến tính chất hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng [2]

1.2 Cảm biến gia tốc

1.2.1 Khái niệm cơ bản

a) Dải gia tốc và phương pháp đo gia tốc:

Theo nguyên lý cơ bản của cơ học, gia tốc là đại lượng vật lý thể hiện mối quan hệ giữa lực và khối lượng Phép đo gia tốc có thể thực hiện qua việc

đo lực (cảm biến áp điện, cảm biến cân bằng ngẫu lực) hoặc đo gián tiếp thông qua sự biến dạng hay di chuyển của vật trung gian

đo dịch chuyển và cảm biến gia tốc biến dạng

Đo gia tốc rung của các cấu trúc cứng hoặc cấu trúc có khối lượng lớn, tần số rung đạt tới hàng trăm Hz Cảm biến gia tốc thường dùng là cảm biến

từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kém hoặc áp điện trở

Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần tương đối cao (- 10 kHz), thường gặp khi vật có khối lượng nhỏ Cảm biến gia tốc sử dụng là loại áp trở hoặc áp điện

Đo gia tốc khi va đập, thay đổi gia tốc có dạng xung Cảm biến gia tốc được sử dụng là các loại có dải thông rộng về cả hai pha tần số thấp và tần số cao

Cảm biến đo gia tốc là cảm biến chuyển động không cần có điểm mốc, chúng khác với các cảm biến, dịch chuyển bở vì khi đó dịch chuyển của một vật người ta thường phải đo chuyển động tương đối của vật đó so với một vật khác cố định lấy làm mốc

Chuyển động rung và phương pháp đo

Độ rung trong công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt vì những lí do sau:

- Nhằm khống chế biên độ rung để tránh gây tiếng ồn có hại cho sức khỏe

- Hạn chế mức rung ở giới hạn cho phép để đảm bảo độ an toàn cho công trình

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 9

- Rung động liên quan đến trạng thái mài mòn và bền mỏi của các chi tiết cơ khí trong máy móc Đo độ rung giúp cho người quản lý nắm được tình trạng mòn của các chi tiết từ đó có kế hoạch sửa chữa, bảo dưỡng kịp thời

Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển, tốc độ hoặc gia tốc ở các điểm trên vật rung Bởi vậy khi đo rung động, người ta thường đo một trong những đặc trưng trên [3]

1.2.2 Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch

Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số mà ta phải tìm các biện pháp khắc phục Giống như bệnh tật nhiễu không thể loại trừ hoàn toàn mà chỉ có thể phòng ngừa, làm giảm ảnh hưởng của chúng và việc khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp Ta có thể phân nhiễu làm hai loại: nhiễu nội tại và nhiễu tác động trên mạch truyền dẫn tín hiệu

1.2.2.1 Nhiễu nội tại

Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến…, do đó đáp ứng có thể

bị méo so với dạng lý tưởng Sự méo của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên Dạng tín hiệu ra liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của bộ cảm biến

Từ bộ cảm biến tín hiệu được khuyếch đại và chuyển đổi thành dạng số không biểu thị bằng độ lớn và đặc tính phổ mà theo độ phân giải số Khi tăng

độ phân giải số trị số của bit trọng số thấp sẽ giảm Ví dụ với hệ thống 10 bit

có toàn thang 5V, bit trọng số thấp là 5mV thì với hệ thống 16 bit, bit trọng số thấp là 77V, do đó nhiễu cỡ 300V gây sai số lớn đến hệ thống 16 bit

Điện áp lệch đầu vào và dòng điện phân cực có thể bị trôi Tín hiệu nhiễu (điện áp và dòng điện) do cơ chế vật lý xảy ra trong các điện trở và tranzito sử dụng để chế tạo mạch Một nguyên nhân gây nhiễu là do tính chất rời rạc của dòng điện, bởi vì dòng điện là dòng của các điện tích chuyển động,

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 10

mỗi điện tích mang một giá trị xác định ở mức nguyên tử dòng điện rất linh động, chuyển động của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Gía trị quân phương của điện áp nhiễu có thể được tính theo công thức

Cảm biến hoả điện sử dụng điện áp phân cực có điện trở 50 G, nếu cảm biến này sử dụng ở nhiệt độ phòng với dải thông 100 Hz, điện áp nhiễu

có thể tới 0,3 mV là trị số khá lớn Nếu giảm dải thông 100 lần, điện áp nhiều

sẽ giảm 10 lần Độ lớn của nhiễu là không đổi trong dải tần khá rộng vì thế ta gọi là tạp trắng, tương tự ánh sáng trắng gồm các tần số trong phổ ánh sáng nhìn thấy

Nguồn nhiễu dòng xoay chiều biểu diễn tạp xoay chiều tạo nên do dòng điện một chiều chạy trong chất bán dẫn Khi dòng điện phân cực tăng nhiễu này sẽ tăng vì thế bán dẫn FET và CMOS có dòng điện nhiễu rất nhỏ Nguồn nhiễu điện áp và dòng điện có mật độ phổ thấp hơn và tỷ lệ với 1/f, do đó gọi

là tạp hồng giống như phía màu đỏ của phổ ánh sáng nhìn thấy có bước sóng thấp hơn

Nhiễu 1/f phát sinh trong mọi vật dẫn, ở các tần số thấp không thể phân tách nhiễu 1/f với ảnh hưởng của sự trôi điện áp một chiều Đôi khi còn gọi nhiễu 1/f là nhiễu thăng giáng, xảy ra ở tần số dưới 100 Hz là vùng hoạt động của các bộ cảm biến Do sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn người ta đã giảm nhiễu 1/f đáng kể nhưng khi chế tạo mạch phải sử dụng

Để chống nhiễu ta thường sử dụng kỹ thuật vi sai phối hợp bộ cảm biến từng đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ Một cảm biến gọi là cảm biến chính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 12

Hình 4: Kỹ thuật vi sai

Để giảm nhiễu đường truyền ta có thể sử dụng các biện pháp được trình bày trong hình vẽ

Các nguồn nhiễu đường truyền và biện pháp khắc phục:

1mV 1mV 10pA

100pA

Cách li nguồn nuôi, màn, nối đất

Lọc nguồn

Bố trí các linh kiện hợp

lý

Màn chắn Lọc, nối đất, màn chắn Chú ý ghép nối cơ khí, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến

Sử dụng cáp ít nhiễu (điện môi tẩm cacbon)

hệ của nhiễu với mạch Màn chắn có hai mục đích, đầu tiên là giới hạn nhiễu trong miền nhỏ tránh lây lan sang mạch lân cận Tuy nhiên vấn đề này còn phải phân tích kĩ lưỡng vì màn chắn có thể tạo nên đường trở về của nhiễu, do vậy cần hiểu và xử lí tốt hệ thống nối đất Mục đích thứ hai của màn chắn là nếu có tồn tại nhiễu trong mạch thì màn chắn bố trí xung quanh các bộ phận nhạy cảm của bộ cảm biến sẽ làm nhiễu ảnh hưởng tới các phần này Màn có thể là hộp kim loại hoặc bọc kim cho các tín hiệu Hình (5a) trình bày cách nối màn bọc cáp với dây đẳng thế chuẩn, hình (5b) cho thấy cần phải nối các màn bọc cáp với nhau và nối với dây đẳng thế chuẩn Hình (5c) cho thấy mạch nối màn bọc bộ cảm biến với dây đẳng thế chuẩn Chú ý không được nối màn bọc cáp ở phía tải như hình (5d) vì trong trường hợp này nhiễu sẽ theo màn bọc cáp lan truyền từ tải đến bộ cảm biến

từ trường Từ trường thâm nhập vào màn biên độ của nó giảm theo hàm số

mũ

Một số giải pháp chống ảnh hưởng của từ trường như sau:

- Bố trí mạch thu xa nguồn gây ra từ trường

- Tránh các dây song song với từ trường, nên thay bằng dây vuông góc với từ trường

- Sử dụng màn chắn cáp như mạch trở về, nếu dòng i2 bằng ngược dấu dòng điện trong lõi cáp thì từ trường của cáp bằng không (hình 6) [2]

Hình 6: Sử dụng màn chắn cáp như mạch trở về

Chương 2 cảm biến gia tốc kiểu tụ 2.1 Cấu tạo của cảm biến gia tốc kiểu tụ

2.1.1 Cấu tạo chung

Cấu tạo của cảm biến bao gồm điện cực trên khối gia trọng và bản cực trên để cố định Hai bản điện cực, được thiết kế cách nhau một khe hẹp tạo thành một tụ điện Tụ điện này có một bản di động và một bản cố định khi

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 16

chịu tác dụng của gia tốc bên ngoài, khối trọng dịch chuyển làm thay đổi khoảng cách giữa hai bản tụ do đó làm thay đổi điện dung của tụ điện Chuyển vị của khối trọng tỷ lệ với gia tốc, nên ta có mối quan hệ giữa điện dung và gia tốc [6]

Hình 7: Cảm biến gia tốc ADXL202

2.1.2 Cảm biến tụ điện đơn

Cảm biến tụ điện đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật cần đo Khi bản cực di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện

Đối với cảm biến hình 8: Dưới tác động của đại lượng đo Xv, bản cực động di chuyển, khoảng cách giữa các bản cực thay đổi kéo theo điện dung của tụ điện biến thiên

0s

C 





Vũ Thị Minh K32D - SPKT 17

Trong đó: : hằng số điện môi của môi trường

0: hằng số điện môi của chân không s: điện tích nằm giữa hai điện cực

: khoảng cách giữa hai bản cực

Hình 8: Cảm biến tụ điện đơn

Đối với cảm biến hình b: Dưới tác động của đại lượng đo Xv, bản cực động di chuyển quay, điện tích giữa các bản cực thay đổi, kéo theo sự thay đổi của điện dung tụ điện

2

360

r C

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 18

Hình 9: Cảm biến tụ kép vi sai

Tụ kép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng (hình a) hoặc có điện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay (hình b) gồm ba bản cực Bản cực động A1 dịch chuyển giữa hai bản cực cố định A2 và

A3 tạo thành cùng với bản cực này hai tụ điện có điện dung C21 và C31 biến thiên ngược chiều nhau

Độ nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương

hỗ giữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ngược chiều nhau [3]

2.2 Nguyên tắc hoạt động của cảm biến gia tốc MEMS kiểu tụ

Hình (10) đưa ra nguyên tắc đo gia tốc xét tương tự như hệ dao động lò

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 19

Hình 10: Hệ thống khối lượng lò xo để đo gia tốc

Khi hệ quy chiếu được gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối m thông qua lo xo Lò xo giãn ra, và độ dịch chuyển này được xác định bởi một cảm biến độ dịch chuyển

Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỷ lệ với độ biến dạng của

lò xo F=kx, với k là hệ số tỷ lệ hay độ cứng của lò xo x là khoảng dịch chuyển

so với vị trí cân bằng Theo định luật II Newton trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực F này cung cấp cho khối lượng m một gia tốc  Theo công thức F = ma tại vị trí cân bằng ta có F = ma = kx

Hệ thống có thể được mô tả bởi phương trình vi phân sau:

2

* 2

có hai bản cực song song khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được

Vũ Thị Minh K32D - SPKT 20

Hình 11: Mô tả một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải)

Điện dung của tụ điện đơn là

0

k C x

 , với k là hằng số phụ thuộc vào thuộc tính của môi trường nằm giữa hai bản tụ Nếu biết k, điện dung của tụ C

ta có thể tính được x0 Cũng trong hình vẽ, nếu bản tụ nằm giữa CA và CB dịch chuyển môt khoảng là x thì

0

A

k C

x x



k C

C

 [6]

Chương 3 công nghệ chế tạo cảm biến

và ứng dụng của cảm biến 3.1 Các kỹ thuật cơ bản trong công nghệ MEMS