Nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ đo cảm biến gia tốc MEMS ứng dụng đo độ rung

NGUYỄN NGỌC MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN NGỌC MINH KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢM BIẾN GIA TỐC MEMS ỨNG DỤNG ĐO ĐỘ RUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ KHOÁ 2009 Hà Nội – 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NGỌC MINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢM BIẾN GIA TỐC MEMS ỨNG DỤNG ĐO ĐỘ RUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS VŨ NGỌC HÙNG Hà Nội – 2009     MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tóm tắt Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MEMS VÀ CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN TRỞ 1.1 Giới thiệu công nghệ MEMS 1.1.1 Vật liệu dùng công nghệ MEMS 1.1.2 Rung động đời sống người 13 1.2 Cảm biến gia tốc 14 1.2.1 Giới thiệu chung cảm biến gia tốc 14 1.2.2 Phân loại cảm biến gia tốc 15 1.2.3 Theo công nghệ chế tạo 15 1.2.4 Theo nguyên lý hoạt động: 15 1.2.5 Cảm biến gia tốc áp điện trở 18 1.2.5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 18 1.2.5.2 Một số đặc trưng cảm biến gia tốc kích thước 1x1mm 21 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 23 2.1 Sơ đồ khối hệ đo tín hiệu rung 23 2.2 Khối cảm biến 24 2.2.1 Thông số kỹ thuật cảm biến áp điện trở 24 2.2.3 Đặc tính kĩ thuật cảm biến áp điện trở 26 2.3 Khối nguồn 28 2.3.1 Ắc quy 29 2.3.2 ICL 7660S 30 2.4 Khối khuếch đại 31          2.4.1 Giới thiệu khuếch đại đo lường 31 2.4.2 Khối khuếch đại dùng INA118P 33 2.5 Khối chuẩn hóa lọc 34 2.6 Khối vi điều khiển 37 2.7 Khối hiển thị 46 2.7.1 Giới thiệu Graphic LCD (Liquid Crystal Display) 46 2.7.2 Khối hiển thị 50 2.7.3 Lưu đồ thuật toán 51 2.8 Giao tiếp máy tính qua card 51 2.8.1 Mục tiêu 51 2.8.2 Giới thiệu card USB9001 52 Chương III : THIẾT KẾ GIAO DIỆN THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN DÙNG LABVIEW 56 3.1 Giới thiệu phần mềm LabVIEW 56 3.1.1 Môi trường phát triển LabVIEW 56 3.1.2 Thu nhận, phân tích hiển thị lập sẵn 57 3.1.3 Các công cụ bổ sung cho nhà phát triển LabVIEW 59 3.1.4 Ứng dụng phong phú 60 3.1.5 Triển khai LabVIEW cho nhiều ứng dụng di động, công nghiệp nhúng đa dạng với module mở rộng LabVIEW 61 3.1.6 Phạm vi ứng dụng 62 3.1.7 LabVIEW trường học 64 3.2 Cách thức làm việc hàm phần mềm LabVIEW 65 3.2.1 Cách thức làm việc Labview 65 3.2.2 Các hàm Labview 66 3.3 Đặc tính kết nối mở LabVIEW 70 3.3.1 Thư viện chức I/O quen thuộc 70 3.3.2 Cổng liên lạc liệu linh hoạt 71 3.4 Chương trình thu thập liệu điều khiển labview 71          CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM HỆ ĐO SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC ÁP ĐIỆN TRỞ 73 4.1 Kết thu với Labview 73 4.1.1 Khi tín hiệu rung học 73 4.1.2 Khi tín hiệu vào chuẩn 75 4.2 Kết thu hình GLCD 76 4.2.1 Kết mô với Protues 76 4.1.2 Kết khảo sát hệ rung 77 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 Các sơ đồ mạch in 82 Code chương trình vi điều khiển 84          DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ khối hệ MEMS Hình Kích thước cấu trúc MEMS Hình 3: Minh họa cấu trúc khả xử lý tín hiệu MEMS Hình 4: Minh họa hốc ăn mòn công nghệ vi khối ướt 10 Hình 5: Một số cấu trúc chế tạo công nghệ vi khối khô 10 Hình 6: Quy trình chế tạo cantilever kích thước micro dựa công nghệ vi bề mặt 12 Hình 7: Quy trình chế tạo vi bánh theo công nghệ Liga 12 Hình 8: Một số cấu trúc cảm biến gia tốc đơn giản 15 Hình 9: Sơ đồ tương đương cảm biến gia tốc 16 Hình 10: Cấu trúc học cảm biến áp điện trở bậc tự 18 Hình 11: Vị trí cấy áp điện trở dầm 20 Hình 12: Sơ đồ nối điện áp điện trở 20 Hình 13: Sự phụ thuộc điện áp tín hiệu vào gia tốc 21 Hình 14: Sự phụ thuộc độ nhạy vào tần số rung động 22 Hình 15: Sơ đồ khối hệ đo độ rung 23 Hình 16: Sơ đồ chân cảm biến bọc lớp bảo vệ 24 Hình 17: Mạch nguyên lý tạo cầu cân cho cảm biến 24 Hình 18: Sơ đồ điện trở cảm biến 25 Hình 19: Đặc tính cảm biến 27 Hình 20: Sự phụ thuộc điện áp vào gia tốc 2g 28 Hình 21: Cảm biến bị tác động nhiễu (0,26V) 28 Hình 22: Sơ đồ chân ICL7660S 30 Hình 23: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 31 Hình 25: Mạch khuếch đại lường 32 Hình 26: Mạch nguyên lý INA 118P 33 Hình 27: Sơ đồ khối INA118P 34 Hình 28: Cấu trúc ICLM358 35 Hình 29: Mạch lọc thông thấp 36          Hình 30: Mạch chuẩn hóa tín hiệu vào 36 Hình 31: Sơ đồ chân PIC 18F4550 39 Hình 32: Sơ đồ khối PIC 18F4550 44 Hình 33: Sơ đồ khối dao động PIC18F4550 45 Hình 34: Màn hình Graphic LCD 128x64 47 Hình 35: Tổ chức nhớ RAM: 47 Hình 36: Cách kết nối GLCD với nguồn mạch điều khiển 49 Hình 37: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị 50 Hình 38: Lưu đồ thuật toán 51 Hình 39: Car USB 9001 52 Hình 40: Một giao diện thu thập liệu điều khiển dùng laview 56 Hình 41: Các hàm laview 67 Hình 42: Hàm Boolean - Boolean Function 67 Hình 43: Hàm cấu trúc - Structures Function 68 Hình 44: Hàm File I/O- File I/O function 68 Hình 45: Hàm Time Dialog — Time & Dialog function 69 Hình 46: Hàm chuỗi- String Function 69 Hình 47: Hàm phân tích- Analysis Function 70 Hình 48: Chương trình tạo mảng liệu 71 Hình 49: Chương trình thu thập liệu 72 Hình 50 : Chương trình tính tần số 72 Hình 51: Chương trình tính gia tốc 72 Hình 52: Lấy mẫu tín hiệu vào 73 Hình 53: Tín hiệu đo 73 Hình 54: Phổ biên độ tần số 74 Hình 55: Phổ lượng tần số 74 Hình 56: Lấy mẫu 20 Hz 75 Hình 57: Phổ biên độ 20 Hz 75 Hình 58: Lấy mẫu 40 Hz 75          Hình 59: Phổ biên độ 40 Hz 76 Hình 60: Tín hiệu vào 76 Hình 61: Hiển thị GLCD 77 Hình 62: Khi chưa có tín hiệu rung 77 Hình 63: Khi có tín hiệu rung với tần số 10 Hz vớ biên độ 0.635 ( V ) 78 Hình 64: Khi có tín hiệu rung với tần số 10 Hz vớ biên độ 0.95 ( V ) 78 Hình 65: Khi tín hiệu vào 20 Hz 1,65 (V) 79 Hình 66: Khi tín hiệu vào 40 Hz 1,92 (V) 79 Hình 67: Mạch cảm biến khuếch đại 82 Hình 68: Mạch chuẩn hóa 82 Hình 69: Mạch Pic hiển thị GLCD 83 DNH MỤC BẨNG BIỂU Bảng 1: Bảng so sánh đặc điểm loại cảm biến theo nguyên lý đo 16 Bảng 2: Các thông số hình học cảm biến áp điện trở bậc tự 19 Bảng 3: Sơ đồ chân cảm biến 25 Bảng : Sự phụ thuộc gia tốc vào điện áp 26 Bảng 5: Các chức chân PIC18F4550 39 Bảng 6: Chức chân hình GLCD 128x64: 48 Bảng 7: Thông số kỹ thuật c a r d USB 9001 53                  LỜI NÓI ĐẦU MEMS (Micro Electro Mechanical System) tích hợp thành phần vi cảm biến, chấp hành yếu tố vi điện tử linh kiện điện tử công nghệ vi chế tạo Trong thành phần vi điện tử chế tạo dung công nghệ mạch tích hợp (IC) như: CMOS, BiMOS, thành phần vi chế tạo dùng tình vi chế taojbawng fcachs ăn mòn có chọn lựa phần đế them vào lớp có cấu trúc để tạo nên thành phần điện MEMS công nghệ có khả cho phép phát triển sản phẩm thông minh, tăng khả tính toán yếu tố vi điện tử với vi cảm biến vi chấp hành có khả nhận biết điều khiển Ngoài ra, MEMS mở rộng khả thiết kế, ứng dụng sản phẩm Tuy nhiên cảm biến MEMS có nhiều ưu điểm tiềm lớn việc xây dựng sản phẩm ứng dụng cụ thể đòi hỏi nhiều nỗ lực kiến thức đa ngành cho phép thu thập thong tin từ cảm biến phân tích xử lý Với mục tiêu tiến tới ứng dụng cảm biến MEMS thực tế đảm bảo an toàn cho thiết bị người, luận văn trình bày việc nghiên cứu sở cảm biến gia tốc MEMS áp điện trở nghiên cứu ứng dụng cảm biến MEMS xác định độ rung Tín hiệu thu được sử lý hiển thị dạng tín hiệu hình GLCD máy tính qua card thu thập USB9001 phần mềm LabvieW Nội dung luận văn gồm: - Chương 1: Tổng quan công nghệ MEMS cảm biến áp điện trở - Chương 2: Thiết kế thi công mạch  - Chương 3: Thiết kế giao diện thu thập liệu điều khiển dùng Labview  - Chương 4: Kết thử nghiệm hệ đo sử dụng cảm biến gia tốc áp điện trở                  LỜI CẢM ƠN Để có thề hoàn thành luận văn này, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Vũ Ngọc Hùng người Thầy hướng dẫn, dìu dắt, động viên có ý kiến đạo hướng dẫn khoa học quý báu, kịp thời đắn cho suốt trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc tập thể cán viện ITIMS tạo điều kiện sở vật chất, thiết bị thí nghiệm để hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn nhứng ý kiến đóng góp, lời động viên chân thành thành viên nhóm MEMS tập thể lớp ITIMS khóa 2009 Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Minh          TÀI LIỆU THAM KHẢO   TS Vũ Ngọc Hùng (2003), Báo cáo tổng kết đề tài cấp “Nghiên cứu công nghệ chế tạo cảm biến gia tốc”, Đại học bách khoa Hà Nôi Ngô Đức Quân (2004), Luận văn thạc sỹ khoa học “Nhiên cứu ứng dụng cảm biến gia tốc MEMS toán phân tích rung động”, viện ITIMS, Hà Nội Phần mềm LabVIEW 2009 National Instruments PGS.TS Phạm Thượng Hàn (1996), Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý, tập1, tập 2, Nhà xuất giáo dục    81       PHỤ LỤC Các sơ đồ mạch in   Hình 67: Mạch cảm biến khuếch đại   Hình 68: Mạch chuẩn hóa    82       Hình 69: Mạch Pic hiển thị GLCD    83       Code chương trình vi điều khiển #include "18F4550.h" #device ADC = 10 #fuses HSPLL,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,NODEBUG,CPUDIV4,NOVREGEN #use delay(clock=16000000) #include #include #include #define abs(x) (((x) 512) { i ++; } endnumber=i; } else {    89       i = 0; WHILE (adcReadings[i] > 512) { i ++; } StartNumber = i; WHILE (adcReadings[i] < 512) { i ++; } EndNumber = i; } RETURN EndNumber - StartNumber; } void main() { set_tris_c (0x11); SET_TRIS_A (0x07); output_low (PIN_A4);    90       setup_adc_ports (AN0_TO_AN2_ANALOG); // khoi tao adc setup_adc (ADC_CLOCK_DIV_64); set_adc_channel (1); delay_us (10); init_timer1 (); glcd_init (ON); // Must initialize the LCD glcd_text35 (0, 2, A, ON); glcd_text35 (0, 10, B, ON); glcd_text35 (0, 18, C, ON); glcd_text35 (0, 26, X , ON); glcd_text35 (0, 34, D , ON); glcd_text35 (0, 42, Y , ON); glcd_text35 (0, 50, E , ON); glcd_text35 (0, 58, F , ON); ///////////////////////////////////////////////////////////////// while (true) { for (i = 0; i < numOfSamples; i ++) { adcReadings[i] = read_adc ();    91       delay_us (T); } ////////Hien thi gia tri len GLCD////////////////////////////////////// for (i = 0; i < numOfSamples; i ++) { adcReadings2[i] = (63 - (adcReadings[i] >> 4)); } //glcd_line (cot, hang, cot, hang ) for (i = 0; i < numOfSamples - 1; i ++) { glcd_line (i + (128 - numOfSamples), adcReadingsOld[i] + Yposold, i + + (128 - numOfSamples), adcReadingsOld[i + 1] + Yposold, OFF); } for (i = 0; i < numOfSamples - 1; i ++) { glcd_line (i + (128 - numOfSamples), adcReadings2[i] + Ypos, i + + (128 numOfSamples), adcReadings2[i + 1] + Ypos, ON); } for (i = 0; i < numOfSamples; i ++) { adcReadingsOld[i] = adcReadings2[i];    92       } Yposold = Ypos; // Hien thi vach chia cot /// glcd_line (30, 0, 30, 63, ON); k =2; for(i = 1; i < 14; i++) { glcd_pixel (29, k, ON) ; glcd_pixel (31, k, ON) ; k = k + 5; } // Hien thi vach chia hang /// glcd_line (30, 62, 128, 62, ON); j = 30; for (i = 1; i < 21; i++) { glcd_pixel (j, 0, ON) ; glcd_pixel (j, 16, ON); glcd_pixel (j, 48, ON) ; glcd_pixel (j, 32, ON) ;    93       glcd_pixel (j, 61, ON) ; glcd_pixel (j, 63, ON) ; j = j + 5; } /// hien thi Max Votage // MaxV=adcReadings[0]; for (i=0; i