Tiến hành kết nối MC100 cĩ đầu nối cổng COM 25 chân. Tên tín hiệu và chức năng các chân dùng kết nối, đƣợc trình bày trong (hình 3.4). Trong ứng dụng này chân 6, chân 8 tới chân 25 khơng sử dụng.
Đối với Keithley cĩ 9 chân, do đĩ nĩ cĩ thể kết nối trực tiếp tới máy tính, thơng qua RS-232 hay cổng USB.
Bus giao tiếp kết nối tới 2 thiết bị DTE, Keithley 2000 và MC100, và máy tính cho việc truyền dẫn đồng bộ ký tự, đƣợc trình bày (hình 3.10). Sơ đồ kết nối chi tiết thể hiện ở hình 3.5 và 3.7, giữa máy tính và Keithley 2000, và giữa máy tính và MC100. Ở đây, chúng ta thực hiện việc truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy tính DTE1 và Keithley DTE2 nhƣ ví dụ minh họa. Sự truyền dẫn giữa DTE1 và DTE3 thì tƣơng tự. Trong hệ thống modem rỗng (null modem) trình bày ở hình 3.10, hệ thống bus cĩ 5 đƣờng, 2 dùng cho đƣờng dữ liệu (phát và
thu), 2 dùng cho đƣờng điều khiển (RTS và CTS) và một dùng cho đƣờng đất (SG).
100 kPa MC 100
DTE2 DTE1 DTE3
KEITHLEY 2000 2 RxD 3 TxD 7 RTS 8 CTS 5 SG RxD 2 TxD 3 RTS 7 CTS 8 SG 5 RxD 2 TxD 3 RTS 7 CTS 8 SG 5 2 TxD 3 RxD 4 RTS 5 CTS 7 SG 13.6 mV
Hình 3.10. Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy tính và thiết bị MC100 và Keithley.
Dữ liệu ngõ ra TxD của thiết bị DTE2 đƣợc nối tới ngõ vào dữ liệu RxD của máy tính DTE1, và tƣơng ứng với ngõ ra dữ liệu của máy tính đƣợc nối tới ngõ vào dữ liệu của thiết bị đo Keithley 2000. Những tín hiệu cần cho thiết bị DTE để truyền dẫn tới thiết bị DTE đối diện nĩ. Một thiết bị sẵn sàng nhận dữ liệu (chẳng hạn DTE1) thơng tin tới đầu cuối đối diện (trong trƣờng hợp này DTE2) về trạng thái logic 1 ở ngõ ra RTS (trạng thái logic 1 trên đƣờng điều khiển đƣợc biểu hiện bởi “mở” hay “đúng”). Thiếu sự sẵn sang (chẳng hạn do đầu cuối tắt máy) tín hiệu ở trạng thái logic 0.
3.4. THIẾT LẬP HỆ ĐO SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH LABVIEW
Các nhà sản xuất dụng cụ đo lƣờng số đƣợc trang bị với giao tiếp RS- 232C thƣờng cung cấp các chƣơng trình máy tính riêng, đƣợc thiết kế điều khiển truyền dẫn số liệu từ thiết bị đo tới máy tính, và tới thiết bị xử lí dữ liệu, và hiển thị. Sử dụng chƣơng trình thực hiện hệ thống đo trở nên dễ dàng hơn nhiều, nhƣng mặc nhiên cĩ sự giới hạn về kết quả từ thực tế, chƣơng trình khơng đáp ứng hết tất cả cơng việc đo lƣờng một cách cụ thể. Việc thực hiện cơng phu chƣơng trình máy tính ban đầu để kiểm sốt việc truyền dẫn dữ liệu đo lƣờng và xử lí dữ liệu để tránh những giới hạn về kết quả, và chƣơng trình dễ dàng sử dụng hơn, cho nên sử dụng ngơn ngữ lập trình nhƣ Visual Basic, Testpoit, hay Labview, các thủ tục chuẩn bị cho cả hai dịch vụ truyền dẫn nối tiếp trong hệ thống RS-232C và xử lí dữ liệu.
Labview, hay Workbench là ngơn ngữ lập trình đồ họa, mà nĩ đƣợc sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, giới học viện, và trong phịng thực nghiệm nghiên cứu, nhƣ là một tiêu chuẩn cho việc thu đƣợc dữ liệu trong đo lƣờng và phần mềm điều khiển thiết bị.
Begin Select operation mode Keithley interface RS - 232 configuration MC 100 interface No Yes No Sample ? Filter Data Storage End Display Maximum Pressure ? Yes Hình 3.11. Lưu đồ thuật tốn
LABVIEW là hệ thống phần mềm phân tích và cơng cụ thực hiện nhanh và linh hoạt. Labview bắt đầu từ hệ quả tự nhiên của ngơn ngữ lập trình truyền thống và những đặc tính dễ sử dụng của mơi trƣờng lập trình đồ họa, bao gồm tất cả các cơng cụ cần thiết để thu đƣợc dữ liệu (DAQ), phân tích dữ liệu, và kết quả hiển thị. Với ngơn ngữ lập trình đồ họa, gọi là “G”, chúng ta cĩ thể viết chƣơng trình sử dụng sơ đồ khối minh họa mà cĩ thể biên dịch sang các đọan mã.
Viết các chƣơng trình ứng dụng để điều khiển nguồn áp suất (MC100) và dữ liệu thu đƣợc trên cơ sở mã ASCII thơng qua bộ chuyển đổi USB sang RS232, lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình đƣợc trình bày (hình 3.11) và giao tiếp cuối cùng cho ứng dụng này đƣợc mơ tả (hình 3.12). Trên bảng hiển thị cho phép điều chỉnh tốc độ mẫu thơng qua xoay nút bấm, hiển thị sự phụ thuộc điện
áp ngõ ra với áp suất đặt vào bằng định dạng đồ họa. Giá trị tƣơng ứng của áp suất và điện áp cũng đƣợc hiển thị trên bảng này.
Hình 3.12. Bảng hiển thị kết quả trong chương trình LABVIEW
3.4.1. Khởi động chƣơng trình
LabVIEW bắt đầu với khung cửa sổ đƣợc gọi là “untitled.VI”(hình 3.13). Khung cửa sổ này lƣu những số liệu đƣợc gọi nhƣ áp suất điều khiển và dữ liệu điện áp yêu cầu. Bây giờ chúng ta đặt các giá trị điều khiển khác nhau trên khung cửa sổ hiển thị và nĩ sẽ xuất hiện các chỉ thị hoạt động ứng dụng. Sử dụng menu CONTROLS để đặt các giá trị vào.
3.4.2. Xây dựng chƣơng trình kiểu 1
Ứng dụng này đƣợc sử dụng với phần mềm thơng qua các tập lệnh nhƣ “ESC R” để thiết lập điều khiển từ xa, hay “READ” để chuyển đổi trạng thái và yêu cầu tham số cụ thể để đọc tới bộ Keithley,…
Dữ liệu phải đƣợc hiển thị mặt trƣớc và chỉ ra mối liên hệ giữa áp suất và điện áp ra của cầu thơng qua sơ đồ dạng sĩng. Chƣơng trình cơ bản sẽ lặp lại hoạt động này ở việc quyết định tốc độ bằng cách điều chỉnh tốc độ mẫu Knob. Đối với trƣờng hợp này chúng ta sẽ bắt đầu với việc chọn „CASE STRUCTURE‟ sử dụng „FUNCTIONS/CASE STRUCTURES‟ để thực hiện chọn lựa các kiểu, những „CASE‟ khác và „STECKED SEQUENCE STRUCTURES‟ và „WHILE LOOP‟ sử dụng chung menu để điều khiển số điểm đo. Tất cả những cấu trúc này đƣợc trình bày (hình 3.14).
Hình 3.14. Cửa sổ làm việc cho lập trình
3.4.3. Thiết lập các tham số cho cổng (port) nối tiếp
Trong bƣớc này các chức năng ban đầu cho các cổng nối tiếp sẽ đƣợc đƣa vào bên trong cấu trúc tuần tự nhƣ trình bày ở (hình 3.15). Những chức năng này sẽ thiết lập cấu hình cho các port nối tiếp (tốc độ baud, tốc độ bit, kiểm tra chẳn lẻ, bit dừng và quy trình điều khiển). Dữ liệu điều khiển quy trình đƣợc chọn bởi „FUNCTIONS/CONNECTIVITY/NET/PROPERTY NODE‟ và kích
vào ký hiệu bên phải để thay đổi các thuộc tính mong muốn. Trong bƣớc này cũng thiết lập các port COM4 và COM1 cho việc thơng tin giữa máy tính với MC100 và Keithley.
Hình 3.15. Thiết lập các thơng số cho cổng nối tiếp
3.4.4. Viết dữ liệu tới cổng nối tiếp
Để viết các lệnh điều khiển tới nguồn áp suất và Keithley, chúng ta đƣa vào các hàm viết nối tiếp từ „FUNCTIONS/INSTRUMENT/I/O/SERISL/ WRITE và đặt nĩ bên trong khung nhƣ trình bày (hình 3.16). Ở đây, các lệnh điều khiển đƣợc thiết lập thơng qua các chuỗi lệnh điều khiển. Do đĩ chúng ta cĩ thể thay đổi nĩ khi chạy chƣơng trình .
3.4.5. Đọc và hiển thị dữ liệu
Dữ liệu lấy từ Keithley sẽ đƣợc đọc dùng „SERIAL READ WITH TIMEOUT‟. Điều này đƣợc thực hiện ở thƣ mục của LabView, nĩ đƣợc đặt trong khung với chức năng „Frac/Exp string to number‟ từ „FUNCTION/ STRING/ NUMBER CONVERSION‟. Việc nối dây nhƣ (hình 3.17). Điều khiển số đƣợc đặt 1000 cho số byte đƣợc nhận, và hằng số chuỗi là „2‟ để đọc dữ liệu vào từ vị trí thứ 2. Ngỏ ra của hàm „Frac/Exp string to number‟ đƣợc nối dây tới cả hai việc hiển thị giá trị điện áp và nĩ vẽ sự phụ thuộc của áp ngỏ ra Vout với áp suất. Dữ liệu ngỏ ra cuối cùng đƣợc bổ sung và viết thành tập tin.
Hình 3.16. Viết dữ liệu tới cổng nối tiếp
3.4.6. Kết thúc ứng dụng
Sau khi hồn thành các khối, chúng ta sẽ nối dây chúng lại với nhau nhƣ (hình 3.18). Việc hiển thị cĩ thể tối ƣu hĩa để cĩ kết quả tốt hơn, chúng ta cĩ thể chọn „CONTROL/ DECORATES‟ cho các tùy chọn khác nhau. Tỉ lệ hiển thị đồ họa cũng cĩ thể sử dụng biểu tƣợng điều khiển cho bất cứ mức nào đƣợc đo trong ứng dụng. Kết quả đo sau cùng đƣợc lƣu nhƣ „control pressure and acquire voltage data‟ nhƣ trong (hình 3.19).
Hình 3.18. Quá trình kết thúc ứng dụng
3.4.7. Xây dựng chƣơng trình kiểu 2
Các bƣớc tuần tự giống nhƣ kiểu 1, nhƣng ở đây chúng ta sử dụng lệnh thiết lập giá trị áp suất theo các dữ liệu nối tiếp thêm vào và xây dựng chức năng bộ lọc. Chức năng này lọc nhiễu điện áp mà nĩ nhận đƣợc từ bộ Keithley đƣa đến, ở (hình 3.20) trình bày chức năng cuả bộ lọc. Chúng đƣợc thêm vào mạch vịng và thanh ghi để lƣu dữ liệu. Cuối cùng dữ liệu đƣợc tính trung bình nhƣ trong tốn học.
Hình 3.20. Thiết lập mã cho bộ lọc
Nhƣ chúng ta biết nhiễu cĩ thể phát ra từ nguồn điện, âm thanh, hay nhiễu lƣợng tử,…nhiễu đơi khi cũng cĩ ích và cĩ tác hại. Nĩ sẽ gây ra trong kỹ thuật mã hĩa tín hiệu. Để đánh giá nhiễu trong truyền dẫn tín hiệu, thơng qua tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N [6].
S original S
N N
Tĩm lại trong chƣơng này chúng ta đã thiết lập hệ đo cảm biến áp suất, thơng qua tìm hiểu chuẩn giao tiếp RS232 để kết nối các thiết bị trong hệ đo, trên cơ sở đĩ xử lí các tín hiệu đo đƣợc sao cho kết quả hiển thi cĩ độ chính xác cao. Chúng ta sử dụng phần mềm LabView nhƣ là cơng cụ để thiết lập các tham số theo yêu cầu trên cơ sở 2 kiểu đo sử dụng 2 loại lệnh. Chƣơng trình phần mềm cũng cung cấp những thơng tin cần thiết cho yêu cầu của cảm biến với các giá trị áp suất khác nhau, ngồi ra các yếu tố ảnh hƣởng tới kết quả đo nhƣ nhiễu gây ra cũng đƣợc xem xét. Chƣơng sau chúng ta sẽ tập trung thảo luận kết quả cũng nhƣ các đặc tính của cảm biến.
Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP SUẤT ÁP TRỞ
Tùy theo thiết kế layout, chế tạo cĩ hai quá trình chính, phụ thuộc vào quang khắc là khuyếch tán ion Bo (Boron) và quá trình D-RIE. Hơn nữa áp điện trở cĩ kích thƣớc rất nhỏ và nĩ đƣợc đặt cách với cạnh màng 10 µm, ở đĩ hiệu ứng áp điện trở là lớn nhất.
Hình 4.1. Áp điện trở: (a) sau khi quang khắc; (b) sau khi được khuyếch tán; (c) hình thành contact
Để kiểm tra quá trình quang khắc, phải thơng qua ảnh quang học của áp điện trở (hình 4.1). Thơng qua ảnh này, chúng ta thấy đƣợc hình dạng của nĩ sau khi đƣợc quang khắc và nĩ đƣợc thực hiện đồng nhất trên tất cả phiến
Kết quả mơ phỏng cho thấy độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào chiều dày màng. Để tạo màng cảm biến, mặt nạ (mask) nhơm đƣợc sử dụng để bảo vệ trong quá trình D-RIE. Kết quả kiểm tra ăn mịn đƣợc trình bày trong (hình 4.2). Kích thƣớc đƣợc ăn mịn là 500 x 500 µm2 và 1500 x 1500 µm2. Độ sâu của mặt nghiên đƣợc đo bằng thiết bị bƣớc anpha nhƣ (hình 4.3). Độ sâu ăn mịn mong muốn thực hiện giá trị khoảng 20 µm thời gian ăn mịn khoảng 5 phút. Độ ghồ ghề của mặt đáy vẫn cịn, nhƣng điều này cĩ thể loại bỏ bằng quá trình dừng ăn mịn ở lớp oxide nằm phía dƣới phiến SOI.
Hình 4.4 và 4.5 là ảnh mặt trên và ảnh SEM (kính hiển vi quét điện tử) của linh kiện cảm biến đƣợc chế tạo. Từ những hình này cĩ thể bảo đảm kết nối về điện và kích thƣớc của linh kiện cảm biến. Thơng qua các dây dẫn nhơm, các điện trở bán dẫn đƣợc nối với nhau để hình thành cầu Wheatstone và chân tiếp xúc để kết nối điện.
Hình 4.2. Mặt trước và sau của cảm biến sau khi ăn mịn khơ 20 phút
Hình 4.3. Độ sâu mặt nghiên của màng bị ăn mịn được đo bằng thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm2 và (b) 2x2 µm2
Các điện trở đặt trên màng, cĩ hai điện trở song song cịn hai cái kia thì vuơng gĩc với hƣớng dịng điện. Do đĩ hai cặp điện trở này cĩ giá trị thay đổi ngƣợc nhau. Khi cĩ áp suất tác động vào thì các cặp điện trở này mất giá trị cân bằng.
Hình 4.6 là đặc tính I-V của áp điện trở sau khi hình thành dây nhơm dày 0.5 µm bằng bốc bay chân khơng, quang khắc, và quá trình ăn mịn. Sau quá trình này,
tiếp xúc (contact) giữa dây nhơm và áp điện trở vẫn chƣa cĩ dịng điện, điện trở contact vẫn cịn rất lớn. Cho nên phải thực hiện bƣớc kế tiếp gọi là quá trình thêu kết (sintering). (Hình 4.7) thể hiện sự tuyến tính giữa I và V khi đƣợc thêu kết trong Nitơ khơ ở 4500 C khoảng 30 phút. Điều này cĩ nghĩa là tiếp xúc omic đã đƣợc hình thành sau khi thêu kết.
Hình 4.4. Kích thước cảm biến được chế tạo tương ứng với 1x1 và 2x2 mm2
-3.20E-04 -2.20E-04 -1.20E-04 -1.99E-05 8.01E-05 -2 -1 0 1 2 V (Volt) I (A)
Hình 4.6. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim loại nhơm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) trước khi thêu kết
-2 -1 0 1 2 -4 -2 0 2 4 I( m A ) U(V)
Hình 4.7. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim loại nhơm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) sau khi thêu kết ở 4500 C trong Nitơ (N2)
4.2. ĐẶC TÍNH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ÁP TRỞ 4.2.1. Đặc tính đáp ứng 4.2.1. Đặc tính đáp ứng Chip Circiut board Holder Epoxy resin (a) (b)
Hình 4.8. (a) nối dây cho linh kiện; (b) đĩng gĩi
Trên cơ sở hệ đo đã đƣợc thiết lập, các kết quả khảo sát cảm biến đƣợc trình bày (hình 4.9). Đây là điện áp ngõ ra vi sai phụ thuộc vào mức áp suất từ 0 đến 100 kPa (chẳng hạn từ 0 đến 1atm). Từ biểu đồ chúng ta cĩ thể thấy đặc tính hiển thị của cảm biến là tuyến tính, đáp ứng đƣợc yêu cầu trong mức áp suất khảo sát. Mức khơng tuyến tính là 0.88 %, độ nhạy của cảm biến đạt đƣợc là 0.186 mV/V/kPa.
Kết quả của các lần đo 1, 2, 3 ở cùng điều kiện nhƣ nguồn cung cấp, nhiệt độ,…v…v…là tất cả giống nhau với sai số 0.53 % giữ đúng kích thƣớc thực. Việc so sánh tín hiệu đƣợc lọc và khơng lọc, chúng ta thấy rằng đặc tính khơng lọc thì sự tuyến tính khơng dài hơn, sự khơng tuyến tính chỉ đạt tới 10.03 %.
Nguyên nhân cĩ thể do nhiễu gây ra nhƣ chúng ta đã thấy trong phần xây dựng hệ đo. Nguyên nhân chính ở đây cĩ thể là do khi thực hiện thiết kế mạch và thiết kế vật lí (analog layout), các hạt mang điện đi xuyên qua tiếp giáp giữa bán dẫn lọai p (áp điện trở) và dây dẫn nhơm, nguồn điện, và ứng suất cơ thay đổi gây ra bởi quá trình đĩng gĩi.
0 20 40 60 80 100 -5 0 5 10 15 20 25 30 Unfiltered
Filtered: the first measuring time the second measuring time the third measuring time Linear fit ( y = 0.29974*x + 0.00138)
V out
(mV)
Pressure (kPa)
Hình 4.9. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra vi sai của cảm biến và áp suất với nguồn cung cấp 2 mA.
Chúng ta cũng thấy rằng việc thực hiện trung bình qua 15 mẫu thì hồn tồn khơng cịn nhiễu. Phƣơng pháp thực hiện trung bình này cho kết quả tuyệt vời trong quá trình thực hiện phép đo.
Tuy nhiên, trong các ứng dụng ở đây điều kiện cảm biến bị giới hạn về nguồn hay áp suất thay đổi một cách tƣơng đối, thực hiện riêng lẻ khơng cho kết quả tốt đƣợc. Trong trƣờng hợp này, kết hợp với bộ lọc RC và số mẫu giới hạn cho kết quả tốt nhất.
Hình 4.10 trình bày đặc tính của cảm biến sau khi cầu cân bằng. Điện áp offset cĩ độ lớn giãm từ 7.5 mV tới 0.68 mV. Kết quả cũng đƣợc đo trong 3 lần với sai số 0.226 % trong điều kiện giữ đúng kích thƣớc thực.