A: Đế silíc ban đầu B: Phủ lớp silíc nitride bảo vệ đế
1.3 Sensor gia tốc MEMS .1 Sensor
1.3.4 Ba loại sensor gia tốc trên thị trường
a) Sensor gia tốc kiểu áp điện PCB Piezotronics 352C67
Sensor gia tốc kiểu áp điện PCB Piezotronics 352C67 không phải là sensor dạng MEMS, tuy nhiên, việc tìm hiểu về cấu trúc của chúng cũng là rất cần thiết. Toàn bộ sensor được đặt trong một vỏ bằng titan và được bịt kín. Hầu hết các sensor gia tốc kiểu áp trở không có đủ độ nhạy để đo chính xác các chuyển động nhỏ vì vật liệu áp điện trong sensor là vô cùng nhỏ. Phần tử áp điện trong sensor PCB Piezotronics 352C67 được dùng chủ yếu trong chế độ đo sự biến dạng trượt (shear mode), nó làm giảm nhiễu nền và độ nhạy với nhiệt xuất hiện từ cột trụ trung tâm (center post). Sơ đồ của sensor được trình bày trong hình 1.12 [7].
Sensor bao gồm một bộ khuếch đại bên trong vỏ để khuếch đại điện áp áp trở và tạo ra một lối ra trở kháng thấp. Nhờ có tín hiệu lối ra của bộ khuếch đại này mà độ nhạy của sensor cỡ khoảng 100mV/g. Cũng như tất cả các loại sensor kiểu áp điện khác, sensor gia tốc áp điện không đáp ứng với thế DC và tần số gia tốc thấp nhất có thể đo được là khoảng 0,5 Hz.
(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00
Luận văn thạc sỹ
Hình 1.12 Sơ đồ của sensor PCB Piezotronics 352C67
b) Sensor gia tốc kiểu áp trở Endevco 7265A-HS
Sensor gia tốc kiểu áp trở Endevco 7265A-HS được xây dựng trên một chip đơn và sau đó được đóng gói trong một vỏ nhôm. Sensor gia tốc áp trở Endevco 7265A-HS sử dụng một hệ thống lò xo-gia trọng MEMS, mà khối gia trọng được gắn dọc theo biên một khớp nối silíc (silicon hinge). Sơ đồ của sensor được cho trên hình 1.13. Trục nhạy với gia tốc nằm trong mặt phẳng của linh kiện. Khớp nối hoạt động như một lò xo quay sinh ra một lực tỉ lệ với góc giữa vị trí hiện tại của khối gia trọng và vị trí cân bằng, lực này chống lại lực gia tốc. Các sensor áp trở được gắn ở vị trí gần cuối của khối gia trọng và sắp xếp từng cặp trên khớp quay. Khi khối gia trọng quay thì các sensor được gia tốc và chúng sẽ đo được biên độ quay [7].
Hình 1.13 Sơ đồ của sensor Endevco 7265A-HS
Vũ Việt Hùng 13
Luận văn thạc sỹ
c) Sensor gia tốc kiểu tụ ADXLxxx
Sensor gia tốc ADXLxxx của hãng Analog Devices được đóng gói như mạch tích hợp IC chuẩn với vỏ gốm hoặc kim loại. Sensor ADXLxxx sử dụng hệ lò xo-gia trọng MEMS và đo điện dung vi phân do các phần tử nhạy điện sinh ra khi có gia tốc tác động lên sensor. Hình 1.14 trình bày một hệ thống điển hình của sensor gia tốc ADXLxxx. Trục nhạy với gia tốc được sắp xếp trên mặt phẳng của sensor. Khối gia trọng là một miếng đế gắn với các góc bằng lò xo hoặc dây treo. Hình 1.15 trình bày ảnh SEM của các sensor gia tốc, trong đó chỉ ra các khối gia trọng, dây treo và các phần tử điện dung [9, 11, 12, 13].
Hình 1.14 Hình chiếu của sensor ADXL50 (bên trên) và ADXL150 (bên dưới)
Cấu trúc của sensor gia tốc ADXLxxx có thể được mô tả như sau: trên một đế silíc đơn bao gồm một hệ lò xo-gia trọng và toàn bộ mạch điện để tính gia tốc từ độ
(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00
Luận văn thạc sỹ
dịch chuyển của khối gia trọng. Mạch điện này được bố trí nằm xung quanh khối gia trọng. Hãng Analog Devices gọi công nghệ này là iMEMS, tức là hệ thống vi cơ điện tử tích hợp (integrated MEMS). Tín hiệu lối ra cuối cùng của chip là một điện áp tương tự từ 0-5V và tỉ lệ tuyến tính với gia tốc.
Hình 1.15 Ảnh SEM của một phần sensor ADXL150
Sensor gia tốc của hãng Analog Devices hiện nay mới chỉ có loại sensor một chiều và hai chiều. Với sensor hai chiều, hai trục được bố trí vuông góc với nhau trên mặt phẳng đế. Hiện nay có hai cách chế tạo sensor hai chiều, cách thứ nhất là dùng hai sensor gia tốc một chiều khác nhau đặt trên hai trục vuông góc, và cách thứ hai là chỉ sử dụng một khối gia trọng mà nó có thể dịch chuyển tự do theo cả hai trục trên mặt phẳng.
Khi chế tạo sensor gia tốc ba chiều đơn chip thì gặp phải một số khó khăn trong công nghệ chế tạo. Nếu sử dụng một khối gia trọng để đo theo cả ba trục thì rất khó để đảm bảo chuyển động của khối gia trọng là tuyến tính theo cả ba trục vì việc thiết kế các dây treo là vô cùng phức tạp. Nếu sử dụng ba khối gia trọng riêng biệt thì bị giới hạn bởi công nghệ khi đo gia tốc ở bên ngoài mặt phẳng. Tuy nhiên, hãng Analog Devices đã sản xuất thử nghiệm một sensor gia tốc ba chiều ADXL330 với độ phân giải ±2g trên mỗi trục và hãng hy vọng sẽ đưa ra thị trường trong thời gian sớm nhất [14].
Với cấu trúc được trình bày như trên thì sensor ADXLxxx có thể đo được cả gia tốc âm và gia tốc dương, đồng thời đo được cả gia tốc tĩnh (gia tốc trọng trường) dùng để đo độ nghiêng và gia tốc động [15,16]. Trong các ứng dụng thông thường của sensor gia tốc, trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống, thì các sensor gia tốc một
Vũ Việt Hùng 15
Luận văn thạc sỹ
chiều và hai chiều là đủ đáp ứng được yêu cầu. Từ khi sensor gia tốc iMEMS đầu tiên xuất hiện từ năm 1993, độ phân giải của sensor cũng như giá cả cũng đã thay đổi một cách đáng kể. Hình 1.16 trình bày biểu đồ về sự phát triển của các loại sensor gia tốc ADXL.
a) Độ phân giải của sensor gia tốc theo thời gian
b) Giá cả của sensor gia tốc theo thời gian
Hình 1.16 Biểu đồ phát triển của sensor MEMS của hãng Analog Devices
(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00(LUAN.VAN.THAC.SI).Ung.dung.Sensor.gia.toc.Mems.trong.viec.do.goc.nghieng.va.do.do.rung.Luan.van.ThS.Ky.thuat.vo.tuyen.dien.tu.va.thong.tin.lien.lac.2.07.00
Luận văn thạc sỹ
Dưới đây là bảng so sánh một số thông số của ba loại sensor gia tốc được trình bày ở trên.
Bảng 1.1 So sánh các loại sensor gia tốc của các hãng Endevco, PCB Piezotronics và Analog Devices
Kiểu áp trở Kiểu áp điện Kiểu điện dung Nhà sản xuất Endevco PCB Piezotronics Analog Devices
Số serial 7265A-HS 352C67 ADXL105
Dải hoạt động +/- 20 g +/- 50 g +/- 5 g
Độ nhạy 25 mV/g 100 mV/g 250 mV/g
Độ phân giải 2 mg 0.16 mg 2 mg
Dải tần số hoạt động 0 to 500 Hz 0.5 to 10,000 Hz 0 to 5,000 Hz
Tần số cộng hưởng 1400 Hz 35 kHz 18 kHz
Tính phi tuyến 2% 5% 0.20%
Độ nhạy theo trục ngang 5% max 5% max 5% max Gia tốc cực đại chịu được 2000 g 5000 g 1000 g
Khối lượng < 5.9 grams 2.0 grams 0.934 grams Kích thước 11.9x7.4x7.4 mm 11.4x7.1x7.1 mm 10.5x 0.6x4.3 mm