khảo sát đặc trưng và khả năng ứng dụng của cảm biến áp suất MEMS

67
lm khuụn. Laze dựng l laze exim mi mnh v vt liu gia cụng thng
l cht do, polymer.
ắ Liga
LIGA l t ghộp cỏc ch u ca Lithgraphie Galvanofruning und
Abformung, ting c ngha l khc hỡnh, m in v lm khuụn.

õy l k thut
to ra cỏc h vi c ba chiu ch khụng phi l hai chiu nh cỏc cỏch khc hỡnh
bỡnh thng.
LIGA ngi ta dựng chựm tia X cc mnh nờn cú th i sõu vo cht
cm n hng milimet. Cht cm thng dựng thuc loi acrylic vit tt l
PMMA. Thụng qua nhng ch b khoột thng trờn khuụn, tia X chiu vo lp cm
theo nhng din tớch nht nh, lm bin cht cht cm cú tia X chiu n s
b
ho tan. Vỡ trong k thut LIGA ngi ta thng dựng lp cht cm dy, v tia X
mnh nờn tia X cú th i sõu vo lp cht cm n hng trm, thm chớ hng nghỡn
micromet nh ú sau khi nhỳng vo dung dch, nhng ch cht cm b ho tan i
cú th rt sõu, hỡnh khc thc s l ba chiu ch khụng phi l hai chiu nh
quang khc thụng thng.


3. ng dng ca cỏc cm bin MEMS

Tuy rng MEMS mi ra i cha lõu nhng ó cú rt nhiu ng dng gúp
phn khụng nh vo s phỏt trin i sng xó hi.
Cỏc ng dng ph cp:
Cỏc ng dng ph cp nht hin nay ca cụng ngh MEMS trong cỏc ngnh
cụng nghip cú th túm tt nh sau:
Sensor ỏp sut: Kim tra t l nhiờn liu v cỏc chc nng o c khỏc khỏc
trong ụtụ, thit b o huyt ỏp v cỏc ng dng dõn dng khỏc.
Sensor gia tc v gyroscope: Tỳi khớ trong ụtụ, thit b nh hng cho tờn la
v cỏc phng tin vn ti.
Hin th: Cỏc mn hỡnh phõn gii cao dựng cỏc vi gng cho cỏc thit b
in t
.

68
u phun mc: Hng trm triu chip phun mc mt nm cho cỏc mỏy in laser
en trng v mu.
Cỏc sensor hoỏ hc: Cho cỏc mc ớch y t v y sinh hc.
Chuyn mch cho thụng tin quang si: Internet, truyn hỡnh v thụng tin gii
rng dựng cỏp quang.
Vi van: Cỏc h sc k khớ cc nh s dng cỏc dóy vi van.
Chuyn mch in c: Cỏc vi rle trong cỏc ng dng mt chiu, xoay chiu
v vụ tuyn.
4. Vi cm bin ỏp sut
Trong s cỏc ngnh cụng nghip khỏc nhau cỏc cm bin ỏp sut c ng
dng nhiu nht trong nhiu lnh vc. ú l vỡ trong cỏc thit b cung cp nng
lng thu lc, nhit, ht nhõn, cn phi o v theo dừi ỏp sut mt cỏch liờn tc
nu ỏp sut vt ngng s gõy nhiu hu qu nghiờm trng n c s vt cht v
tớnh mng con ngi chớnh vỡ vy cm bin ỏp su
t l rt quan trng trong i
sng.
Trong y t cng cú nhiu ng dng ca cm bin MEMS nh dựng o
huyt ỏp, nhp tim v o nng mỏu t xa

1.1.1 Khỏi nim v ỏp sut

Khi mt cht lng hay khớ c cha trong bỡnh cha, do chuyn ng
nhit hn lon, cỏc phõn t vt cht s tỏc dng lờn thnh bỡnh mt lc. Nu ta xột
lc ny trờn mt n v din tớch ta cú khỏi nim ỏp sut. Nh vy ỏp sut c
nh ngha l lc tỏc dng vuụng gúc lờn mt n v din tớch v c xỏc nh
theo cụng thc sau:
P =
S
F

Trong ú F l lc tỏc dng, cú n v l Newton (N); S l din tớch b mt
b lc tỏc dng, cú n v l m
2
. Trong h SI ỏp sut cú n v l N/m
2

n v dn xut ca ỏp sut l pascal (Pa), 1pascal tng ng vi ỏp sut
ng dng do lc 1 Newton tỏc dng lờn b mt phng cú din tớch bng 1mPP
2
PP


69
(1Pa=1N/1mPP
2
PP
). p sut 1Pa tng i nh, trong cụng nghip ngi ta thng
dựng n v ỏp sut l bar (1 bar = 10PP
5
PP
Pa). Mt n v cng hay c dựng nht l
trong y t ú l mmHg hay torr. Bng 1 a ra mi quan h tng i gia cỏc
n v o ỏp sut hay c s dng.
Bng 1. Quan h gia cỏc n v o ỏp sut
n v o ỏp sut pascal(Pa) bar(b) g/cm
PP
2
PP
Atmosphe mmHg mbar
1 pascal 1 10
PP
-5
PP
1,02.10
PP
-5
PP
0,9869.10
PP
-5
PP
0,75.10
PP
-2
PP
10
PP
-2
PP
1 bar 10
PP
5
PP
1 1,02 0,9869 750 1000
1kg/cm
PP
2
PP
98.10
PP
3
PP
0,980 1 0,986 735 980
1 atmosphe 101325 1,013 1,033 1 760 1013
1g/cm
PP
2
PP
98 98.10
PP
-5
PP
10
PP
-3
PP
0,968.10
PP
-3
PP
0,735 0,98
1mmHg 133,3 13,33.10
PP
-4
PP
1,36.10
PP
-3
PP
1,315.10
PP
-3
PP
1 1,333
1mbar 100 1.10
PP
-3
PP
1,02.10
PP
-3
PP
0,9869.10
PP
-3
PP
0,750 1
1.1.2 Nguyờn tc v cỏc phng phỏp o ỏp sut

o ỏp sut, trc õy ngi ta s dng ỏp sut k
Torricelli. Hỡnh 1 mụ t mt ỏp sut k Torricelli. p sut
k Torricelli l mt ng thu tinh bt kớn, u phớa trờn
c ỳp xung mt b ng thu ngõn (Hg). Lỳc ú ỏp
sut tỏc dng lờn b mt thu ngõn trong b bng ln
ct thu ngõn trong ng. n v o ỏp sut s dng ỏp
sut k l mmHg (1atm = 760mmHg ).
Ngy nay, vi nhiu cụng ngh khỏc nhau, nhiu
loi cm bin ỏp sut ó ra i. o ỏp sut ngi ta o
lc F tỏc dng lờn din tớch S ca thnh bỡnh phõn chia
hai mụi trng, trong ú mt mụi trng cha cht lu l
i tng cn o ỏp sut. Cú th chia lm 3 trng hp
chớnh:
ắ o ỏp sut ly qua mt l cú din tớch hỡnh
trũn c khoan trờn thnh bỡnh.
ắ o trc tip s bin dng ca thnh bỡnh
do ỏp sut gõy nờn.
Hỡnh 1. p sut k torricelli
670mmHg
Hight
ống thuỷ
tinh
Đầu bịt kín
1 atm
1 atm
Đầu hở
Thủy ngân

70
ắ o bng mt cm bin ỏp sut chuyn tớn hiu u vo l ỏp sut thnh
tớn hiu in u ra cha thụng tin liờn quan n giỏ tr ca ỏp sut cn o
v s thay i ca nú theo thi gian.
Trong cỏch o trớch ly ỏp sut qua mt l nh, phi s dng mt cm bin t
gn sỏt thnh bỡnh. Sai s ca phộp o s nh vi iu kin l th tớch cht ca kờnh dn
v ca cm bin phi khụng ỏng k so vi th tớch tng cng ca cht lu cn o ỏp
sut.
Trong trng hp o trc tip, ngi ta gn lờn thnh bỡnh cỏc cm bin o ng
sut o bin dng ca thnh bỡnh. Bin dng ny l mt hm ca ỏp sut.
Trong trng hp o bng cm bin ỏp sut, vt trung gian thng l cỏc phn
t o lc cú mt thụng s, thớ d thụng s hỡnh hc, thụng s ny cú kh nng thay i
di tỏc dng ca lc F = P.S. Ph bin nht l s dng mng. Mng (diaphragm) l mt
tm mng (thng bng cht bỏn dn) cú kh nng b bin dng khi cú ỏp sut t lờn.
Khi ỏp sut bờn ngoi tỏc dng lờn mng, tu thuc vo s chờnh lch ỏp sut cn o v
ỏp sut chun so sỏnh m mng b bin dng, bin dng ca mng ph thuc vo
ln ca ỏp sut tỏc dng vo.
Cm bin ỏp sut kiu mng cú mt s cu trỳc sau:
Cm bin ỏp sut tuyt i (hỡnh 2.a)
Cm bin ỏp sut tng i (hỡnh 2.b)
Cm bin ỏp sut vi sai (hỡnh 2.c)


Hỡnh 2. Cỏc loi cm bin ỏp sut kiu mng
a) Cm bin ỏp sut tuyt i b) Cm bin ỏp sut tng i c) Cm bin ỏp sut vi sai


71
Núi chung, c ba loi cm bin ny u hot ng theo nguyờn lý so sỏnh ỏp
sut cn o vi mt ỏp sut khỏc, thng ó bit trc, l ỏp sut chun. Vi cm bin ỏp
sut tuyt i, ỏp sut cn o c so sỏnh vi ỏp sut ca chõn khụng, cũn cm bin ỏp
sut tng i thỡ ỏp sut cn o c so sỏnh vi ỏp sut khớ quyn.
Bng nhiu cỏch khỏc nhau ngi ta cú th bin i bin dng ca mng
thnh tớn hiu in thụng qua s bin thiờn t cm, bin thiờn in dung s dng hiu
ng ỏp in, dao ng c in, dựng phng phỏp quang in, dựng phng phỏp
transistor ỏp in
Trong cụng ngh MEMS cú 2 phng phỏp ang c s dng rng rói ú l
cm bin kiu t in (capacitive) v cm bin kiu ỏp tr (piezoresistive) c trỡnh by
di õy.
1.1.3 Vi cm bin ỏp sut kiu t

Cỏc cm bin kiu t cú nguyờn lý hot ng rt n gin. in dung ca t
c thay i bng cỏch tỏc ng lờn mt trong cỏc thụng s lm thay i in trng
gia hai vt dn to thnh hai bn cc ca t.
Mt trong hai bn t c ni c hc vi vt
trung gian chu tỏc ng ca ỏp sut cn o. Nu
vt trung gian l mng mng thỡ in dung ca
t s thay i theo s dch chuyn ca tõm mng
khi nú b ỏp sut tỏc dng. Hỡnh 3 mụ t mt
cm bin ỏp sut dựng chuyn i in dung.
Trong ch to cm bin ỏp sut thỡ hiu
ng ỏp tr c s dng ph bin hn. Nguyờn
lý hot ng cng nh phng phỏp ch to vi
cm bin ỏp sut kiu mng hiu ng ỏp in tr
c trỡnh by tip sau õy.

1.1.4 Vi cm bin ỏp sut kiu ỏp
tr

Trờn c s hiu ng ỏp tr trong vt liu
silicon, nhiu loi vi cm bin v cỏc b chp hnh

Hỡnh 4. Cu trỳc cm bin ỏp
in tr

72
ó c phỏt trin vi cỏc tớnh nng v ng dng khỏc nhau. Nguyờn lý lm vic
chung ca cỏc vi cm bin loi ny da trờn s thay i bin dng ca cu trỳc
mng hay cu trỳc dm (gi chung l cỏc phn t nhy c) c chuyn thnh tớn
hiu in tng ng nh cỏc ỏp in tr c cy trờn phn t nhy c. Khi phn
t nhy c c
a vi cm bin b un cong, cỏc ỏp in tr s thay i giỏ tr.
nhy cng nh vựng lm vic tuyn tớnh ca vi cm bin ph thuc rt nhiu vo
kớch thc cu trỳc c, dng v kớch thc cỏc ỏp in tr, v trớ cỏc ỏp in tr
trờn phn t nhy c.
Cu trỳc ca cm bin ỏp sut c ch ra trong hỡnh 4. Cm bin c
ch to trờn mt Silic loi n cú nh hng b mt l {100}, bng phng phỏp
n mũn in hoỏ, mt mng silicon vi kớch thc v b dy thay i c to ra,
mng ny rt nhy vi cỏc tớn hiu ỏp sut. Sau ú, bn in tr c t lờn mng
silicon ti trung im ca cỏc cnh c
a hỡnh vuụng bng phng phỏp khuch tỏn
Boron t ngun tp hoc bng phng phỏp cy ion to thnh cu Wheatstone.
Cỏc in tr c t mt cỏch chớnh xỏc c th l hai in tr c t song song
vi cnh mng, hai in tr cũn li c t vuụng gúc vi cnh mng. Cỏc cnh
ca mng cú nh hng l {110}.
Khi khụng cú ỏp sut t lờn mng, cu in tr trng thỏi cõn b
ng,
in th li ra lỳc ny l bng 0. Khi cú ỏp sut t lờn, mng mng s b bin
dng, ỏp lc phõn b trờn mng s b thay i. Do hiu ng ỏp in tr, cỏc giỏ tr
ca cỏc in tr trong mch cu b thay i, c th nu cỏc in tr song song vi
cnh mng cú giỏ tr gim i thỡ cỏc in tr vuụng gúc vi cnh mng s t
ng giỏ
tr v ngc li. Kt qu l cu s b mt cõn bng v in ỏp li ra l khỏc 0. S
thay i giỏ tr in tr ph thuc vo bin dng ca mng tc ph thuc vo
ỏp sut, nờn ln ca tớn hiu li ra cng ph thuc vo ỏp sut. Bng cỏch o
in th li ra ta cú th o c l
n tng ng ca ỏp sut tỏc dng lờn mng.
Cm bin ỏp sut l mt trong nhng loi cm bin thng dựng nht trong cụng
nghip. Trong y t thỡ cm bin ỏp sut thng c s dng o ỏp sut mỏu
trong ng mch v trong tnh mch. u im ln nht ca cm bin ỏp sut vi c
in t l nhy. C th
i vi di in ỏp thp, nhy ca cm bin thay i
trong khong t 0,1 n 3mV/mbar ph thuc dng hỡnh hc ca mng v cng
dũng in, trong di ỏp sut t khong vi trm mbar n hng trm bar,

73
nhy thay i t 0,2 n 12,5mV/bar. Mt u im na ú l kớch thc ca cỏc
cm bin ny do ch to theo cụng ngh MEMS nờn kớch thc rt nh, thun tin
s dng trong mi thit b.
B. PHN THC NGHIM

1. Dng c v thit b thc nghim


Hỡnh 8



Thnh phn chớnh ca bi thớ nghim gm
Bung to ỏp sut
Bm khớ
Van x
p k thu ngõn
Cỏc cm bin
Mch iu khin

p sut trong bung c chia ti cỏc cm bin, van khớ, ỏp k thu ngõn
thụng qua h thng dn khớ. p sut trong bung c to nờn nh h thng mụ t

74
bm v van x. Mụ t bm v van x iu khin bi cỏc cụng tc. Van x cú th
x t t hoc x ht c.


75


2. Vi cm bin ỏp sut MPX10
Trong bi thc tp ny, cm bin ỏp sut c s dng l cm bin
MPX10. õy l sn phm ca hóng Motorola, c ch to da trờn nguyờn lý
ỏp tr theo cụng ngh MEMS. Cm bin cú in ỏp li ra t l tuyn tớnh vi ỏp
sut li vo v chớnh xỏc cao. Mt s thụng s ca MPX10 c a ra
bng 1.
Bng 1. Mt s c tớnh ca MPX10
c tớnh Ký hiu Min Typ Max n v
Di ỏp sut cho phộp li vo P
BB
OP
BB
0 - 10 Kpa
in ỏp ngun nuụi Vs - 3.0 6.0 Vdc
Dũng in cung cp i
BB
0
BB
- 6.0 - mAdc
Di in ỏp li ra V
BB
FSS
BB
20 35 50 mV
lch(offset) in ỏp li ra V
BB
Off
BB
0 20 35 mV
nhy
V/P
- 3.5 - mV/kPa
tuyn tớnh - -1.0 - 1.0 %V
BB
FSS
BB
H s nhit ca in ỏp li ra TCV
BB
FSS
BB
-0,22 - -0.16
%V
BB
FSS
BB
/C
H s nhit ca in ỏp lch TCV
BB
off
BB
-
15
-
àV/C
H s nhit ca tr khỏng li vo TCR 0.28 - 0.34
%Z
BB
in
BB
/C
Tr khỏng li vo Z
BB
in
BB
400 - 550

Tr khỏng li ra Z
BB
out
BB
750 - 1250

Thi gian ỏp ng (10%-90%) T
BB
R
BB
- 1.0 - ms
Hỡnh 6 biu din c tớnh tuyn tớnh ca in ỏp li ra theo ỏp sut t vo. Vic
s dng cm bin, cng nh v trớ, vai trũ ca cm bin s c kho sỏt k hn trong
bi.

Hỡnh 6. ỏp ng in ỏp ỏp sut ca cm bin MPX10

76
3. Vi cm bin ỏp sut MPX50
Cm bin MPX50 l mt vớ d khỏ in hỡnh ca linh kin MEMS. MPX50 cú c phn
cm bin v phn mch in tớch hp trờn cựng mt v. Phn cm bin ca MPX10 vn
cú cu trỳc cu tr tng t nh ca MPX10. im khỏc bit l li ra ca MPX50 ó l
mc in ỏp 0-5v do bn thõn bờn trong cm bin ó cú mch in khuych i v dch
mc. S khi cu trỳc ca MPX50 c trỡnh by hỡnh7.

Hỡnh 7 Cu trỳc bờn trong ca MPX50

Mt s thụng s ca MPX50 cho bng sau


c tớnh Ký hiu Min Typ Max n v
Di ỏp sut cho phộp li vo P
BB
OP
BB
0 - 100 Kpa
in ỏp ngun nuụi Vs 4.75 5.0 5.25 Vdc
Dũng in cung cp i
BB
0
BB
- 7.0 10 mAdc
Di in ỏp li ra V
BB
FSS
BB
0 - 4.7 Vdc
lch(offset) in ỏp li ra V
BB
Off
BB
0.088 0.20 0.313 Vdc
nhy
V/P
- 45 - mV/kPa
tuyn tớnh - -
2.5
%V
BB
FSS
BB
Thi gian ỏp ng (10%-90%) T
BB
R
BB
- 1.0 - ms

ng c trng ca MPX50 c ch ra hỡnh 8

Hỡnh 8ng c trng in ỏp li ra theo ỏp sut t vo ca MPX50

Xem chi tiết: khảo sát đặc trưng và khả năng ứng dụng của cảm biến áp suất MEMS