Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng vi cảm biến lực áp trở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VŨ MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HUẾ - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VŨ MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH HUẾ - 2014 1 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS.TS. Chử Đức Trình, người đã hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo trong quá trình thực hiện luận văn. Sự chỉ bảo tận tâm của thầy đã mang lại cho tôi hệ thống các phương pháp, kiến thức cũng như kỹ năng hết sức quý báu để có thể hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất. Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo, thầy giáo, cô giáo khoa Điện tử viễn thông, trường đại học Công nghệ, đặc biệt là các thầy giáo Bộ môn , khoa Điện tử viễn thông - những người mà trong thời gian qua đã dạy dỗ, truyền thụ kiến thức khoa học, giúp tôi từng bước trưởng thành. Tôi xin trân trọng cảm ơn phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn những người thân, gia đình và bạn bè - những người đã hỗ trợ tôi rất nhiều về cả vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể học tập đạt kết quả tốt và thực hiện thành công luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 2 năm 2014 Trần Vũ Minh 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn do tôi thực hiện. Những kết quả từ những tác giả trước mà tôi sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng, cụ thể. Không có bất kỳ sự không trung thực nào trong các kết quả tính toán. Nếu có gì sai trái, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 10 tháng 2 năm 2014 Học viên Trần Vũ Minh 3 TÓM TẮT Nhiệm vụ chính của luận văn là tìm hiểu về vi cảm biến, cụ thể là tìm hiểu về vi cảm biến lực đa chiều áp trở. Trên cơ sở lý thuyết tìm hiểu được, thiết kế một cấu trúc vi cảm biến lực 3 chiều áp trở nhận biết và đo được các lực theo nhiều chiều. Luận văn đã đi vào tìm hiểu mô hình vi cảm biến lực, mô hình vi cảm biến lực đa chiều, cấu trúc thanh dầm cantilever cho vi cảm biến lực đa chiều, cơ sở về hiệu ứng áp trở của vi cảm biến lực áp trở.... Dựa trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu được, luận văn đã thực hiện việc thiết kế một cấu trúc vi cảm biến lực 3 chiều áp trở. Luận văn cũng đã xây dựng các công thức liên quan cho các cấu trúc này. Cuối cùng, luận văn đã thực hiện việc mô phỏng bằng phần mềm COMSOL để khảo sát và thiết kế vi cảm biến đồng thời trình bày các kết quả đạt được để từ đó xây dựng những hướng phát triển mới. 4 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 1 TÓM TẮT LUẬN VĂN 2 DANH SÁCH HÌNH VẼ 7 DANH SÁCH BẢNG 9 GIỚI THIỆU 10 CHƯƠNG 1: VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU 10 1.1 1.2 1.3 1.4 Mô hình vi cảm biến lực đa chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.1 Mô hình vi cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.2 Mô hình vi cảm biến lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Vi cảm biến lực đa chiều dạng thanh dầm cantilever . . . . . . . . . . . . 14 1.2.1 Thanh dầm cantilever chữ I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.2 Thanh dầm cantilever chữ L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Các tiêu chí cho việc thiết kế vi cảm biến lực đa chiều . . . . . . . . . . . 17 1.3.1 Đường cong chuẩn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.3 Độ nhạy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.4 Độ tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.5 Sai số và độ chính xác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 5 CHƯƠNG 2: VI CẢM BIẾN LỰC ÁP TRỞ 2.1 2.2 21 Phân loại vi cảm biến lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Vi cảm biến lực áp trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.1 Đặc tính cơ học của Silic đơn tinh thể . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.2 Hiệu ứng áp điện trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3 Mạch cầu Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4 Nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5 2.4.1 Nhiễu Johnson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.2 Nhiễu flicker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU ÁP TRỞ 34 3.1 Mô hình cấu trúc vi cảm biến lực 3 chiều áp trở . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2 Cấu hình ngang 3.3 Cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4 Cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 46 4.1 Thiết kế các thông số hình học của vi cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2 Mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.2 Mô phỏng thanh dầm cantilever chữ L . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.3 Cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6 4.3 4.2.4 Cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.5 Cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 7 DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Mô hình vi cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2 Mô hình vi cảm biến lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4 Thanh dầm cantilever chữ I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.5 Phân bố ứng suất trên thanh dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.6 Thanh dầm cantilever chữ L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.7 Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1 Vi cảm biến lực kiểu tụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2 Vi cảm biến lực kiểu áp điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3 Vi cảm biến lực kiểu áp trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4 Vi cảm biến lực kiểu laser quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Các thành phần ứng suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6 Mạch cầu Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.7 Mật độ phổ công suất nhiễu flicker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1 Vi cảm biến lực 3 chiều áp trở 3.2 Khối đặt lực tác dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Sơ đồ cấu hình : a) Cấu hình ngang b) Cấu hình dọc c) Cấu hình dài d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Bố trí cầu Wheatstone với công tắc chuyển từ a) sang b) . . . . . . . . . . 38 3.4 Cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.5 Điện áp ra ở cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.6 Cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7 Điện áp ra ở cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.8 Cấu hình dài 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.9 Cấu hình dài 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 8 3.10 Điện áp ra ở cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.1 Giao diện phần mềm COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2 Thanh dầm cantilever chữ L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.3 Phân bố ứng suất cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.4 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.5 Phân bố ứng suất cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.6 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.7 Phân bố ứng suất cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.8 Đồ thị phân bố ứng suất cấu hình dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 9 DANH SÁCH BẢNG 2.1 Thông số cơ học của một số vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2 Giá trị thực nghiệm các hệ số áp điện trở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.1 Thông số hình học của vi cảm biến lực 3 chiều áp trở . . . . . . . . . . . . 47 10 GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, với sự hỗ trợ của công nghệ vi điện tử và công nghệ tin học, công nghệ vi cơ điện tử đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Công nghệ vi cơ điện tử đã được ứng dụng để chế tạo các cảm biến, các hệ chấp hành, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ công nghiệp, kỹ thuật, y tế đến quân sự . . . Cảm biến lực chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử là một trong những cảm biến có nhiều ứng dụng trong đời sống thực tiễn hiện nay. Một số loại vi cảm biến lực phổ biến là: vi cảm biến tụ, vi cảm biến áp điện, vi cảm biến laser quang, vi cảm biến áp trở . . . Nhìn chung các loại vi cảm biến này đều có ưu và nhược điểm riêng nhưng cảm biến lực áp trở có ưu điểm vượt trội là độ nhạy cao, giá thành rẻ, mạch xử lý tín hiệu đơn giản [5]. Với các ứng dụng ngày càng trở nên tinh tế [5, 7] thì yêu cầu về cảm biến lực đa chiều, độ nhạy cao, kích thước nhỏ đang được đặt ra. Đề tài có mục tiêu chính là tìm hiểu và thiết kế vi cảm biến lực 3 chiều áp trở. Bên cạnh đó đề tài còn thực hiện việc mô phỏng trong quá trình thiết kế. Luận văn gồm 4 chương, nội dung cụ thể như sau: Chương 1 trình bày chi tiết các mô hình vi cảm biến lực và các tiêu chí trong việc thiết kế vi cảm biến. Một phần quan trọng của chương 1 là trình bày về cấu trúc thanh dầm cantilever, một cấu trúc cơ bản của vi cảm biến lực. Chương 2 trình bày chi tiết về vi cảm biến lực áp trở trong đó tập trung vào việc phân loại vi cảm biến lực và giới thiệu hiệu ứng áp điện trở, là hiệu ứng vật lý được dùng trong vi cảm biến lực áp trở. Ngoài ra chương này còn tìm hiểu về mạch đo và nhiễu trong hệ thống. Chương 3 trình bày về các cấu trúc dùng để nhận biết các lực tác dụng theo các phương khác nhau của vi cảm biến lực 3 chiều áp trở: cấu trúc dài, cấu trúc dọc, cấu trúc ngang . Sau đó là phần thiết kế chi tiết về vi cảm biến lực 3 chiều áp trở. Chương 4 trình bày các kết quả và việc thực hiện mô phỏng từ phần mềm COMSOL. Dùng phần mềm để khảo sát việc phân bố ứng suất và đánh giá các kết quả thực nghiệm so với lý thuyết đã thực hiện ở chương 3. 11 CHƯƠNG 1: VI CẢM BIẾN LỰC ĐA CHIỀU Chương 1 trình bày mô hình và cấu trúc vi cảm biến lực đa chiều, và tìm hiểu các tiêu chí cho việc thiết kế. Phần 1.1 trình bày mô hình vi cảm biến lực đa chiều. Phần 1.2 trình bày cấu trúc thanh dầm vi cảm biến lực đa chiều. Phần 1.3 trình bày các tiêu chí thiết kế vi cảm biến. 1.1 Mô hình vi cảm biến lực đa chiều 1.1.1 Mô hình vi cảm biến Cảm biến là thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện hoặc có đặc trưng điện và có thể xử lý được [1]. Vi cảm biến là cảm biến được chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử (Micro Electro Mechanical Systems - MEMS). MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip. Công nghệ vi cơ và các hệ thống cơ điện được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro. Nguyên tắc đo trong cảm biến và vi cảm biến thường dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện. Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ...) tác động lên cảm biến (vi cảm biến) cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Mô hình vi cảm biến được trình bày ở hình (1.1) mô tả đầu vào X là đại lượng không điện cần đo, đầu ra Y = f (X) là một đại lượng điện cần đo. Việc đo lường Y sẽ cho phép nhận biết giá trị của X; Y = f (X) là dạng lý thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo (kích thước và hình dạng), vật liệu chế tạo cảm biến, đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng (nhiệt độ, nguồn nuôi). Vị trí của cảm biến 12 Hình 1.1: Mô hình vi cảm biến trong thiết bị đo lường chính là phần chuyển đổi sơ cấp. Cảm biến được sử dụng ở hầu hết các mặt của sản xuất cũng như đời sống xã hội [1]. Trong ngành viễn thông là các cơ cấu tự động cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy. . . của tổng đài, góp phần đảm bảo tổng đài hoạt động được liên tục, cảm biến tại các thiết bị đầu cuối để chuyển âm thanh, hình ảnh thành tín hiệu điện, tại các thiết bị truyền dẫn chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang và ngược lại. Trong ngành tự động hóa sử dụng cảm biến để biết được các thông số của đối tượng cần điều khiển (tốc độ động cơ, vận tốc của vật, của xe, hướng đi. . . .) từ đó xây dựng phương pháp điều khiển. . . Vi cảm biến có nhiều ứng dụng trong thế giới vi mô [5]. Thao tác chuẩn, chính xác và kiểm soát các vật thể kích thước nhỏ là một lĩnh vực hấp dẫn và đầy thử thách cho cả sản xuất công nghiệp và nghiên cứu khoa học cơ bản. Trong các thập kỷ qua, các phương pháp khác nhau liên quan đến xử lý, phân tích, lắp ráp các mẫu vi mô, kể cả lỏng và rắn, đã được chứng minh có hiệu quả và đáng tin cậy, cung cấp những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Các ứng dụng phổ biến nhất là: các phương pháp tích hợp trên chip, công nghệ in phun và lắp ráp vi cơ kết hợp công nghệ vi cơ điện tử và các công cụ xử lý thu nhỏ. Trong các ứng dụng vi thể lỏng, các thiết bị tích hợp trên chip đã được nghiên cứu rộng rãi để phân tích các mẫu y sinh học, chẳng hạn như Acid Deoxyribo Nucleic - ADN, virus và các tế bào sống. Bằng cách thu nhỏ các hệ thống phân tích vĩ mô thông thường xuống kích cỡ chip, lượng mẫu chất lỏng cần thiết để có thể phân tích tin cậy được giảm xuống mức đơn vị nano lít hay thậm chí pico lít. Thời gian và chi phí của toàn bộ thủ tục phân tích được giảm đáng kể, bên cạnh đó còn cải thiện độ chính xác. Các công cụ xử lý vi mô tích hợp cảm biến lực đã được phát triển dùng để lắp ráp vi mô, xử lý tế bào sống, hạn chế kích thước phẫu thuật, nhận dạng các vi mẫu. 13 Xử lý vi mô là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển mới với nhiều thách thức. So với vĩ mô, các thao tác với mẫu vi mô có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, việc quan sát quá trình thao tác mẫu vi mô rất khó khăn, phải dựa vào các thiết bị đặc biệt. Do đó, các thao tác gặp nhiều trở ngại và mất đi tính chính xác, hiệu quả. Vì vậy, việc thiết kế các hệ thống thông minh với khả năng giám sát tại chỗ nhằm phát hiện khối lượng, lực và vị trí là cần thiết để có thể thao tác an toàn, chính xác và hiệu quả. 1.1.2 Mô hình vi cảm biến lực Lực là đại lượng đo tác dụng cơ học giữa các vật thể với nhau. Nguyên tắc đo lực là làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và moment tổng của chúng bằng không [1]. Vi cảm biến lực là thiết bị dùng để chuyển đổi lực cần đo thành đại lượng điện có thể xử lý được (điện áp ra). Mô hình vi cảm biến lực được trình bày ở hình (1.2) mô tả đầu vào là lực F cần đo n P , đầu ra V = f (F ) là điện thế ra cần đo. Lực F = Fi là lực tổng hợp từ các lực tác i=0 dụng. Hình 1.2: Mô hình vi cảm biến lực 1.1.3 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều Trong không gian 3 chiều với hệ trục tọa độ Đề các Oxyz, phân tích lực F thành tổng các lực thành phần: F = Fx + Fy + Fz (1.1) 14 Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều được trình bày ở hình (1.3) mô tả đầu vào Fx , Fy , Fz là 3 lực cần đo , các điện thế ra cần đo lần lượt là Vx = f (Fx ), Vy = f (Fy ), Vx = f (Fz ). Hình 1.3: Mô hình vi cảm biến lực 3 chiều Trong các vi cảm biến đo lực thường có một vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và biến dạng. Biến dạng của vật trung gian là nguyên nhân gây ra lực đối kháng và trong giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng. Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể đo trực tiếp bằng các cảm biến biến dạng, hoặc đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo trung gian phụ thuộc vào biến dạng. 1.2 Vi cảm biến lực đa chiều dạng thanh dầm cantilever Thanh dầm cantilever là thanh dầm có một đầu làm đầu ngàm gắn cố định, đầu kia tự do. Vi cảm biến lực dạng thanh dầm cantilever thường được dùng trong các ứng dụng vi mô để đo lực [1]. Phần này tìm hiểu dạng cấu trúc thanh dầm cantilever và phân tích ứng suất trên thanh dầm chữ I. 1.2.1 Thanh dầm cantilever chữ I Thanh dầm cantilever hình chữ I được trình bày ở hình (1.4) là hình khối chữ nhật đồng nhất, chiều dài l, chiều rộng w, chiều cao t. Một đầu của thanh dầm là đầu ngàm, đầu kia tự do. Lực F tác dụng lên đầu tự do của thanh dầm. 15 Hình 1.4: Thanh dầm cantilever chữ I Ứng suất trên thanh dầm cantilever chữ I Xét lực F tác dụng theo phương dọc vào đầu tự do của thanh dầm cantilever hình chữ I. Lực F làm thanh dầm bị uốn cong theo chiều dọc làm xuất hiện sức căng dọc và sức căng trượt. Trong các vi cảm biến lực dạng thanh dầm, độ lệch của thanh dầm nhỏ hơn nhiều so với chiều dài thanh dầm nên có thể bỏ qua sức căng trượt. Sự phân bố của ứng suất theo chiều dọc được mô tả định tính ở hình (1.5). Dưới tác dụng của lực F, sự phân bố mô-men dọc theo chiều dài của thanh dầm là không đồng đều: bằng không ở đầu tự do và đạt giá trị cực đại ở đầu cố định. Tại bất kỳ mặt cắt ngang nào của thanh dầm (phần mặt phẳng gạch chéo), ứng suất dọc đều thay đổi. Độ lớn của ứng suất tại bất kỳ điểm nào trên mặt cắt ngang đều tỷ lệ tuyến tính với khoảng cách đến trục chính. Trên mỗi mặt cắt ngang, độ lớn cực đại của ứng suất biến thiên tuyến tính với khoảng cách đến đầu tự do và đạt giá trị cực đại tại bề mặt phía trên hoặc phía dưới. Với L là chiều dài của thanh dầm; trục x bắt đầu từ đầu tự do đến đầu cố định; σ(x, h) là ứng suất thường tại bất kỳ tiết diện ngang (tại x) nào và có khoảng cách đến trục chính bằng h. Mô-men tổng cộng tương ứng với tiết diện ngang là tích của vùng lực tác dụng tại tiết diện ngang dA: Z M= Z h dF (x, h) = A h σx dA (1.2) A Trên toàn bộ thanh dầm, sức căng cực đại xảy ra ở đầu cố định, khi x = L. Trên thực tế, trong thiết kế, chỉ quan tâm đến sức căng cực đại hay ứng suất cực đại ở đầu cố 16 Hình 1.5: Phân bố ứng suất trên thanh dầm định. Sức căng cực đại được thể hiện như một hàm của mô-men tổng cộng: max = M F lt = t 2E I (1.3) Trong đó E là mô đun Young; t là độ dày của thanh dầm, I là mô-men quán tính của thanh dầm. Ứng suất cực đại: σmax = max E = F lt 2I (1.4) 17 1.2.2 Thanh dầm cantilever chữ L Thanh dầm cantilever hình chữ L được trình bày ở hình (1.6) có các kích thước như mô tả. Một đầu của thanh dầm là đầu ngàm, đầu kia tự do. Lực F tác dụng lên đầu tự do của thanh dầm. Hình 1.6: Thanh dầm cantilever chữ L 1.3 Các tiêu chí cho việc thiết kế vi cảm biến lực đa chiều Việc xây dựng các tiêu chí cho việc thiết kế cảm biến đa chiều được xem xét trên cơ sở đường cong chuẩn cảm biến, phương pháp chuẩn cảm biến và các yếu tố đặc trưng của cảm biến: độ nhạy, độ tuyến tính, sai số và độ chính xác [1]. 1.3.1 Đường cong chuẩn cảm biến Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = f (m), hoặc bằng đồ thị. Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Phương trình s = f (m) có dạng s = am + b với a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng được trình bày ở hình (1.7). 18 Hình 1.7: Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính 1.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn. Chuẩn đơn giản Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách: − Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao. − Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. Chuẩn nhiều lần