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.1 trình bày mô hình vi cảm biến lực đa chiều.2 trình bày cấu trúc thanh dầm vi cảm biến lực đa chiều.3 trình bày các tiêu chí thiết kế vi cảm biến.1 Mô hình vi cảm biến lực đa chiều 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.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.2: Mô hình vi cảm biến lực 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) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 ).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.2 Vi cảm biến lực đa chiều dạng thanh dầm can- tilever 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 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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.
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 Z M= h dF (x, h) = h σx dA (1.2) A 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5: Phân bố ứng suất trên thanh dầm định. Sức căng cực đại được thể hiện như một hàm của mô-men tổng cộng: M F lt max = = (1.3) t 2E I 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: F lt σmax = max E = (1.4) 2I LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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.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].