Đang tải... (xem toàn văn)
báo cáo về khảo sát đặc trưng và khả năng ứng dụng của cảm biến áp suất MEMS
BÀI THỰC TẬP CHUYÊN ĐỀ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS Mục đích Khảo sát cảm biến áp suất chế tạo theo cơng nghệ MEMS, sở thực toán sử dụng cảm biến áp suất: Bài toán cảnh báo áp suất Dụng cụ thực nghiệm • • • • • Buồng tạo áp suất Bơm khí Van xả Áp kế thuỷ ngân Các cảm biến • Mạch điều khiển A CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tổng quan MEMS Vào kỷ XX, thiết bị điện tử tích hợp với số lượng ngày lớn, kích thước ngày nhỏ chức ngày nâng cao Điều mang lại biến đổi sâu sắc mặt công nghệ lẫn xã hội Vào cuối năm 50 kỷ XX, cách mạng hố cơng nghệ micro diễn hứa hẹn tương lai cho tất ngành công nghiệp Hệ thống vi điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt MEMS đời phát triển giai đoạn Công nghệ vi tiến xa nhiều so với nguồn gốc công nghiệp bán dẫn MEMS bao gồm cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành vi điện tử tích hợp chip (on chip) Các linh kiện MEMS thường cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường hệ thống vi tích hợp chip mà kết hợp phần chuyển động với yếu tố sinh học, hoá học, quang điện Kết linh kiện MEMS đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc gia tốc Với ưu tạo cấu trúc học nhỏ bé tinh tế 63 nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cho phép tạo cảm biến (sensor), chấp hành (actuator) ứng dụng rộng rãi sống Các cảm biến siêu nhỏ tiện ích thay cho thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước Song công nghệ MEMS giai đoạn đầu cần nhiều nghiên cứu hơn, sâu Công nghệ chế tạo sản phẩm MEMS Các sản phẩm MEMS tích hợp vi mạch điện tử với linh kiện, chi tiết vi Mạch vi điện tử chế tạo phiến silic xu hướng chung lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo linh kiện vi theo kĩ thuật tương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình kỹ thuật khắc hình Tuy nhiên linh kiện mạch vi điện tử nằm mặt phẳng (công nghệ planar nghĩa phẳng) nhiều linh kiện vi phải thực thao tác dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo, bơm v.v… Do chúng khơng nằm mặt phẳng mà có phần, có hồn tồn tách khỏi mặt phẳng Mặt khác chi tiết vi phải làm vật liệu có tính chất thích hợp thí dụ có chi tiết cần đàn hồi lị xo, có chi tiết cần cứng, có chi tiết cần mềm dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánh sáng, có chỗ cần dẫn điện May mắn sở silic làm số vật liệu đáp ứng nhu cầu nói trên, thí dụ oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly - Si) dẫn điện được, nitrit silic (Si3N4) vừa cứng vừa đàn hồi Cũng dùng phương pháp bốc bay, phún xạ để tạo lớp chất đặc biệt lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi v.v…lên bề mặt silic khắc hình để chỗ có mặt phản xạ tốt dùng làm gương, chỗ có kim loại đàn hồi dùng làm lị so v.v… Có thể kể đến số phương pháp gia công chi tiết tiêu biểu công nghệ MEMS sau: Gia công vi khối Gia công vi khối lấy phần thể tích phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi Gọi gia công thực dùng phương pháp hố, lý để ăn mịn (tẩm thực) tạo phiến lỗ sâu, rãnh, chỗ lõm v.v minh hoạ hình 1.2 64 Hình 1.2 Minh hoạ cảm biến áp suất vi khối Để hình thành chi tiết phần cịn lại có hai cách phổ biến: Ăn mịn ướt: thường dùng phiếnvật liệu silic, thạch anh Đây q trình dùng dung dịch hố chất để ăn mịn theo diện tích định sẵn nhờ mặt nạ (mask) Các dung dịch hoá chất thường dùng silic dung dịch axit hỗn hợp axit HF, HNO3, CH3COOH, KOH Việc ăn mịn đẳng hướng (ăn mịn theo hướng) dị hướng (có hướng tinh thể ăn mịn nhanh, có hướng chậm) Ăn mịn khơ: ăn mịn khơ cách cho khí hố chất tác dụng thường nhiệt độ cao Hình dạng, diện tích hố ăn mịn xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc độ ăn mịn dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng dùng điện để tăng tốc độ ion tức tăng tốc độ viên đạn bắn phá Gia công vi bề mặt Thí dụ để phiến silic cần tạo dầm đa tinh thể silic đầu cố định, đầu tự làm theo giai đoạn sau: - Tạo lớp oxyt silic phiến silic - Dùng mặt nạ khoét (theo cách khắc hình) diện tích để sau gắn vào đầu cố định dầm 65 - Phủ lên toàn lớp đa tinh thể silic dùng mặt nạ để khắc hình khoét lớp silic đa tinh thể, chừa lại dầm - Nhúng toàn vào loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhưng khơng hồ tan silic) ta có dầm đa tinh thể đầu bám vào phiến silic, đầu tự Hình 1.3 Mơ tả dầm cộng hưởng gia cơng vi bề mặt Trong thí dụ có lớp chế tạo lớp SiO2 có vai trị giai đoạn gia cơng, sau lại hồ tan để loại bỏ Người ta gọi lớp hi sinh Hàn Để tạo chi tiết vi phức tạp, sâu, kín ống dẫn, bể ngầm thực việc gia công hai phiến hàn úp hai mặt gia công lại với Tạo hố bề mặt phiến cách ăn mịn thơng thường hàn lên phiến phiến khác để đậy hố lại Gọi hàn thực ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại dùng thêm lớp lót để tăng cường kết dính Gia cơng tia laze Có thể dùng tia laze để tạo chi tiết vi theo kiểu khoét lần lượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công chậm, khơng gia cơng đồng loạt Vì công nghệ MEMS cách gia công laze thường dùng để 66 làm khuôn Laze dùng laze eximơ đủ mạnh vật liệu để gia công thường chất dẻo, polymer Liga LIGA từ ghép chữ đầu Lithgraphie Galvanofruning und Abformung, tiếng Đức nghĩa khắc hình, mạ điện làm khn Đây kỹ thuật tạo hệ vi ba chiều hai chiều cách khắc hình bình thường Ở LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh nên sâu vào chất cảm đến hàng milimet Chất cảm thường dùng thuộc loại acrylic viết tắt PMMA Thông qua chỗ bị khoét thủng khuôn, tia X chiếu vào lớp cảm theo diện tích định, làm biến chất chất cảm có tia X chiếu đến bị hồ tan Vì kỹ thuật LIGA người ta thường dùng lớp chất cảm dày, tia X mạnh nên tia X sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm, chí hàng nghìn micromet nhờ sau nhúng vào dung dịch, chỗ chất cảm bị hồ tan sâu, hình khắc thực ba chiều hai chiều quang khắc thông thường Ứng dụng cảm biến MEMS Tuy MEMS đời chưa lâu có nhiều ứng dụng góp phần khơng nhỏ vào phát triển đời sống xã hội Các ứng dụng phổ cập: Các ứng dụng phổ cập công nghệ MEMS ngành cơng nghiệp tóm tắt sau: Sensor áp suất: Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu chức đo đạc khác khác ôtô, thiết bị đo huyết áp ứng dụng dân dụng khác Sensor gia tốc gyroscope: Túi khí ôtô, thiết bị định hướng cho tên lửa phương tiện vận tải Hiển thị: Các hình độ phân giải cao dùng vi gương cho thiết bị điện tử 67 Đầu phun mực: Hàng trăm triệu chip phun mực năm cho máy in laser đen trắng mầu Các sensor hoá học: Cho mục đích y tế y sinh học Chuyển mạch cho thơng tin quang sợi: Internet, truyền hình thông tin giải rộng dùng cáp quang Vi van: Các hệ sắc kế khí cực nhỏ sử dụng dãy vi van Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơle ứng dụng chiều, xoay chiều vô tuyến Vi cảm biến áp suất Trong số ngành công nghiệp khác cảm biến áp suất ứng dụng nhiều nhiều lĩnh vực Đó thiết bị cung cấp lượng thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân, cần phải đo theo dõi áp suất cách liên tục áp suất vượt ngưỡng gây nhiều hậu nghiêm trọng đến sở vật chất tính mạng người cảm biến áp suất quan trọng đời sống Trong y tế có nhiều ứng dụng cảm biến MEMS dùng đo huyết áp, nhịp tim đo nồng độ máu từ xa 1.1.1 Khái niệm áp suất Khi chất lỏng hay khí chứa bình chứa, chuyển động nhiệt hỗn loạn, phân tử vật chất tác dụng lên thành bình lực Nếu ta xét lực đơn vị diện tích ta có khái niệm áp suất Như áp suất định nghĩa lực tác dụng vng góc lên đơn vị diện tích xác định theo cơng thức sau: P= F S Trong F lực tác dụng, có đơn vị Newton (N); S diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị m2 Trong hệ SI áp suất có đơn vị N/m2 Đơn vị dẫn xuất áp suất pascal (Pa), 1pascal tương đương với áp suất đồng dạng lực Newton tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích 1mPP2P 68 (1Pa=1N/1mP2 P) Áp suất 1Pa tương đối nhỏ, công nghiệp người ta thường P dùng đơn vị áp suất bar (1 bar = 10PP5 PPa) Một đơn vị hay dùng y tế mmHg hay torr Bảng đưa mối quan hệ tương đối đơn vị đo áp suất hay sử dụng Bảng Quan hệ đơn vị đo áp suất Đơn vị đo áp suất pascal(Pa) bar(b) g/cm2 pascal 10-5 1,02.10-5 bar 105 P P P P Atmosphe P 0,9869.10-5 mmHg P P 0,75.10-2 P P P P mbar 10-2 P P P 1,02 0,9869 750 1000 1kg/cm2 98.103 0,980 0,986 735 980 atmosphe 101325 1,013 1,033 760 1013 1g/cm2 98 98.10-5 10-3 0,968.10-3 0,735 0,98 1mmHg 133,3 13,33.10-4 1,333 1mbar 100 1.10-3 0,750 P P P 1.1.2 P P P P P P P P P P P P P 1,36.10-3 1,315.10-3 P P 1,02.10-3 P P P P 0,9869.10-3 P P Nguyên tắc phương pháp đo áp suất Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, nhiều loại cảm biến áp suất đời Để đo áp suất người ta đo lực F tác dụng lên diện tích S thành bình phân chia hai mơi trường, mơi trường chứa chất lưu đối tượng cần đo áp suất Có thể chia làm trường hợp chính: Đo áp suất lấy qua lỗ có diện tích hình trịn khoan thành bình Đo trực tiếp biến dạng thành bình ỏp sut gõy nờn 69 Đầu bịt kín ống thuỷ tinh 670mmHg Hight Để đo áp suất, trước người ta sử dụng áp suất kế Torricelli Hình mơ tả áp suất kế Torricelli Áp suất kế Torricelli ống thuỷ tinh bịt kín, đầu phía úp xuống bể đựng thuỷ ngân (Hg) Lúc áp suất tác dụng lên bề mặt thuỷ ngân bể độ lớn cột thuỷ ngân ống Đơn vị đo áp suất sử dụng áp suất kế mmHg (1atm = 760mmHg ) Thđy ng©n atm atm Đầu hở Hỡnh p sut k torricelli Đo cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào áp suất thành tín hiệu điện đầu chứa thông tin liên quan đến giá trị áp suất cần đo thay đổi theo thời gian Trong cách đo trích lấy áp suất qua lỗ nhỏ, phải sử dụng cảm biến đặt gần sát thành bình Sai số phép đo nhỏ với điều kiện thể tích chết kênh dẫn cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng chất lưu cần đo áp suất Trong trường hợp đo trực tiếp, người ta gắn lên thành bình cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng thành bình Biến dạng hàm áp suất Trong trường hợp đo cảm biến áp suất, vật trung gian thường phần tử đo lực có thơng số, thí dụ thơng số hình học, thơng số có khả thay đổi tác dụng lực F = P.S Phổ biến sử dụng màng Màng (diaphragm) mỏng (thường chất bán dẫn) có khả bị biến dạng có áp suất đặt lên Khi áp suất bên tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào chênh lệch áp suất cần đo áp suất chuẩn so sánh mà màng bị biến dạng, độ biến dạng màng phụ thuộc vào độ lớn áp suất tác dụng vào Cảm biến áp suất kiểu màng có số cấu trúc sau: Cảm biến áp suất tuyệt đối (hình 2.a) Cảm biến áp suất tương đối (hình 2.b) Cảm biến áp suất vi sai (hình 2.c) Hình Các loại cảm biến áp suất kiểu màng a) Cảm biến áp suất tuyệt đối b) Cảm biến áp suất tương đối c) Cảm biến áp suất vi sai 70 Nói chung, ba loại cảm biến hoạt động theo nguyên lý so sánh áp suất cần đo với áp suất khác, thường biết trước, áp suất chuẩn Với cảm biến áp suất tuyệt đối, áp suất cần đo so sánh với áp suất chân không, cịn cảm biến áp suất tương đối áp suất cần đo so sánh với áp suất khí Bằng nhiều cách khác người ta biến đổi độ biến dạng màng thành tín hiệu điện thông qua biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung sử dụng hiệu ứng áp điện, dao động điện, dùng phương pháp quang điện, dùng phương pháp transistor áp điện… Trong cơng nghệ MEMS có phương pháp sử dụng rộng rãi cảm biến kiểu tụ điện (capacitive) cảm biến kiểu áp trở (piezoresistive) trình bày 1.1.3 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có nguyên lý hoạt động đơn giản Điện dung tụ thay đổi cách tác động lên thông số làm thay đổi điện trường hai vật dẫn tạo thành hai cực tụ Một hai tụ nối học với vật trung gian chịu tác động áp suất cần đo Nếu vật trung gian màng mỏng điện dung tụ thay đổi theo dịch chuyển tâm màng bị áp suất tác dụng Hình mơ tả cảm biến áp suất dùng chuyển đổi điện dung Trong chế tạo cảm biến áp suất hiệu ứng áp trở sử dụng phổ biến Nguyên lý hoạt động phương pháp chế tạo vi cảm biến áp suất kiểu màng hiệu ứng áp điện trở trình bày tiếp sau 1.1.4 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở Trên sở hiệu ứng áp trở vật liệu silicon, nhiều loại vi cảm biến chấp hành 71 Hình Cấu trúc cảm biến áp điện trở phát triển với tính ứng dụng khác Nguyên lý làm việc chung vi cảm biến loại dựa thay đổi độ biến dạng cấu trúc màng hay cấu trúc dầm (gọi chung phần tử nhạy cơ) chuyển thành tín hiệu điện tương ứng nhờ áp điện trở cấy phần tử nhạy Khi phần tử nhạy vi cảm biến bị uốn cong, áp điện trở thay đổi giá trị Độ nhạy vùng làm việc tuyến tính vi cảm biến phụ thuộc nhiều vào kích thước cấu trúc cơ, dạng kích thước áp điện trở, vị trí áp điện trở phần tử nhạy Cấu trúc cảm biến áp suất hình Cảm biến chế tạo đế Silic loại n có định hướng bề mặt {100}, phương pháp ăn mòn điện hố, màng silicon với kích thước bề dày thay đổi tạo ra, màng nhạy với tín hiệu áp suất Sau đó, bốn điện trở đặt lên màng silicon trung điểm cạnh hình vng phương pháp khuếch tán Boron từ nguồn tạp phương pháp cấy ion tạo thành cầu Wheatstone Các điện trở đặt cách xác cụ thể hai điện trở đặt song song với cạnh màng, hai điện trở lại đặt vng góc với cạnh màng Các cạnh màng có định hướng {110} Khi khơng có áp suất đặt lên màng, cầu điện trở trạng thái cân bằng, điện lối lúc Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng bị biến dạng, áp lực phân bố màng bị thay đổi Do hiệu ứng áp điện trở, giá trị điện trở mạch cầu bị thay đổi, cụ thể điện trở song song với cạnh màng có giá trị giảm điện trở vng góc với cạnh màng tăng giá trị ngược lại Kết cầu bị cân điện áp lối khác Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên độ lớn tín hiệu lối phụ thuộc vào áp suất Bằng cách đo điện lối ta đo độ lớn tương ứng áp suất tác dụng lên màng Cảm biến áp suất loại cảm biến thường dùng cơng nghiệp Trong y tế cảm biến áp suất thường sử dụng để đo áp suất máu động mạch tĩnh mạch Ưu điểm lớn cảm biến áp suất vi điện tử độ nhạy Cụ thể dải điện áp thấp, độ nhạy cảm biến thay đổi khoảng từ 0,1 đến 3mV/mbar phụ thuộc dạng hình học màng cường độ dịng điện, dải áp suất từ khoảng vài trăm mbar đến hàng trăm bar, độ 72 nhạy thay đổi từ 0,2 đến 12,5mV/bar Một ưu điểm kích thước cảm biến chế tạo theo công nghệ MEMS nên kích thước nhỏ, thuận tiện sử dụng thiết bị B PHẦN THỰC NGHIỆM Dụng cụ thiết bị thực nghiệm Hình Thành phần thí nghiệm gồm • Buồng tạo áp suất • Bơm khí • Van xả • Áp kế thuỷ ngân • Các cảm biến • Mạch điều khiển Áp suất buồng chia tới cảm biến, van khí, áp kế thuỷ ngân thơng qua hệ thống dẫn khí Áp suất buồng tạo nên nhờ hệ thống mô tơ 73 bơm van xả Mô tơ bơm van xả điều khiển công tắc Van xả xả từ từ xả hết cỡ 74 Vi cảm biến áp suất MPX10 Trong thực tập này, cảm biến áp suất sử dụng cảm biến MPX10 Đây sản phẩm hãng Motorola, chế tạo dựa nguyên lý áp trở theo cơng nghệ MEMS Cảm biến có điện áp lối tỉ lệ tuyến tính với áp suất lối vào độ xác cao Một số thơng số MPX10 đưa bảng Bảng Một số đặc tính MPX10 Đặc tính Dải áp suất cho phép lối vào Điện áp nguồn nuôi Dòng điện cung cấp Dải điện áp lối Độ lệch(offset) điện áp lối Độ nhạy Độ tuyến tính Hệ số nhiệt điện áp lối Hệ số nhiệt điện áp lệch Hệ số nhiệt trở kháng lối vào Trở kháng lối vào Trở kháng lối Thời gian đáp ứng (10%-90%) Ký hiệu POP Vs i0 VFSS VOff ∆V/∆P TCVFSS TCVoff TCR Zin Zout TR B Min 20 -1.0 -0,22 0.28 400 750 - B B B B B B B B B B B B B B B B B Typ 3.0 6.0 35 20 3.5 ±15 1.0 Max 10 6.0 50 35 1.0 -0.16 0.34 550 1250 - Đơn vị Kpa Vdc mAdc mV mV mV/kPa %VFSS %VFSS/°C µV/°C %Zin/°C Ω Ω ms B B B B B B Hình biểu diễn đặc tính tuyến tính điện áp lối theo áp suất đặt vào Việc sử dụng cảm biến, vị trí, vai trị cảm biến khảo sát kỹ Hình Đáp ứng Điện áp – áp suất cảm biến MPX10 75 Vi cảm biến áp suất MPX50 Cảm biến MPX50 ví dụ điển hình linh kiện MEMS MPX50 có phần cảm biến phần mạch điện tích hợp vỏ Phần cảm biến MPX10 có cấu trúc cầu trở tương tự MPX10 Điểm khác biệt lối MPX50 mức điện áp 0-5v thân bên cảm biến có mạch điện khuyếch đại dịch mức Sơ đồ khối cấu trúc MPX50 trình bày hình7 Hình Cấu trúc bên MPX50 Một số thông số MPX50 cho bảng sau Đặc tính Dải áp suất cho phép lối vào Điện áp nguồn ni Dịng điện cung cấp Dải điện áp lối Độ lệch(offset) điện áp lối Độ nhạy Độ tuyến tính Thời gian đáp ứng (10%-90%) Ký hiệu POP Vs i0 VFSS VOff ∆V/∆P TR B Min 4.75 0.088 - B B B B B B B B - B Typ 5.0 7.0 0.20 45 1.0 Max 100 5.25 10 4.7 0.313 ±2.5 - Đơn vị Kpa Vdc mAdc Vdc Vdc mV/kPa %VFSS ms Đường đặc trưng MPX50 đựợc hình Hình 8Đường đặc trưng điện áp lối theo áp suất đặt vào MPX50 76 B B Khảo sát cảm biến áp suất vi địên tử 4.1 Khảo sát cấu trúc cầu trở cảm biến (Khảo sát cân cầu có áp suất tác dụng) − Cấp nguồn nuôi cho cảm biến (nguồn, đất) − Không cho áp suất tác dụng vào cảm biến − Đo lối Ura = +Vout - -Vout Cho áp suất tác dụng − Nhận xét loại cảm biến áp suất (cảm biến loại nao, tuyệt đối, tương đối hay vi sai?) 4.2 Xây dựng đường đặc trưng cảm biến: Đặt áp suất lên cầu (bằng cách sử dụng bơm áp suất van xả), đo điện áp phụ thuộc điện áp lối cầu theo áp suất đặt vào theo bảng sau: Áp suất 10 (mmHg) Điện áp (mV) Áp suất 90 (mmHg) Điện áp (mV) 20 30 40 50 60 70 80 100 110 120 130 140 150 160 Vẽ đường đặc trưngđiện áp lối theo áp suất đặt vào Nhận xét kết 4.3 Khảo sát đường đặc trưng: -Khảo sát dải đo cảm biến, độ nhạy Tăng (giảm) áp suất lên từ từ Quan sát điện áp đồng hồ rút kết luận độ nhạy cảm biến Độ nhạy cảm biến trường hợp tăng/giảm áp suất có khác biệt? -Khảo sát tính ổn định cảm biến Lặp lại thí nghiệm để khẳng định độ ổn định cảm biến 77 -Khảo sát phụ thuộc vào nhiệt độ cảm biến: Thay đổi nhiệt độ môi trường cách dùng đèn chiếu vào cảm biến thời gian khảo sát lại đường đặc trưng cảm biến Rút nhận xét ảnh hưởng vào nhiệt độ cảm biến Xây dựng ứng dụng cụ thể sử dụng cảm biến áp suất MPX50 Cảm biến áp suất sử dụng nhiều ứng dụng trong: cơng nghiệp, y tế… Hình 10 mơ hình toán đo sức bền vật liệu Hệ gồm có cấu thủy lực để tác dụng lực cố ý lên vật mẫu để đo khả chịu lực vật liệu Lực tác dụng đo nhờ ảm biến áp suất đo áp suất nén hệ thống thủy lực Cảm biến áp suất phải xác định xác lực tác dụng lên vật liệu thời điểm vật liệu bị phá hủy (vượt ngưỡng chịu đựng vật mẫu) Một ứng dụng phổ biến cảm biến áp suất sử dụng y tế để đo huyết áp bệnh nhân Trong máy đo huyết áp phần tử cảm biến cảm biến áp suất Cảm biến áp suất thu thập liệu áp suất thu qua bao khí quấn quanh bắp tay bệnh nhân để từ qua trình xử lý rút thơng số huyết áp cao nhất, thấp nhịp tim Hình 10 Bài toán thử sức bền vật liệu Một ứng dụng cảm biến áp suất hay gặp công nghiệp tốn cảnh báo áp suất (chẳng hạn áp suất nồi hơi) Trong thực tập sinh viên thực toán cảnh báo áp suất dựa cảm biến áp suất MPX50 Hình sơ đồ tổng quan hệ thống Hình 11 mạch điện điều khiển ghép nối 78 Hình 11 Mạch ghép nối Áp suất buồng áp suất đưa tới cảm biến MPX50 Lối cảm biến đưa tới ADC 0804 Số liệu từ lối 0804 đựơc thu thập vi điều khiển Vi điều khiển kết nối với máy tính thơng qua giao diện nối chuẩn RS232 Sinh viên lấy đựợc giá trị cách gửi cổng nối tiếp byte có giá trị = 0x01 Vi điều khiển sau nhận byte gửi trả giá trị thu từ ADC Van an tồn mở cách gửi qua cổng nối tiếp byte có giá trị = 0x02 Áp suất buồng tăng lên hay giảm nhờ hệ thống bơm áp suất van xả Sinh viên phải thực giám sát áp suất buồng cảnh báo áp suất áp suất vượt ngưỡng đặt trước van an toàn mở áp suất buồng vượt ngưỡng cho phép Byte Hướng Ý nghĩa 0x01 PC-> MP Yêu cầu gửi giá trị thu từ ADC 0x02 PC->MP Yêu cầu xả van khí 0x03 PC->MP Yêu cầu khởi phát ADC 0x03 MP->PC Báo ADC biến đổi xong Lưu đồ thực đọc giá trị biến đổi ADC: 1.Khởi phát trình biến đổi ADC 2.Đợi ADC biến đổi xong 3.Yêu cầu gửi liệu Việc giao tiếp máy tính vi điều khiển thực phương thức truyền thông nối chuẩn RS 232 Lý thuyết truyền thông nối tiếp trình bày kỹ giáo trình cấu trúc máy tính, sinh viên tham khảo Trong tài liệu nhắc lại số kiến thức để giúp sinh viên thực giao tiếp với vi điều khiển qua cổng COM Các chân cổng nối tiếp: 79 DB25 Chân số DB9 Chân số Viết tắt Tên đầy đủ Pin Pin TD Transmit Data Pin Pin RD Receive Data Pin Pin RTS Request To Send Pin Pin CTS Clear To Send Pin Pin DSR Data Set Ready Pin Pin SG Signal Ground Pin Pin CD Carrier Detect Pin 20 Pin DTR Data Terminal Ready Pin 22 Pin RI Ring Indicator Table : D Type Pin and D Type 25 Pin Connectors Sơ đồ kết nối hai thiết bị đầu cuối Địa cổng nối tiếp Trong máy tính có khơng phải cổng nối tiếp Tùy phần cứng máy tính mà cổng COM có địa xác định Thơng thường ta sử dụng cổng COM1 COM2 Địa số COM khác cho Tên Địa sở IRQ COM 3F8 COM 2F8 COM 3E8 COM 2E8 Table : Standard Port Addresses Chương trình viết ngôn ngữ C cho ta địa sở cổng com mong muốn #include #include CONST Max = 10; void main(void) { 80 unsigned int far *ptraddr; */ unsigned int address; int a; /* Pointer to location of Port Addresses /* Address of Port */ ptraddr=(unsigned int far *)0x00000400; for (a = 0; a < Max; a++) { address = *ptraddr; if (address == 0) printf("No port found for COM%d \n",a+1); else printf("Address assigned to COM%d is %Xh\n",a+1,address); *ptraddr++; } } Các ghi sử dụng địa chúng đưa bảng sau Địa sở DLAB Read/Write Viết tắt Tên gọi =0 Write - Transmitter Holding Buffer =0 Read - Receiver Buffer =1 Read/Write - Divisor Latch Low Byte =0 Read/Write IER Interrupt Enable Register =1 Read/Write - Divisor Latch High Byte - Read IIR Interrupt Identification Register - Write FCR FIFO Control Register +3 - Read/Write LCR Line Control Register +4 - Read/Write MCR Modem Control Register +5 - Read LSR Line Status Register +6 - Read MSR Modem Status Register +7 - Read/Write - Scratch Register +0 +1 +2 DLAB Bit DLAB bít thứ ghi điều khiển đường truyền Khi bít đặt ghi: ghi có địa địa sở ghi có địa địa sở +1 lưu trữ giá trị số chia xác định tốc độ truyền thông (tốc độ baud) cổng nối tiếp (thanh ghi có địa địa sở lưu byte thấp, ghi có địa = địa sở +1 lưu byte cao) Bằng cách thiết lập giá trị cho ghi này, ta có tốc độ truyền mong muốn Bảng số giá trị thường dùng 81 Tốc độ Baud (BPS) số chia (Dec) Byte cao số chia Byte thấp số chia 50 2304 09h 00h 300 384 01h 80h 600 192 00h C0h 2400 48 00h 30h 4800 24 00h 18h 9600 12 00h 0Ch 19200 00h 06h 38400 00h 03h 57600 00h 02h 115200 00h 01h Trong thực tập này, tốc độ truyền thông sử dụng 9600 Thanh ghi điều khiển đường truyền: Line Control Register (LCR) Ý nghĩa bít ghi cho bảng Bit Divisor Latch Access Bit Bit Cho phép ghi đệm nhận, truyền cho phép ngắt Set Break Enable Bits 3, Bit Bit Bit Parity Select And X X No Parity Odd Parity 1 Even Parity 1 High Parity (Sticky) Bit 1 Low Parity (Sticky) Số bít STOP Bits And 1 bít Stop bít STOP độ dài liệu 6,7 or bít 1.5 bít STOP chiều dài liệu bit Bit Bit Xác định chiều dài liệu 0 Bít Bít Bít 1 Bít 82 Trong thực tập này, khung truyền có dạng: bít liệu, bít Stop, khơng có bít chẵn lẻ Thanh ghi trạng thái đường truyền: Line Status Register (LSR) Ý nghĩa bít: Bit Notes Bit Cố lỗi đệm nhận Bit Bộ đệm nhận rỗng Bit Bộ đệm truyền rỗng Bit Break Interrupt Bit Lỗi khung truyền Bit Lỗi chẵn lẻ Bit Overrun Error Bit Dữ liệu sẵn sàng đệm nhận Thanh ghi trạng thái modem: Modem Status Register (MSR) Bit Notes Bit Carrier Detect Bit Ring Indicator Bit Data Set Ready Bit Clear To Send Bit Delta Data Carrier Detect Bit Trailing Edge Ring Indicator Bit Delta Data Set Ready Bit Delta Clear to Send Thủ tục khởi tạo cổng truyền thông nối tiếp máy tính: Xác định tốc độ baud Định dạng khung truyền outportb(PORT1 + , 0x80);/* SET DLAB ON */ outportb(PORT1 + , 0x03);/* Set Baud rate - Divisor Latch Low Byte */ /* Default 0x03 = 38,400 BPS */ /* 0x01 = 115,200 BPS */ /* 0x02 = 57,600 BPS */ /* 0x06 = 19,200 BPS */ /* 0x0C = 9,600 BPS */ /* 0x18 = 4,800 BPS */ 83 /* 0x30 = 2,400 BPS */ outportb(PORT1 + , 0x00);/* Set Baud rate - Divisor Latch High Byte*/ outportb(PORT1 + , 0x03); /* Bits, No Parity, Stop Bit */ Thủ tục xuất byte cổng nối tiếp: Kiểm tra đệm truyền Nếu đềm truyền rỗng: viết byte cần xuất vào ghi đệm truyền outportb(PORTAddr, ch);} /* Send Char to Serial Port */ Thủ tục đọc byte từ cổng nối tiếp: kiểm tra có liệu sẵn sàng đệm nhận không Nếu sẵn sàng, đọc giá trị ghi đệm nhận c = inportb(PORTAddr + 5); /* Check to see if char has been*/ /* received */ if (c & 1) {ch = inportb(PORTAddr); /* If so, then get Char */ printf("%c",ch);} /* Print Char to Screen */ Nhiệm vụ sinh viên: Viết chương trình thực hiện: Hiển thị áp suất buồng áp suất thời điểm Cho ngưỡng cảnh báo 400mmHg ngưỡng nguy hiểm 450 mmHg Viết chương trình cảnh báo áp suất vượt ngưỡng cảnh báo mở van an toàn áp suất vượt ngưỡng nguy hiểm C TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngô Diên Tập, “Vi điều khiển AVR”, NXB KHKT 2003 Mohamed Gad-el-Hak, “The MEMS handbook”, CPR Press, New York, 2002 digchip.com/datasheets/parts/datasheet/311/MPX50.php 84 85 ... diễn đặc tính tuyến tính điện áp lối theo áp suất đặt vào Việc sử dụng cảm biến, vị trí, vai trò cảm biến khảo sát kỹ Hình ? ?áp ứng Điện áp – áp suất cảm biến MPX10 75 Vi cảm biến áp suất MPX50 Cảm. .. 2.a) Cảm biến áp suất tương đối (hình 2.b) Cảm biến áp suất vi sai (hình 2.c) Hình Các loại cảm biến áp suất kiểu màng a) Cảm biến áp suất tuyệt đối b) Cảm biến áp suất tương đối c) Cảm biến áp suất. .. thời gian khảo sát lại đường đặc trưng cảm biến Rút nhận xét ảnh hưởng vào nhiệt độ cảm biến Xây dựng ứng dụng cụ thể sử dụng cảm biến áp suất MPX50 Cảm biến áp suất sử dụng nhiều ứng dụng trong: