Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến vận tốc góc lưu chất

MEMS silicon cảm biến vận tốc góc đã thu hút rất nhiều sự chú ý vì phạm vi ứng dụng rộng rãi của nó. Hầu hết các cảm biến vận tốc góc có nguyên lý làm việc dựa trên hiệu ứng Coriolis từ chuyển động tham chiếu của khối nặng. Cảm biến vận tốc góc cao cấp sử dụng laser vòng và cảm biến sợi quang khó có thể đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng đo vận tốc góc phổ biến vì chi phí và năng suất của nó. Điều này làm cho cảm biến vận tốc góc dạng rung trở thành một giải pháp hấp dẫn với hàng loạt minh chứng. Các cảm biến vận tốc góc dạng rung công nghệ MEMS được quan tâm thiết kế để có thể đo được nhiều thành phần của vận tốc góc. Bên cạnh những lợi thế, bộ phận chuyển động của các thiết bị khá dễ vỡ do dao động của các phần tử khối nặng gây ra và bị ảnh hưởng bởi khí ép, vì vậy các thiết bị này thường được hút chân không mặc dù điều này làm cho quá trình chế tạo phát sinh thêm chi phí.

Mặc dù với những cải thiện gần đây về mặt thiết kế và công nghệ chế tạo, các bất lợi nói trên đã được khắc phục đáng kể bởi quy mô sản xuất lớn nhưng suất đầu tư ban đầu lớn và thời gian để thử nghiệm các thiết bị mẫu dài có thể trì hoãn quá trình từ ý tưởng lý thuyết cho tới các sản phẩm thực tế. Ngược lại, cảm biến vận tốc góc lưu chất không sử dụng các khối nặng do đó nó không mắc phải những bất lợi tương tự. Cảm biến vận tốc góc lưu chất duy trì một dòng khí liên tục trong thiết bị và cảm nhận vận tốc góc bằng cách phát hiện sự lệch của dòng chảy dựa vào hiệu ứng Coriolis nhưng do chuyển động tham chiếu của dòng lưu chất thay vì các cấu trúc rắn của các khối nặng. Do đó, vấn đề quan trọng nhất trong cảm biến vận tốc góc lưu chất chính là tạo ra được dòng khí hay chất lỏng dạng nón (dạng côn) jet-flow có khả năng chuyển động tự do trong không gian tương tự như các thành phần của cấu trúc rắn, sự di chuyển này có thể tồn tại dưới hai dạng: dòng lưu chất trực tiếp liên tục hoặc dòng lưu chất xen kẽ luân phiên. Cảm biến quán tính lưu chất là một nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực phát triển cảm biến quán tính MEMS. Thêm nữa chi phí luôn là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu phát triển. Tuy cảm biến cơ khí MEMS đem lại lợi ích lớn, nhưng yêu cầu sự đầu tư ban đầu rất lớn cho thiết bị chế tạo. Vì vậy, tham gia nghiên cứu và phát triển vi cảm biến quán tính cần được tiếp cận một cách linh hoạt dựa trên thực tế kỹ thuật và tiềm lực tài chính của cơ sở nghiên cứu. Đối với điều này, phát triển cảm biến quán tính lưu chất có lợi thế lớn vì đòi hỏi sự đầu tư ban đầu khiêm tốn hơn nhiều. Tuy nhiên, thiết kế cảm biến lưu chất là đề tài có nhiều thách thức vì bản chất bất ổn định của lưu chất so với chất rắn. Quan sát thực nghiệm chất lỏng, đặc biệt trong các vi thiết bị, rất khó khăn.

Vì những lý do này, mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) đã trở thành một công cụ mạnh mẽ và không tốn kém để nghiên cứu thiết kế cảm biến lưu chất. Dòng chảy jet-flow là một tham số quan trọng trong hoạt động của cảm biến và việc tạo ra dòng chảy jet flow trong một vi cấu trúc là khó khăn và thách thức lớn nhất trong nghiên cứu thiết kế vi cảm biến. Để đảm bảo độ nhạy cao của vi cảm biến, dòng chảy jet flow phải ổn định do đó nhóm nghiên cứu do TS. Phan Thanh Hòa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đứng đầu đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến vận tốc góc lưu chất”.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là chế tạo thử nghiệm cảm biến vận tốc góc lưu chất ở kích thước tối thiểu cỡ chục mm, có thể đo được vận tốc góc theo ba bậc tự do trên cơ sở của thiết kế đã được nhóm nghiên cứu chúng tôi mô phỏng thành công bằng mô phỏng động lực học lưu chất CFD. Đo lường và đánh giá các tham số hoạt động của cảm biến theo thiết kế để chứng minh rằng cảm biến lưu chất được chế tạo hoàn toàn có khả năng đo được đồng thời các thành phần vận tốc góc trên ba trục.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, nhóm đề tài đưa ra kết luận như sau:

Đây là lần đầu tiên, một thiết bị có thể tạo ra được bốn dòng micro-jet từng đôi một vuông góc với nhau tuần hoàn liên tục sử dụng màng áp điện PZT. Đặc tính của dòng khí chảy trong thân cảm biến đã được chứng minh bằng cả mô phỏng và thí nghiệm. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm chỉ ra rằng các dòng khí đồng nhất được tạo ra trong bốn buồng cảm biến.

Thiết bị cảm biến vận tốc góc mẫu được đề tài chế tạo bằng phương pháp in 3D bằng vật liệu nhựa cứng PMMA. Các kênh dẫn khí cũng như các buồng cảm biến được ghép chặt với nhau nhờ cấu trúc nắp đực-cái để tránh dò khí ra bên ngoài. Màng áp điện PZT được gắn phía trên buồng bơm nhờ keo epoxy để tạo buồng bơm kín.

Hiệu năng hoạt động của thiết bị có thể được tùy biến hoặc là bằng các tham số lưu chất hoặc điện áp kích hoạt của màng áp điện hoặc các tham số truyền nhiệt như dòng đốt nóng cho hotwire. Vì dòng lưu chất bên trong thân cảm biến có thể đo được một cách định lượng thông qua các dây nhiệt điện trở hotwire gắn bên trong thiết bị, do đó hệ thống đảm bảo sự chắc chắn và sẵn sàng để sử dụng.

Độ nhạy xuyên trục, ảnh hưởng của gia tốc tuyến tính, điện áp kích hoạt của màng dao động, dòng đốt nóng hotwire cũng như vị trí đặt dây hotwire trong hoạt động của cảm biến vận tốc góc đã được đo đạc và phân tích. Ví dụ, thiết bị đã được đo tới vận tốc góc 1900 vòng/phút, và độ phân giải của thiết bị là 0.26μV s/˚ và độ nhay xuyên trục là 1.2%.

Các kết quả thí nghiệm và mô phỏng thiết bị trên bàn xoay cho thấy khả năng của thiết bị hoạt động như một cảm biến vận tốc góc lưu chất hai bậc tự do. Ngoài ra, việc bố trí các dây hotwire trong các cặp buồng cảm biến với các điện áp đầu ra đối xứng làm cho việc cải nâng cấp hoạt động của cảm biến dễ dàng thông qua các mạch điện tử bên ngoài. Cuối cùng, vì cảm biến được lắp ráp từ các phần phẳng nên nó thích hợp với các phương pháp vi chế tạo truyền thống, đơn giản như in 3D, làm giảm giá thành chế tạo đi đáng kể.

Như vậy, đề tài đã nghiên cứu và chế tạo thành công mẫu cảm biến vận tốc góc lưu chất kích thước cỡ milimet. Kết quả nghiên cứu của đề tài đã được công bố trên 04 tạp chí ISI uy tín, 01 bài báo trong nước và 04 bài đăng tại ký yếu hội thảo quốc tế NEMS 2018 tại Singapo.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15761/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)