Cảm biến gia tốc là gì

Bất kể là bạn đang nghe điện thoại (cầm smartphone theo chiều dọc) hay xem video (đặt theo chiều ngang) thì các thiết bị thông minh đều có thể nhận diện được hướng xoay của máy. Chắc hẳn bạn đã biết rằng "thành tựu" này là nhờ có cảm biến gia tốc, song bạn có thực sự hiểu cách hoạt động của cảm biến này?

Khả năng nhận diện chiều xoay của smartphone/tablet là nhờ có cảm biến gia tốc. Trước hết, hãy cùng đến với một ví dụ đơn giản.

Housing: Khoang chứa. Seismic Mass: Khối lượng chuyển động

Hãy nhìn vào khoang chứa hình trụ có chứa quả bóng gắn lò xo phía trên. Đây là một mô hình cảm biến gia tốc khá căn bản. Khoang chứa hình trụ này được gắn liền vào vật thể mà bạn cần đo gia tốc, còn quả bóng là vật có thể di chuyển một chiều bên trong khoang chứa. Khi bạn di chuyển khoang chứa, quả bóng cũng sẽ di chuyển bên trong khoang chứa, khiến lò xo co hoặc dãn ra. Dựa vào độ co dãn của lò xo, bạn có thể đoán biết được lực và gia tốc của chuyển động.

Nếu sử dụng 3 cảm biến gia tốc đơn giản phía trên đặt trên 3 chiều X, Y, Z, bạn có thể dễ dàng đo được chuyển động của vật thể trong không gian.

Cảm biến gia tốc trên smartphone không sử dụng lò xo hay các quả bóng có khối lượng lớn, nhưng cũng hoạt động trên cùng một nguyên lý: Đo chuyển động của một vật thể bên trong khoang chứa được gắn với vật cần đo gia tốc (smartphone).

Dưới đây là mô hình cảm biến gia tốc smartphone. Vật thể chuyển động được đo đạc trong cảm biến smartphone sẽ là chiếc "lược thưa" màu xanh nhạt trong hình vẽ:

Khoang chứa chính là toàn bộ khoảng màu trắng, còn "quả bóng" là vật thể màu xanh nhạt có hình hơi giống chiếc lược.

Lò xo trong cảm biến smartphone sẽ là lớp silicon đi dọc chiếc lược thưa này. Nếu bạn đo được chuyển động của lớp silicon dọc này, bạn có thể đo được chuyển động của smartphone.

Housing: Khoang chứa được gắn với smartphone. Seismic Mass: Khối lượng chuyển động, ở đây là "chiếc lược" màu xanh trong cảm biến.

Vậy làm thế nào để đo chuyển động của lớp silicon dọc? Hãy cùng nhìn vào một góc của cảm biến.

Tại đây, bạn có thể thấy rằng, một đầu chân của chiếc lược trung tâm và 2 chân được gắn trên khoang chứa là 3 phần của một tụ điện biến thiên. Do đó, khi bộ chiếc lược trung tâm chuyển động, dòng điện sẽ được sản sinh. Bằng cách nhận diện các dòng điện này, chúng ta có thể nhận diện được chuyển động của smartphone. Khi đo độ mạnh yếu của dòng điện, các kỹ sư có thể đo mức độ chuyển động của smartphone.

Trong khi cách hoạt động của cảm biến gia tốc đã là rất ấn tượng thì quá trình chế tạo chúng còn thú vị hơn rất nhiều lần. Cảm biến smartphone chỉ có kích cỡ 500 micron (tức bằng khoảng 5 lần độ dày tóc người). Không một chiếc máy siêu nhỏ nào có thể "đúc" ra một chiếc lược nhỏ cỡ này cả. Thay vào đó, chúng ta sẽ phải nhờ tới đặc tính hóa học đặc biệt của silicon.

Trước hết, bạn hãy nhìn vào miếng silicon "dày" sau đây.

Khi đổ KOH (kali hidroxit) vào miếng silicon, miếng silicon này sẽ bị ăn mòn, và phần bị ăn mòn sẽ tạo thành một hình kim tự tháp. Do cấu tạo đặc biệt của silicon, KOH sẽ ăn mòn theo chiều dọc nhanh hơn là theo chiều ngang.

Vậy làm thế nào để tạo thành một chiếc "lược" như trong cảm biến. Chúng ta có thể đặt một lớp bọc có hình chữ U ở giữa lên miếng silicon, sau đó tạo nhỏ 1 giọt KOH siêu nhỏ vào miếng silicon.

Hình dáng tạo thành sẽ là như dưới đây.

Tiếp tục đổ KOH vào và bạn sẽ thu được một miếng silicon có hình dáng như sau:

Sau đó, silicon sẽ tiếp tục bị ăn mòn, tạo thành một khoang lõm. Ở ngay phía trên khoang lõm này là một chiếc "răng" lồi ra như trong hình:

Bằng cách sử dụng các loại lớp bọc có hình dáng phức tạp hơn và nhiều khâu ăn mòn KOH hơn, bạn sẽ tạo được những chiếc "lược" silicon siêu nhỏ để sử dụng trong cảm biến.