Cảm biến áp suất là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất (pressure sensor) là thiết bị chuyển đổi áp suất tĩnh hoặc động tác động lên bề mặt màng cảm biến thành tín hiệu điện, thường là điện áp, dòng điện hoặc thay đổi điện trở/điện dung, phục vụ mục đích đo lường và điều khiển. Áp suất P được định nghĩa là lực F tác dụng lên diện tích A theo công thức $P = \frac{F}{A}$, đơn vị chuẩn SI là Pascal (Pa), tương đương N/m².

Trong thực tiễn, cảm biến áp suất được sử dụng để giám sát và điều khiển áp lực trong các hệ thống khí nén, thủy lực, đường ống dẫn dầu khí, nồi hơi, buồng đốt động cơ và thiết bị y sinh. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp phụ thuộc vào dải đo, loại chất lỏng hoặc khí tiếp xúc, điều kiện nhiệt độ, ăn mòn và yêu cầu độ chính xác.

Chất lượng và độ tin cậy của cảm biến áp suất quyết định trực tiếp đến an toàn hoạt động của hệ thống. Các chỉ số chính cần chú ý bao gồm độ chính xác (accuracy), độ phân giải (resolution), độ trễ (hysteresis), độ lặp lại (repeatability) và độ trôi (drift) theo thời gian và nhiệt độ.

Nguyên lý hoạt động cơ bản

Cảm biến áp suất dựa trên sự biến dạng cơ học của vật liệu khi chịu áp lực, sau đó chuyển đổi biến dạng này thành tín hiệu điện. Có ba cơ chế chính được ứng dụng rộng rãi:

• Piezoresistive: Sử dụng yếu tố cảm biến silicon hoặc foil gắn trên màng chắn; khi màng bị uốn cong, điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với ứng suất lên vật liệu.
• Piezoelectric: Dùng tinh thể thạch anh (quartz) hoặc các vật liệu pha tạp (PVDF); phát sinh điện áp khi tinh thể biến dạng dưới áp lực.
• Capacitive: Hai bản cực kim loại ngăn cách bởi màng đàn hồi; áp suất làm thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực, dẫn đến thay đổi điện dung.

Trong cảm biến piezoresistive, mạch Wheatstone thường được sử dụng để khuếch đại thay đổi điện trở nhỏ, cho tín hiệu output tuyến tính. Đối với piezoelectric, mạch đo điện áp đầu ra cần kháng cao để không làm tiêu hao điện tích trên bề mặt tinh thể. Cảm biến capacitive yêu cầu mạch đo điện dung có khả năng bù nhiễu và bù nhiệt độ để đạt độ chính xác cao.

Việc lựa chọn cơ chế cảm biến phụ thuộc vào yêu cầu dải đo, điều kiện nhiệt độ và môi trường xung quanh. Ví dụ, piezoelectric phù hợp đo áp suất dao động cao, trong khi capacitive ưu thế ở dải áp suất thấp với độ phân giải cao.

Phân loại theo cơ chế cảm biến

Dựa trên nguyên lý chuyển đổi áp lực thành tín hiệu điện, cảm biến áp suất chia thành các loại chính:

• Piezoresistive silicon: Nhiều chip cảm biến nhỏ được khắc laser tạo cầu đo, tích hợp mạch khuếch đại trên cùng một bán dẫn.
• Piezoresistive foil: Mạch kim loại mỏng (foil) dán trên màng thép không gỉ, dùng trong dải áp từ 0–600 bar.
• Piezoelectric: Tinh thể hoặc gốm piezo dùng cho đo áp suất dao động, áp suất động lực mạnh.
• Capacitive MEMS: Sản xuất hàng loạt trên wafer silicon, dải đo từ mbar đến vài bar với độ phân giải cao.

Cơ chế	Cấu tạo	Dải đo tiêu biểu	Ưu điểm/Nhược điểm
Piezoresistive silicon	Chip silicon, Wheatstone	0–100 bar	Tuyến tính tốt, nhạy; nhưng drift nhiệt cao
Piezoresistive foil	Foil kim loại, màng thép	0–600 bar	Bền cơ khí; độ phân giải thấp hơn silicon
Piezoelectric	Tinh thể/quartz	Dynamic pressure	Đáp ứng nhanh; không đo áp suất tĩnh lâu dài
Capacitive MEMS	Wafer silicon, điện dung	0–10 bar	Độ phân giải cao; cần bù nhiệt độ và nhiễu

Phân loại theo phạm vi đo và kiểu kết nối

Theo phạm vi đo, cảm biến áp suất được chia làm ba nhóm chính:

• Áp suất tuyệt đối (Absolute): Đo so với chân không tuyệt đối, sử dụng trong công nghệ đo cao độ, buồng chân không.
• Áp suất tương đối (Gauge): Đo so với áp suất khí quyển, phổ biến trong đo áp lực lốp xe, hệ thống thủy lực.
• Áp suất chênh (Differential): Đo hiệu áp giữa hai điểm, ứng dụng trong lọc chất lỏng, cân bằng áp suất.

Về kiểu kết nối cơ khí và điện, cảm biến áp suất thường sử dụng:

1. Kết nối ren: chuẩn BSP, NPT, M10×1 để lắp trực tiếp vào đường ống hoặc buồng đo.
2. Mặt bích và màng ngăn: cho môi trường ăn mòn, tạp chất, tách cảm biến khỏi chất lỏng bằng màng kim loại hoặc PTFE.
3. Giao tiếp điện: analog 4–20 mA, 0–10 V hoặc digital bus (I²C, SPI, CAN) tích hợp chuyển đổi và hiệu chuẩn sẵn.

Sự kết hợp giữa phạm vi đo và kiểu kết nối quyết định khả năng vận hành trong môi trường khắc nghiệt, đảm bảo độ bền, chống rung và chống rò rỉ.

Phương pháp hiệu chuẩn và độ chính xác

Hiệu chuẩn cảm biến áp suất đòi hỏi đối chiếu với chuẩn tham chiếu traceable, thường dùng buồng khí áp (dead-weight tester) hoặc piston gauge để tạo áp suất biết trước với sai số ≤0.01%. Quá trình hiệu chuẩn bao gồm điểm zero (áp suất khí quyển hoặc chân không), span (áp suất tối đa) và các điểm trung gian để xác định đường đặc tính tuyến tính.

Các thông số độ chính xác chính bao gồm:

• Độ tuyến tính (linearity): sai số tối đa so với đường thẳng lý thuyết trên toàn dải đo, thường ≤±0.1% F.S.
• Độ trễ (hysteresis): chênh lệch tín hiệu giữa chiều lên và xuống, thường ≤±0.05% F.S.
• Độ lặp lại (repeatability): khả năng cho cùng một kết quả khi lặp lại chu trình áp suất, thường ≤±0.02% F.S.

Độ trôi (drift) theo thời gian và nhiệt độ đo được bằng cách lưu trữ cảm biến ở các điều kiện chuẩn và đo lại sau chu kỳ 24–168 giờ. Phương pháp hiệu chuẩn định kỳ giúp duy trì độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ cảm biến.

Đặc tính động học và nhiệt độ

Đặc tính động học xác định khả năng cảm biến theo dõi biến động áp suất nhanh. Thông số này thường biểu diễn qua đáp ứng tần số (frequency response), ví dụ 0–10 kHz cho piezoelectric và 0–1 kHz cho piezoresistive silicon. Độ trễ (time constant) cũng là chỉ số quan trọng, thường đo tại 63% giá trị cuối trong giây (τ).

Ảnh hưởng nhiệt độ tới tín hiệu yêu cầu bù nhiệt độ (temperature compensation) trong dải hoạt động −40 °C đến +125 °C. Điểm bù (zero offset) và điểm span thay đổi theo nhiệt độ được ghi nhận qua hệ số nhiệt độ (thermal coefficient) thường <±0.01% F.S./°C.

Thông số	Piezo resistive	Piezo electric	Capacitive MEMS
Đáp ứng tần số	0–1 kHz	0–10 kHz	0–5 kHz
Thời gian tau (τ)	≤1 ms	≤0.1 ms	≤0.5 ms
Hệ số nhiệt độ	±0.01%/°C	±0.02%/°C	±0.01%/°C

Bù nhiệt độ có thể thực hiện bằng phần cứng (PT100, diode) hoặc thuật toán kỹ thuật số tích hợp trong vi điều khiển. Thiết kế mạch đo cần giảm thiểu drift do tự nung nóng (self-heating).

Vật liệu và công nghệ chế tạo

Màng cảm biến thường làm từ thép không gỉ SS316L hoặc Inconel 718 để chịu ăn mòn và áp lực cao. Công nghệ MEMS sử dụng silicon tinh khiết và oxide SiO₂ để tạo cấu trúc diaphragm mỏng (<1 µm) với độ nhạy cao. Quy trình chế tạo bao gồm photolithography, deep reactive-ion etching (DRIE) và wafer bonding.

Công nghệ thin-film piezoresistive tích hợp mạch tạo các cầu đo (Wheatstone bridge) trực tiếp trên die silicon, giảm thiểu nhiễu và đáp ứng nhiệt độ tốt. Lớp phủ chống ăn mòn (TiN, Au) bảo vệ vết hàn và vùng nối mạch khỏi hơi hóa học.

Điều kiện môi trường và bảo vệ

Cảm biến áp suất thường phải hoạt động ở môi trường khắc nghiệt: áp suất cao, nhiệt độ rộng, rung động và ăn mòn hóa học. Các chỉ tiêu thường quy định:

• Burst pressure: áp suất hỏng vỡ ≥2–3 lần dải đo.
• Vibration/Shock: chịu được rung động 10–500 Hz và shock 50 g.
• Ingress Protection (IP): tiêu chuẩn IP67/IP68 chống thấm nước và bụi.

Gia cường bằng lớp phủ epoxy hoặc stainless steel housing, màng ngăn ceramic cho ứng dụng hóa chất. EMI/RFI shielding cần thiết để hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp nhiều nhiễu.

Giao tiếp và điều kiện tín hiệu

Tín hiệu analog phổ biến gồm 4–20 mA loop và 0–10 V DC, dễ tích hợp trong hệ thống điều khiển PLC/SCADA. Cảm biến digital tích hợp ADC và vi điều khiển hỗ trợ giao tiếp I²C, SPI, CAN Bus hoặc Modbus RTU, cho phép truyền tham số hiệu chuẩn và trạng thái sức khỏe (Omega Engineering).

Chuẩn 4–20 mA có ưu điểm chống nhiễu đường dài và báo lỗi (dòng <4 mA hoặc >20 mA). Giao thức HART cho phép đồng bộ tham số thông số qua kênh tương tự, hỗ trợ cấu hình từ xa và chẩn đoán lỗi.

Ứng dụng chính

• Công nghiệp dầu khí: giám sát áp suất giếng khoan, đường ống, bơm tăng áp.
• Hệ thống HVAC: điều khiển áp suất gas lạnh, giám sát áp suất hồi gas.
• Y sinh: máy thở, máy bơm tiêm, đo áp suất máu xâm lấn/non-invasive.
• Ôtô: cảm biến áp suất lốp (TPMS), áp suất dầu động cơ, cảm biến MAP trong hệ ECU.
• Tự động hóa nhà máy: hệ thống SCADA, DCS giám sát nồi hơi, bình áp lực, van điều khiển.

Các ứng dụng chuyên sâu như thử nghiệm mô-đun tên lửa, cảm biến áp suất trong vũ trụ yêu cầu chuẩn kỹ thuật MIL-STD-810 và ESA ECSS-E-10.

Tài liệu tham khảo

1. National Institute of Standards and Technology (NIST). Publications. Truy cập: nist.gov.
2. Omega Engineering. Pressure Sensors. Truy cập: omega.com.
3. Siahaan, A., & Wong, C. (2020). MEMS Pressure Sensor Technologies: A Review. Sensors, 20(15), 4192.
4. Smith, J. (2018). Fundamentals of Pressure Sensing. Journal of Sensors and Actuators A, 275, 1–12.
5. Semiconductor Industry Association (SIA). (2024). 2024 Factbook. Truy cập: semiconductors.org.