Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Hình 1.1: Các sản phẩm sử dụng ứng dụng của MEMSCác sản phẩm của MEMS được chia ra làm 2 loại đó là Sensor và Actuator.. Các hiệu ứng phổ biến được sử dụng trong sensor đo lực  Hiệu ứng

MỤC LỤC

Phần I: TỔNG QUAN

1 Giới thiệu về MEMS

MEMS(micro electro mechanical systems, nghĩa là hệ thống vi cơ điện tử) là thuật ngữ

thường dùng để chỉ các hệ thống cơ điện tử có thể có thêm các bộ phận chuyển động có kích

thước cỡ micromet được thiết kế trên nền Silicon Công nghệ chế tạo các MEMS là công nghệ sử

dụng kỹ thuật giống như kỹ thuật mạch tích hợp (ví dụ như các công nghệ quang khắc, chùm ion

hội tụ ) Tuy nhiên không giống như linh kiện IC được tạo ra từ những lớp cấu trúc 2D, sản

phẩm của công nghệ MEMS là các linh kiện có cấu trúc không gian 3 chiều thực sự

Hiện nay, các sản phẩm của MEMS tham gia vào tất cả các ngành: công nghiệp, truyền

thông, y tế, giáo dục… MEMS tạo nên sự phát triển mạnh mẽ các sản phẩm thông minh, các sản

phẩm có độ an toàn cao

Hình 1.1: Các sản phẩm sử dụng ứng dụng của MEMS

Các sản phẩm của MEMS được chia ra làm 2 loại đó là Sensor và Actuator Sensor thì

chuyển từ các tín hiệu như nhiệt, lực, áp suất, gia tốc… ra tín hiệu điện Còn actuator chuyển từ

dao động của dòng điện thành các di chuyển trên tấm Si

Hình1 2: Sensor và Actuator

Tài nguyên thiên nhiên của Trái Đất đang dần cạn kiệt, chúng ta đang đối mặt với việc

thiếu năng lượng trầm trọng Từ đây ta thấy được việc phát triển ngành MEMS có ứng dụng lớn

nhưng kích thước nhỏ là vô cùng quan trọng

2 Giới thiệu về sensor đo lực

2.1 Nguyên lý của sensor đo lực

Sensor đo lực là một sản phẩm khá phổ biến của công nghệ MEMS Nó được ứng dụng

rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Sensor đo lực sử dụng nguyên lý là cân bằng lực

cần đo với lực đối kháng sao cho lực tổng và momen tổng bằng 0 Phải có vật trung gian chịu tác

động của lực cần đo và bị biến dạng ( nguyên nhân của lực đối kháng) Biến dạng có thể đo trực

tiếp bằng đầu đo biến dạng hoặc qua tính chất điện của vật liệu phụ thuộc biến dạng

2.2 Các hiệu ứng phổ biến được sử dụng trong sensor đo lực

 Hiệu ứng tĩnh điện

Ưu điểm:

 Cảm biến có độ nhạy cao

 Trở kháng lối ra của cầu điện trở thấp nên dễ dàng nhậnbiết và đo đạc tín hiệu

Nhược điểm:

 Độ trễ lớn trong quá trình sử dụng dài hạn

 Dễ bị mỏi và ảnh hưởng bởi nhiệt độ

2.4 Đề xuất mô hình

Dựa vào yêu cầu là chế tạo sensor lực 2 bậc tự do và sự tham khảo các kết cấu trước đó

Nhóm chúng em đã thống nhất ý tưởng của mô hình như sau :

Phần II: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG

1 Nhắc lại hiệu ứng tĩnh điện

Là sự xuất hiện các điện tích trái dấu và bằng nhau về trị số trên các phần đối diện của bề

mặt vật dẫn hoặc chất cách điện, khi đặt chúng trong trường tĩnh điện

Lực tĩnh điện hiếm khi được sử dụng trong các máy móc thông thường bởi lực thường

quá nhỏ để có thể gây ra chuyển vị, trừ khi điện áp được sử dụng rât lớn Với sự thu nhỏ của cấu

trúc cơ khí, lực tĩnh điện trở nên tương đối lớn Vì vậy lực tĩnh điện đã có ứng dụng rộng rãi

trong các bộ vi cảm biến vì các thiết bị vi kích hoạt

Cảm ứng điện dung hiếm khi được ứng dụng trong các máy móc thông thường Vì nó dễ

bị nhiễu do điện từ và cần những mạch điều khiển tín hiệu chính xác cho cả hai mảng là đo

lường và tín hiệu tuyến tính Do đặc tính thu nhỏ thuận lợi, sự phát triển của kĩ thuật cảm biến

CMOS, sự tích hợp của vi cơ và vi điện tử, các đặc tính khác của cảm ứng điện dung Vì vậy

cảm ứng điện dung đã được sử dụng phổ biến trong các cảm biến và các vi hệ thống khác

Lý thuyết bao trùm trong lĩnh vực về lực tĩnh điện và cảm ứng điện dung không nhiều

hơn so với lý thuyết tĩnh điện đã có từ lâu Tuy nhiên nếu xem xét một cách đặc biệt về việc thực

hiện các ứng dụng của nó, thì nó có những điểm đáng chú ý sau đây

• Đối với vi kiến trúc, các lực tĩnh điện có thể so sánh với lực đàn hồi của cấu trúc

cơ khí và lực cản của không khí xung quanh Vì vậy tất cả các lực phải được xem xét

cùng nhau trong hầu hết các trường hợp

• Lực tĩnh điện là lực phi tuyến đối với chuyển vị Tổng hợp của lực tĩnh điện và

lực đàn hồi có thể gây ra sự đứt gãy và sự mất ổn định cho hệ

• Tín hiệu điều khiển cần thiết cho cảm ứng điện dung gây ra lực tĩnh điện có thể là

quá lớn để gây ra sự thay đổi điện dung cho phép Hiệu ứng này cần phải được loại bỏ

bằng các hệ thống điện hoặc cơ khí

• Do khoảng cách của các bộ phận cơ khí và kích thước của các kết cấu cơ khí là

khá gần nhau cho nên hiệu ứng tĩnh điện ở vùng biên cần phải được xem xét trong nhiều

trường hợp

2 Tính toán

Trong phần này các mô hình đều được xem xét một cách đơn giản nhất để cung cấp cái

nhìn tổng quan về các hiệu ứng có thể khai thác để ứng dụng vào cảm biến lực Vì vậy độ chính

xác có phần hạn chế do trên thực tế khoảng cách giữa các bản cực là đáng kể so với kích thước

của chúng Ở đây ta xem xét kích thước các bản cực rất lớn so với khoảng cách giữa chúng

2.1 Tính toán sức bền, chuyển vị

2.1.1 Tính lực tối đa mà hệ thống đo được

Mô hình hóa hệ đã cho về hệ dầm như sau:

Hình 2.1 : Mô hình hóa hệ thống

Hệ dầm được mô hình hóa thành 9 nút 8 phần tử như sau:

Hình 2.2 : Mô hình hóa phần tửBảng ghép nối các phần tử:

phần tử bởi:

q =[ q1 , q2 , q3 , q4, q5, q6]T

Ta qui ước hệ toạ độ địa phương (x’, y’) sao cho x’ hướng dọc theo phần tử khung với các cosin

chỉ phương l = cosα và m = sinα

Trong hệ toạ độ địa phương, véctơ chuyển vị nút được xác định bởi:

Q’=[ q’1 , q’2 , q’3 , q’4, q’5, q’6]T

Ta tìm được biểu thức quan hệ giữa q và q’:

q' = Lq

trong đó:

Tổng hợp các độ cứng theo đúng vị trí cần có, ta xác định được ma trận độ cứng của phần

tử khung như sau:

Ma trận độ cứng của phần tử trong hệ toạ độ chung (x, y).

K=

Áp dụng điều kiện biên, cuối cùng ta thu được hệ phương trình PTHH:

KQ = Fcho phép tính chuyển vị tại một điểm bất kỳ của khung chịu lực

Áp dụng với E=170 (GPa)=0.170 (N/) và A=30.10=300() là diện tích mặt cắt ngang của dầm

J = 2500, l1=350), l2=300) Ta tìm được ma trận độ cứng của hệ thanh cỡ 27x27:

Bảng 2.4 : Ma trận độ cứng các phần tửGiải hệ phương trình phần tử hữu hạn :

K.Q=FTrong đó : K là ma trận độ cứng

Q là vecto chuyển vị tại các nút

F là lực tại các nút

Ma trận độ cứng

Bảng 2.5 : Ma trận độ cứng K1Xét tại điều kiện biên là tại các nút 2,4,6,8 chuyển vị và góc xoay tại đây bằng 0 nên ta có :

Các thành phần nội lực và trạng thái ứng suất

• Xét tại điểm nguy hiểm A:

- = 7 GPa: độ bền của silicon.

• Xét tại điểm nguy hiểm E:

Khi đặt lực 580 N ta thu được ứng suất tại các mặt cắt nguy hiểm là

thỏa mãn điều kiện bềnBảng giá trị của γ ,α β

2.2 Mạch đo và điện áp đầu ra ∆ V out

2.2.1 Điện dung ban đầu C o của hai cặp bản tụ

Kích thước bản tụ như sau:

Hình 2.6 : Kích thước một bản tụa) Xét sự thay đổi điện dung do thay đôi khoảng cách của các bản tụ :

Ta có điện dung của tụ điện phẳng được tính như sau:

C=

Với là hằng số điện môi

là hằng số điện môi trong môi trường không khí

A là diện tích đối xứng của hai bản tụ

g là khoảng cách giữa hai bản tụ

Nếu có n=140 cặp bản tụ thì điện dung tổng sẽ là:

Co= (pF)

2.2.2 Mạch đo

Hình 2.7 : Sơ đồ bố trí mạch đo điện áp raTrong đó Cp là điện dung ký sinh và Ci là điện dung đầu vào của bộ khuếch đại đệm Các mạch

điều khiển bởi hai nguồn ngược pha Vr và –Vr là hai tin hiệu hình sin và có cùng biên độ.Khi Cr

và Cs là giống hệt nhau, điện áp đầu vào của bộ khuếch đại là 0

Trong đó A1 là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại

Suy ra điện áp ra Vout được tính như sau :

1 1

1

(1 )

s R out

1 1

FEJC dl l l V

Hình 3.1: Ứng suất của dầm khi chịu tác dụng lực

Hình 3.2: Chuyển vị của quả nặng khi chị tác dụng lực

Phần III: LẬP QUY TRÌNH CHẾ TẠO

2.Hệ mask sử dụng cho quá trình gia công

Để gia công cảm biến như yêu cầu, ta sử dụng 4 mask như sau

+ Mask 1: Tạo cấu trúc các điện cực ( để đưa dây ra ngoài)

Mask 1

+ Mask 2: tạo cấu trúc thanh dầm, răng lược và quả nặng

Mask 2+ Mask 3 : Ăn mòn mặt sau phiến

Mask 3

Quy trình chế tạo cảm biến chung như sau

 Phủ chất cảm quang lên bề mặt tấm wafer

 Quang khắc tạo các điện cực

 Bốc bay nhôm hình thành các điện cực.

 Tạo cấu trúc dầm và các răng lược

 Lật tấm wafer và ăn mòn mặt sau phiến

Bước 1: Xử lí bề mặt

Để thực hiện quy trình này, phiến wafer được ngâm trong dung dich HNO3 để tẩy đi các chất

hữu cơ , kim loại và oxit kim loai Sau công đoạn này được rửa sạch bằng nước ion và quay khô

li tâm

Bước 2: Tạo cấu trúc các điện cực

+ Phủ lớp cảm quang âm dương (photoresist) lên bề mặt tấm wafer

+ Thực hiện quang khắc bằng việc chiếu tia cực tím (UV) cường độ lớn qua mask 1 như thiết kế

xuống lớp wafer.Lớp cảm quang dương nơi điện cực được chiếu sáng sẽ bị hòa tan, tạo thành cấu

+ Phủ lớp cảm quang âm lên bề mặt tấm wafer

+ Thực hiện quá trình quang khắc với mask 2

+ Dùng phương pháp ăn mòn hoạt hóa sâu DRIE etching với hỗn hợp khí SF6/C F4 8.

Ăn mòn đến lớp SiO2.

+ Kết quả như sau:

Bước 4: Ăn mòn mặt sau phiến

+ Lật tấm wafer lên, phủ cảm quang dương lên bề mặt

+ Thực hiện quang khắc với mask 3

+ Sử dụng phương pháp drie etching ăn mòn đến lớp SiO2

+ Dùng phương pháp wet etchig( bằng dung dịch HF 1%) để ăn mòn qua lớp SiO2.

→Kết quả

Phần IV: KẾT LUẬN

1.Kết quả đạt được

Sau quá trình thiết kết phương án mới cho cảm biến lực sử dụng hiệu ứng điện dung

nhóm chúng em nhận thấy có những điểm đạt được và chưa đạt được ở những điểm như

2.Hướng phát triển hoàn thiện và ứng dụng

Qua quá trình tìm hiểu và học tập, nhóm chúng em đã nhận thấy rằng sensor lực sử dụng

điện dung đang được ứng dụng và phát triển khá mạnh mẽ trong một số lĩnh vực như:

 Trong cơ khí: dùng để đo biến dạng bề mặt các chi tiết cơ khí, mô men xoắn của

trục

 Trong sinh học: áp dụng cho tách dòng, cung cấp thông tin trên dò lực cũng như

lực tiếp tuyến sinh ra

 Trong giao thông vận tải: ứng dụng thêm cho xác định tải trọng để đảm bảo sự bền

vững kết cấu

Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm Hồng Phúc đã tận tình chỉ

dẫn để nhóm có thể hoàn thành bài báo cáo này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Bài giảng môn học “Nhập môn vi cơ điện tử ” và “Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

” của Ts Phạm Hồng Phúc, Bộ Môn Cơ Sở Thiết Kế Máy Và Robot, Viện Cơ Khí,

Đại học Bách Khoa Hà Nội

• Report“A MEMS Vertical Fringe Comb Capacitive Pressure Sensor for Biomedical

Application”K.Shah,H.Thumu,V.Vibhute,J.SinghandH.P.Le (center of

Telecommuication and Microelectronics Victoria University,P.O.Box 14428,Melbourne

City MC8001,Victoria, Australia)

• Report “Abulkmicrofabricatedmulti-axiscapacitivecellularforcesensorusingtransverse comb

drives” YuSun1,BradleyJNelson1,DavidPPotasek1andEnikoEnikov2