thiết kế hệ thống cơ điện tử cảm biến gia tốc áp điện trở 6 DOF

Ứng dụng của cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, công nghiệp, y sinh, định vị, giao thông, các thiết bị điện tử cá nhân.. Ứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

- -BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CẢM BIẾN GIA TỐC 6 BẬC TỰ DO

Sinh viên thực hiện: Phan Tiến Dũng 20140825

Nguyễn Kim Duy 20140732 Đinh Trường Giang 20141213

Chu Văn Hoàng 20141739 Văn Đình Quý 20143723

GVHD: TS Phạm Xuân Khải

ThS Vũ Văn Quang

Hà Nội, 12/12

1.2. Cảm biến gia tốc

1.2.1. Khái niệm

Để khảo sát trạng thái chuyển động của một vật chúng ta cần biết 3 thông số động học: vị trí, vận tốc và gia tốc Các thông số trên có thể biến đổi qua lại cho nhau bằng các phép toán đạo hàm và tích phân Tuy nhiên trong thực tế người ta thường sử dụng rộng rãi phép toán tích phân vì nó đem lại hiệu quả tốt hơn khi có nhiễu và sự tắt dần Vì vậy người ta xác định gia tốc để khảo sát chuyển động của một vật Để máy có thể hiểu được thông số gia tốc và

sử dụng nó trong các bài toán tự động hóa ta cần cảm biến gia tốc

Ngày nay, cảm biến gia tốc được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và

vi hệ thống đã và đang thâm nhập một cách mạnh mẽ trong hầu hết các lĩnh vực như y sinh, công nghiệp ô tô, điện tử dân dụng, khoa học không gian Cảm biến gia tốc được chế tạo bằng MEMS có thể thay thế dần các cảm biến

gia tốc được chế tạo bằng phương pháp truyền thống bởi vì có kích thước nhỏ và đặc tính đo lường tốt hơn

1.2.2. Phân loại cảm biến

Có 3 loại cảm biến bao gồm: cảm biến áp điện trở, cảm biến áp điện và cảm biến điện dung Trong đó cảm biến gia tốc áp điện trở được sử dụng phổ biếnhơn cả vì có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, thiết kế đơn giản và mang lại hiệu quả cao

1.2.3. Nguyên lý hoạt động

Đây là mô hình cảm biến gia tốc khá căn bản Khoang chứa hình trụ này được gắn liền với vật thể cần đo gia tốc, quả bóng chỉ có thể di chyển một phương dọc theo khoang chứa Khi vật thể chuyển động, lực quán tính khiếncho quả bóng chuyển động, nhờ vào độ giãn lò xo ta có thể đo được lực quảntính

Nếu muốn đo theo 3 phương: Ta bố trí 3 cảm biến gia tốc như trên đặt theo 3 chiều X, Y và Z

Mô hình cảm biến gia tốc 6 bậc tự do

Khi đầu vào là gia tốc thì khối gia trọng dịch chuyển kéo theo thanh dầm biến dạng và thay đổi ứng suất Các áp điện trở được cấy trên bề mặt của các thanh dầm Sự thay đổi điện trở sẽ được biến đổi thành tín hiệu điện

nhờ sử dụng mạch điện xử lý bên ngoài là các mạch cầu Wheaston Từ đó

ta xác định được Vout và gia tốc các phương

1.2.4. Ứng dụng của cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như

kỹ thuật, công nghiệp, y sinh, định vị, giao thông, các thiết bị điện tử

cá nhân

Ứng dụng cảm biến gia tốc trong túi khí ô tô, nó xác định những thay đổi đột ngột của gia tốc phương tiện để xác định khi nào có va chạm

xảy ra và mức độ nghiêm trọng của va chạm

Ứng dụng của cảm biến gia tốc trong việc xoay màn hình điện thoại

Ứng dụng cảm biến gia tốc trong tuabin

Ứng dụng trong nghiên cứu sinh học

2. Cơ sở lý thuyết

2.1. Hiệu ứng áp điện trở

Định nghĩa: Điện trở vật liệu thay đổi dưới tác dụng của ngoại lực

Với vật liệu khối:

Sự thay đổi điện trở:

Thay đổi tương đối:

Điện trở biến đổi do: - Thay đổi kích thước a, l

- Thay đổi điện trở suất 

2.2 Hệ số đo (gauge factor)

K: hệ số đo biến dạng

- Kim loại Kmax = 2

- Vật liệu bán dẫn Kmax = 150 -200

+ Áp điện trở dọc: biến dạng dài của điện trở cùng chiều ngoại lực tác

dụng lên vật liệu cần đo biến dạng hệ số đo K dọc

+ Áp điện trở ngang : biến dạng dài của điện trở trực giao chiều ngoại lực

tác dụng lên vật liệu cần đo biến dạng hệ số đo K ngang

p-type

11.77.8

-102.2 53.4 -13.6 6.6 -1.1 138.1

3. Đề xuất mô hình cảm biến

3.1. Một số mô hình cảm biến gia tốc phổ biến:

3.2. Mô hình đề xuất

Các áp điện trở trong thiết kế là các áp điện trở loại p được cấy trên bề mặt của các thanh dầm, có điện trở thay đổi khi sức căng xuất hiện do gia tốc tịnhtiến hoặc gia tốc quay Sự thay đổi điện trở sẽ được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ sử dụng mạch điện xử lý bên ngoài là các mạch cầu Wheaston

Trong thiết kế này, 20 áp điện trở loại p được cấy trên 4 thanh dầm theo các hướng tinh thể <110> và <110> của silíc (100) nhờ quá trình khuếch tán

2. Tính toán thiết kế và mô phỏng

2.1.Kết quả mô phỏng theo các phương

Chuyển vị khi có dịch chuyển phương Z

Ứng suất khi có dịch chuyển phương Z

Chuyển vị khi có momen Mx

Ứng suất khi có momen Mx

Chuyển vị khi có tác dụng momen My

Ứng suất khi có momen My

Sự phân bố ứng suất trên thanh dầm (Lực theo phương Z)

Chuyển vị của dầm khi có (Lực theo phương Z)

Sau khi xác định được phân bố ứng suất trên các thanh dầm, điều quan trọngtiếp theo đó là xác định vị trí đặt các áp điện trở sao cho khuếch đại tối đa tínhiệu

mong muốn, đảm bảo tính đối xứng của mạch cầu và giảm thiểu tín hiệu gia tốcpháp tuyến Ta có thể xây dựng bảng thay đổi trở kháng ứng với các trường hợpcác gia tốc tác dụng Kết quả từ bảng này được sử dụng trực tiếp cho tính toán vịtrí đặt 20 áp điện trở trên 4 thanh dầm như sau:

Sự phân bố áp điện trở trên thanh dầm

Các mạch cầu Wheaston được sử dụng để xác định sự thay đổi trở khángcủa các áp điện trở trên các cảm biến Hai mươi áp điện trở được nối với nhau

để tạo thành sáu mạch cầu trên bốn thanh dầm như mô tả trên hình 7.Có hai loạimạch cầu khác nhau được sử dụng, Rref ở đây là các điện trở cố định

có giá trị bằng giá trị của các áp điện trở khi chưa chịu gia tốc tác dụng (cỡ 650Ω) Khi cảm biến hoạt động trong điều kiện lý tưởng, điện thế đầu ra bằng 0 vàngười ta gọi là cầu cân bằng Khi ứng suất thay đổi, mạch cầu trở nên mất cânbằng và gây ra điện thế xác định ở lối ra Các điện thế này được xác định nhưsau:

Sự thay đổi giá trị của các áp điện trở khi có tác dụng của gia tốc

Tổng hợp kết quả mô phỏng theo phương Z

Lực 9.02e-3 N 0.018 0.02706 N 0.03608 N 0.0451 N Ứng suất max 2.7517e8 Pa 4.8851e8 Pa 8.2619e8 Pa 1.10e+09Pa 1.2239e9 Pa Biến dạng 0.0023986 0.0047906 0.0081021 0.010803 0.012 Vout 0.47972 V 0.95812 V 1.62042 V 2.1606 V 2.4 V

3. Khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi ADC (Phương Z)

3.1. Khuếch đại tín hiệu

3 Thiết kế mạch khuếch đại

Bài toán : Khuếch đại giá trị Vout = 2.4 (V) lên Vo =5 (V)

Trong đó Vout=2.4 (V) là điện áp đó đc từ mạch cầu

Vo = 5 (V) là điện áp mong muốn

Đề xuất thiết kế theo mạch khuếch đại đo lường ( instrument amplifier )

Hình xx: Mạch khuếch đại đo lường.

Thông số đầu vào : Vout = V2 – V1 = 2.4 (V)

Thông số đầu ra: Vo = 5 (V)

b a

R A R

= + = =



1312

b a

R

R =

Chọn bộ thông số: R = 1 kΩ, Rb=13 kΩ, Ra= 12 kΩ (sai số 1%)

3.2.Bộ chuyển đổi ADC

Cảm biến gia tốc có phạm vi đo 5g, độ phân giải

Tín hiệu ra đang là tín hiệu tương tự, ta cần đưa về tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC (tương tự - số ), số bit là n,



Chọn n=10

Vậy độ phân giải bộ ADC: n=10 (bit)

4. Quy trình công nghệ chế tạo

• Quy trình công nghệ chế tạo cảm biến gia tốc 6 bậc tự do:

 Các công nghệ gia công:

Phát biểu đơn giản, vi cơ bề mặt là một phương pháp sản xuất MEMS bằng cách lắng đọng, tạo mẫu và khắc một chuỗi các màng mỏng, dày 1- 100

mm Một bước xử lý quan trọng nhất yêu cầu với linh kiện MEMS động là loại

bỏ đi có chọn lọc phim nằm dưới, xem là lớp đệm (sacrifical layer) thường là SiO2, mà không có sự xâm lấn một phim nằm bên trên, gọi là lớp khung

(structural layer) thường là poly hay SiN Hình sau minh họa một quy trình vi cơ

bề mặt điển hình Vi cơ bề mặt được sử dụng để sản xuất một lượng lớn linh kiện MEMS khác nhau cho các ứng dụng khác nhau

Vi cơ khối khác với vi cơ bề mặt trong đó vật liệu nền, Si đơn tinh thể, được tạo mẫu và được định dạng để hình thành một thành phần có chức năng quan trọng trong sản phẩm cuối cùng (ví dụ nền Si không đơn giản hoạt động như một nền thụ động như trong trường hợp vi cơ bề mặt) Lợi dụng đặc tính khắc không đẳng hướng dự đoán được của Si đơn tinh thể, nhiều hình dạng ba

chiều phức tạp với độ chính xác cao như rãnh V, kênh, via / có thể được hình thành

 Kĩ thuật liff-off:

Quang khắc bằng chất cảm quang dương: Chất cảm quang dương sau khi được phủ trên đế được chiếu sáng thông qua mặt nạ Những vùng chất cảm quang không được mặt nạ che (bị chiếu sáng) sẽ bị biến đổi tính chất, tan được trong dung dịch tráng rửa Còn lại những vùng được mặt nạ che (không bị chiếusáng) sẽ bám dính trên đế.Tiếp đó vật liệu được bốc bay (bằng phương pháp phún xạ, …) sẽ bám dính lên đế và lớp chất cảm quang Sau đó phần vật liệu bám trên chất cảm quang sẽ bị loại bỏ (liff-off) bằng cách cho mẫu vào rung siêu âm trong acetone Phần vật liệu bám trên chất cảm quang cùng lớp cảm quang này sẽ bị rửa trôi, chỉ còn lại lớp vật liệu bám trên đế

Quy trình khắc khô có thể được sử dụng để khắc sâu vào wafer Si và vẫn

để lại những vách bên thẳng đứng và độc lập với sự định hướng tinh thể Khả năng đặc biệt này mở rộng tính đa dạng và sự hữu dụng của vi cơ khối Minh họa quy trình khắc khô:

 Ăn mòn khô :

Trong kỹ thuật ăn mòn khô, tấm silicon được đưa vào trong buồng chân không, sau đó hỗn hợp khí dùng cho ăn mòn được đưa vào trong buồng phản ứng Ở chân không thích hợp, dưới tác dụng của nguồn cao tần, khí ăn mòn bị ion hoá và chúng ta thu được hỗn hợp plasma của khí nói trên bao gồm các ion F+ do đó SiO2 hoặc Si … bị ăn mòn và tạo ra các sản phẩm phản ứng tương ứng

 Các bước thực hiện:

• Giai đoạn tạo cấu trúc điện cho cảm biến:

Bước 1:Chọn tấm đế: Lựa chon tấm đế SOI là Silic (100) với kích thước

3

1.5 1.5 0.5( × × mm )

như hình dưới:

 Xử lý bề mặt: đó là việc đầu tiên người làm công nghệ cần thực hiện trong

phòng sạch.Công đoạn làm sạch bề mặt phiến (silicon) thường được thựchiện nhờ các axit mạnh, các chất có tính ôxi hoá như HNO3, H2SO4 ,H2O2 và

HF Việc xử lý bề mặt sẽ giúp chúng ta loại bỏ những tạp vô cơ, hữu cơ hoặcsai hỏng trên bề mặt tấm silicon trước khi chuyển nó vào những bước côngnghệ tiếp theo

Bước 2: Ôxi hoá nhiệt- trong quá trình chế tạo mạch tích hợp người ta

thường phải dùng lớp SiO2 trên bề mặt tinh thể Si Lớp SiO2 này có hệ số dãn nở nhiệt gần bằng hệ số giản nở nhiệt của Si, với hằng số điện môi ε~ 4,

có tác dụng bảo vệ bề mặt các linh kiện bán dẫn dưới tác dụng của môi trường bên ngoài, che chắn bề mặt Si trong quá trình khuếch tán định xứ các tạp chất như P và B Ngoài ra lớp SiO2 còn được sử dụng làm cực (gate) cửa cho bóng bán dẫn (transistor) Có nhiều phương pháp tạo ra lớp SiO2 nhưng phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để nhận lớp SiO2 là phương pháp ôxy hoá ở nhiệt độ cao (khoảng 1000oC -1100 oC) Phiến silic Silicon-On-Insulator (SOI) đánh bóng hai mặt loại n-(100) có lớp ôxýt silic đệm ở giữa với bề dày 1 μm đã được sử dụng Cấu trúc của loại phiến này tạo ra 2 lớp silic, một lớp có độ dày 10 μm được sử dụng để tạo cấu trúc các dầm nhạy

cơ và lớp còn lại có độ dày 500 μm để tạo khung cứng cho linh kiện Quy trình công nghệ chế tạo linh kiện này được bắt đầu với quá trình ôxy hoá nhiệt để tạo lớp ôxýt silic (SiO2) với bề dày cỡ 300 nm trên cả hai mặt của phiến SOI ở nhiệt độ 1100 oC

Quá trình Oxi hóa nhiệt có hai dạng là oxi hóa khô và ẩm với cơ chế phảnứng hóa học sau:

- Oxi hóa khô: Si O+ 2 →SiO2

- Oxi hóa ẩm: Si+2H O2 →SiO2+2H2

Bước 3 :Thực hiện quá trình quang khắc để tạo ra định dạng và vị trí gắn áp

điện trở trên bề mặt phía có lớp Si mỏng của phiến SOI Các điện trở được định hướng theo phương tinh thể silic [110]

 Sơ lược về quá trình quang khắc:

- Mục đích: là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử có kích thước và hình dạng xác định Quang khắc là một trong các quy trình giacông quan trọng nhất trong MEMS

mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating).

Cản quang được phân làm 2 loại:

1. Cảm quang dương: Là cảm quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa

2. Cảm quang âm: Là cảm quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa

Một hệ quang khắc bao gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này được khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ (photomask) Mặt nạ

là một tấm chắn sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo (che sáng) để che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến đổi Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần tạo, sau đó nó được hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ

Sau khi được quang khắc dùng chất rửa để tẩy phần photoresist bị phân hủy, ở đây ta tẩy bỏ lớp cảm quang bằng dung dịch Remover 106 Sau đó rửa sạch hoàn toàn bằng dung dịch pihara Sấy khô chuẩn bị cho bước sau

 Phủ cảm quang: Thực hiện phủ một lớp cảm quang dương lên bề mặt tấm

SOI phía có lớp Si mỏng bằng phương pháp quay ly tâm Ở giai đoạn này đếđược quay trên máy quay li tâm trong môi trường chân không Các thông số

kĩ thuật trong giai đoạn này: tốc độ quay (3000 - 6000 vòng/phút), thời gianquay (15 - 30 s), độ dày lớp phủ (0.5 ÷ 15 µm).

Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ cảm quang:

 So khuôn chiếu sáng:

+ Chiếu tia sáng UV qua thấu kính có gắn mặt nạ ở dưới như sau:

+ Chất cảm quang phủ lên là chất cảm quang dương nên phần cảmquang nào bị tia sáng UV chiếu vào sẽ bị hòa tan,phần cảm quangđược mặt nạ che sáng sẽ được giữ lại.Ta có cấu trúc sau:

+ Pattern SiO2 by HF and remove photoresist: rửa trôi cảm quang cònlại đồng thời khắc sâu lớp SiO2:

+ Tấm SOI nhìn từ trên xuống sau bước thứ 3:

Bước 4 : Khuếch tán Boron tạo điện trở : Các điện trở được định hướng theo

phương tinh thể silic [110] và được chế tạo bằng kỹ thuật khuếch tán hai bước

sử dụng dung dịch SOD boron (tạo ra silic loại p) làm nguồn khuếch tán theo 2 quá trình.Trước tiên là quá trình khuếch tán sơ bộ trong môi trường khí N2 ở nhiệt độ khoảng 1050oC để tạo ra các điện trở loại p trên bề mặt mẫu

Sơ lược về quá trình khuếch tán:

- Mục đích: nhằm tạo ra các vùng bán dẫn, loại dẫn khác nhau, thông thường

- Cơ chế: là quá trình đổi chỗ các nguyên tử cạnh nhau và các nguyên tử dịch chuyển giữa các nút mạng Có hai loại bán dẫn p và n, để tạo miền bán dẫn loại p cần khuếch tán tạp boron, để tạo miền bán dẫn loại n cần khuếch tán tạp photpho Các yếu tố ảnh hưởng quá trình gồm nồng độ chất khuếch tán, nhiệt độ, môi trường khuếch tán.

Tấm wafer sau khi khuếch tán Boron:

Sau đó là quá trình khuếch tán sâu (deep drive-in) nhằm đẩy tạp sâu vào

đế trong môi trường O2 ở nhiệt độ khoảng 1050oC

Tấm wafer sau bước công nghệ thứ 4 nhìn từ trên xuống:

Bước 5: Tạo các đường dẫn nhôm: Tạo các đường dẫn nhôm bằng kỹ thuật

phún xạ (Sputtering) và quang khắc Ion Ar+ với năng lượng khoảng 1 keV trong môi trường plasma sẽ bắn phá các target kim loại (Al, W, Cu), các nguyên

tử kim loại sẽ bật ra bám lên bề mặt wafer Phần bị phủ sẽ trở thành dây dẫn Sửdụng quang khắc để tạo cấu hình dây dẫn như mong muốn Kết thúc quá trình tạo cấu trúc điện Một quy trình xử lý nhiệt để có được tiếp xúc ohmic giữa nhôm vào silic Bề dày dây nhôm được khống chế trong khoảng 0,6μm.Như vậy

đã kết thúc quá trình tạo cấu trúc điện cho áp cảm biến gia tốc áp điện trở 6 bậc

tự do

• Giai đoạn tạo cấu trúc cơ cho cảm biến:

Bước 1 : Thực hiện quá trình quang khắc và ăn mòn hoạt hóa sâu

DRIE bề mặt trước phía lớp Silic mỏng:Ta thực hiện các quá trình phủ

cảm quang,so gương,chiếu sáng với mặt nạ có dạng như dưới hình vẽ: