Do tính đặc thù cũng như khả năng đặc biệt của công nghệ vi cơ, công nghệ này đã được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc và các bộ cảm biến ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tron
Trang 1Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các đặc trưng
Của cảm biến vi cơ đo lực
Vũ Ngọc Hùng, Nguyễn Đức Chiến, Trịnh Quang Thông
Trung tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS)
Đinh Văn Dũng
Khoa Vật lý, Trường ĐHSP Hà nội 2
Tóm tắt
Các cảm biến đo lực kích thước nhỏ chế tạo bằng công nghệ vi cơ đã được thiết kế
và chế tạo lần đầu tiên tại Việt nam bởi nhóm MEMS tại Trung tâm ITIMS Cấu trúc cảm biến này gồm một màng silic chiều dày cỡ 45 micron, ở tâm có thiết kế thêm một tâm cứng làm điểm đặt lực Tín hiệu cơ được chuyển đổi qua một cầu
điện trở hoặc điện trở 4 điện cực thành tín hiệu điện lối ra Trong bài báo này chúng tôi trình bày sơ đồ nguyên lý, qui trình chế tạo, và các khảo sát đặc trưng của cảm biến
Fabrication and characterization of michromachined force sensors
Abstract
Silicon micromachined force sensors have been designed and fabricated successfully for the first time in Vietnam by the MEMS group at ITIMS The structure of the sensors consists of a membrane with a stiff center: the membrane thickness is about 45 microns, the stiff center serves as a forced point The mechanical signal is converted into output voltage signal by a Wheastone resistor bridge or 4 terminal gage diffused on the membrane In this paper, the sensor configuration, fabrication process and characteristics have been presented
1 Mở đầu
Các cấu trúc đo tín hiệu cơ tiêu biểu thường có dạng các màng hoặc các thanh dầm được chế tác 3 chiều từ các vật liệu khối Chỉ có thể chế tạo các cấu trúc này với độ chính xác cao nhờ công nghệ vi cơ (micromachining technology) Do tính đặc thù cũng như khả năng đặc biệt của công nghệ vi cơ, công nghệ này đã được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc và các bộ cảm biến ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong công nghiệp, kỹ thuật, y
tế, quân sự, Trong những năm gần đây, với sự hỗ trợ đắc lực của công nghệ
vi điện tử và công nghệ tin học, công nghệ vi cơ đã phát triển mạnh mẽ và rộng khắp trên thế giới Nhóm MEMS ở Trung tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS) là nhóm đầu tiên ở Việt nam triển khai và thành công trong một số loại cảm biến nhờ công nghệ này Trên cơ sở chế tạo thành công cảm biến áp suất với cấu trúc cơ bản là một màng phẳng, một mẫu cảm biến
Trang 2mới với một tâm cứng được thiết kế thêm ở tâm màng đã được phát triển để đo lực và đo khối lượng Nhờ tâm cứng này, các tác dụng tập trung vào một điểm như tác dụng lực có thể đặt trực tiếp lên màng cảm biến Sự uốn cong của màng dưới tác dụng của lực sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện lối ra nhờ một cầu điện trở hoặc điện trở 4 điện cực đã khuếch tán trên màng tương tự như trong các cảm biến áp suất [1,2] Tuỳ theo yêu cầu về phạm vi đo lực hay
đo khối lượng, bề dày màng và kích thước cạnh màng được lựa chọn một cách thích hợp khác nhau Trong khảo sát của chúng tôi, các cảm biến lực với màng vuông 5 x 5mm2, 7 x 7 mm2, 9 x 9 mm2, và 10 x 10 mm2, bề dày màng cỡ 45
àm đã được thực hiện Trong vùng làm việc tuyến tính, các lực lớn nhất có thể
đo được là 0.686 N (tương ứng với khối lượng là 70 g), lực nhỏ nhất đo được
là 0.013 N (tương ứng với khối lượng là 13 mg) Độ nhạy lực đạt tới 78.63 mV/V.N (hay 0.77 mV/V.g)
2 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của cảm biến
Khác với cảm biến áp suất ở đó tác dụng cơ học được phân bố gần như
đồng đều trên một màng diện tích nhỏ, cảm biến lực cần đo tác dụng lực có tính tập trung vào một điểm (do vậy phân bố không đều trên màng) Vì vậy, một tâm cứng ở giữa màng là cần thiết được thiết kế thêm trên một màng phẳng làm điểm đặt của lực (hình 1) Tâm cứng này ngoài tác dụng làm điểm
đặt cho lực, còn có khả năng làm mở rộng vùng tuyến tính của cảm biến Khi màng uốn cong do tác dụng của lực, trên màng sẽ xuất hiện các ứng suất với
phân bố khác nhau trên màng Các khảo sát cho thấy, vùng lân cận với trung
điểm các cạnh màng có phân bố ứng suất lớn nhất [3] Điều này gợi ý rằng các
vị trí tốt nhất để đặt các áp điện trở là gần với trung điểm các cạnh màng Có thể sử dụng hai loại áp điện trở là các áp điện trở kiểu cầu điện trở Wheastone như trong hình 1b và áp điện trở kiểu điện trở 4 điện cực như trong hình 1c
a) b) c)
Hình 1 Sơ đồ cảm biến vi cơ đo lực và hoạt động:
a) Màng có tâm cứng và sự uốn cong màng khi có tác dụng lực
b) Chuyển đổi tín hiệu qua một cầu điện trở Wheastone
c) Chuyển đổi tín hiệu nhờ điện trở 4 điện cực
1
2 3
4
4 3 2 1
Trang 3Trong cả hai sơ đồ, điện áp nuôi đều được đặt vào các cực 1 và 3, điện áp ra
được lấy trên các cực 2 và 4
Hoạt động của cảm biến vi cơ silic đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện trở trong vật liệu bán dẫn Khi màng silic bị uốn cong, các áp điện trở được khuếch tán trên đó sẽ thay đổi giá trị Đối với cầu điện trở, nếu hai điện trở song song với cạnh màng tăng giá trị, thì hai điện trở vuông góc với cạnh màng giảm giá trị, làm cầu điện trở mất cân bằng [4] Đối với điện trở 4 điện cực, được đặt nghiêng một góc 450 so với cạnh màng [110], nên sự uốn cong màng làm sự thay đổi điện trở suất trên các vùng khác nhau của điện trở là rất khác nhau Theo hướng vuông góc với dòng điện đặt vào, sẽ xuất hiện một thế hiệu khác 0 [5] Sự thay đổi giá trị của điện trở phụ thuộc một cách định lượng vào độ lệch màng (tức là vào lực tác dụng), nên độ lệch điện áp lối ra cũng phụ thuộc định lượng vào lực Bằng cách đo độ lệch điện áp lối ra, hoàn toàn
có thể xác định độ lớn của lực tác dụng Trong trường hợp lực tác dụng là trọng lượng của vật đặt vuông góc với bề mặt màng cảm biến, có thể suy ra khối lượng vật khi đã xác định được trong lực P nhờ công thức:
g
P
m= Vì vậy, loại cảm biến này còn có thể sử dụng để đo khối lượng Giá trị của gia tốc trọng trường g phụ thuộc vào vị trí đo trên Trái đất, nhưng khác nhau không nhiều lắm, nên trong các chỉ thị về độ nhạy cũng như về vùng làm việc tuyến tính, có thể chỉ thị theo đơn vị lực (N), hoặc tương đương theo đơn vị khối lượng (g)
3 Qui trình chế tạo
Trên hình 2 mô tả qui trình
chế tạo cảm biến vi cơ silic đo lực
Các phiến silic loại n, có định
hướng bề mặt (100), bề dày 380
àm, điện trở suất khoảng 5 - 10
Ω.cm được sử dụng Sau quá trình
làm sạch mẫu (SC), phiến silic
được ô xi hoá nhiệt để tạo ra lớp ô
xít silic SiO2 làm vật liệu bảo vệ
mẫu trong quá trình ăn mòn Bề
dày lớp ô xít yêu cầu khoảng 1,5
àm Tiếp theo, kỹ thuật quang
khắc được sử dụng để mở các cửa
sổ ăn mòn tạo màng (mask1) Ăn
mòn tích cực trong dung dịch
KOH được thực hiện để tạo ra các
màng cảm biến Trong thiết kế
mask 1, một diện tích SiO2 thích
Hình 2 Qui trình chế tạo cảm biến vi cơ đo
lực và đo khối lượng
Phiến silic loại n,
định hướng (100)
Ô xi hoá
Quang khắc mặt sau
Ăn mòn tạo màng
Hàn dây và đóng gói Quang khắc tạo điện cực Bốc bay Al
Phủ tạp SOD và khuếch tán
Quang khắc tạo điện trở
Mở cửa sổ điện cực
Trang 4hợp ở tâm màng được giữ lại, vì vậy cấu trúc màng có tâm cứng được tạo ra Sau bước xử lý ăn mòn, cấu trúc cơ của cảm biến đã hoàn thành Các bước tiếp theo nhằm chế tạo cấu trúc điện trên cảm biến, bao gồm: quang khắc mask 2
để tạo cửa sổ điện trở, khuếch tán để tạo các điện trở, quang khắc mask 3 để
mở của sổ các tiếp xúc cho điện trở, bốc bay Al đế tạo các tiếp xúc, quang khắc mask 4 để tạo các điện cực, và cuối cùng là hàn dây dẫn và đóng gói linh kiện
Kích thước cạnh màng được xác định trong quá trình thiết kế mask Trong khảo sát của chúng tôi, các màng vuông với các kích thước 5 x 5 mm2,
7 x 7 mm2, 9 x 9 mm2,10 x 10 mm2 đã được lựa chọn Các tâm cứng được lựa chọn là 1 x 1 mm2 Bề dày màng được xác định nhờ khống chế thời gian ăn mòn và được lựa chọn là 45 àm với độ chính xác đạt tới ±2 àm
4 Khảo sát các đặc trưng của cảm biến
Để xác định đáp tuyến của
cảm biến theo lực tác dụng, một bộ
gia trọng chuẩn tới gam (tương ứng
với lực chính xác tới 10-2 N) được
sử dụng Bằng cách thay đổi khối
lượng gia trọng đặt lên tâm cứng,
ta đã thay đổi độ lớn của lực tác
dụng Màng của cảm biến sẽ uốn
cong khác nhau ứng với lực tác
dụng khác nhau, nên điện áp ra thu
được cũng khác nhau và phụ thuộc
vào lực tác dụng Trên hình 3 và 4
biểu diễn một số kết quả của các
phép đo này Dáng điệu của các
đường đặc trưng cho thấy, trong
phạm vi nhỏ của lực tác dụng, điện
áp ra là tỉ lệ thuận với lực tác dụng
Đây là vùng làm việc tuyến tính
của cảm biến Với các lực lớn hơn,
tốc độ thay đổi điện áp ra là thấp
dần, độ dốc của đường đặc trưng
giảm dần Kết quả này đúng cho
tất cả các cảm biến đã chế tạo
Với cùng một bề dày màng
và kích thước tâm cứng, các màng
có diện tích lớn sẽ nhạy tín hiệu
lực hơn các màng diện tích nhỏ
Nếu coi độ nhạy lực của cảm biến
đo bằng tỉ số giữa điện áp ra tương
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
Vou
Lực tác dụng (N)
a
0 10 20 30 40 50 60
Lực tác dụng (N)
b
Hình 3 Đáp tuyến tín hiệu ra theo lực tác
dụng đối với cảm biến kiểu cầu điện trở: a) Cảm biến có kích thước màng 7x7mm 2
b) Cảm biến có kích thước màng 9x9mm 2
Trang 5đối trên cảm biến (điện áp ra /điện áp nuôi), với lực tác dụng, thì độ nhạy cảm biến bằng hệ số góc của đường đặc trưng trong vùng làm việc tuyến tính Từ các đáp tuyến của cảm biến theo lực tác dụng, độ nhạy của các cảm biến với các diện tích màng khác nhau đã được xác định Các kết quả này được trình bày trong bảng 1
Cảm biến có độ nhạy cao sẽ
thích hợp trong các phép đo lực nhỏ
và độ chính xác cao Ngược lại, các
cảm biến độ nhạy thấp lại thích hợp
trong các trường hợp cần xác định
lực có cường độ lớn, khi đó rõ ràng
các sai lệch nhỏ về kết quả đo là
không quan trọng Do có giới hạn về
độ chính xác của các thiết bị chỉ thị,
chẳng hạn các vôn kế được sử dụng
là loại LEADER, chính xác tới 10-2
mV, cũng như do các nhiễu gây ra,
các cảm biến chỉ cho phép chỉ thị tới
một độ chính xác nào đó Đó chính
là giới hạn lực nhỏ nhất có thể xác định được Trong các khảo sát của chúng tôi, với độ chính xác không nhiễu của điện áp ra là 10-2 mV, các giá trị nhỏ nhất của lực đo được là 0.013 N cho loại màng 9 x 9 mm2 (tương ứng với khối lượng 13 mg), và lớn nhất là 0.686 N cho loại màng 5 x 5 mm2 (tương ứng với khối lượng 70 mg), như trình bày trong bảng 1
Bảng 1 Độ nhạy, vùng làm việc tuyến tính, giới hạn đo lực và khối lượng của các cảm
biến
Loại cảm biến Độ nhạy Vùng làm
việc tuyến tính
Lực nhỏ nhất
đo được (N)
Khối lượng nhỏ nhất đo được (mg) Màng 5 x 5 mm 2
cầu điện trở
51.06 mV/V.N 0.50 mV/V.g
0 - 0.686 N
0 - 70 g
0.019 20 Màng 7 x 7 mm 2
cầu điện trở
70.46 mV/V.N 0.69 mV/V.g
0 - 0.294 N
0 - 30 g
0.014 14 Màng 9 x 9 mm 2
cầu điện trở
78.63 mV/V.N 0.77 mV/V.g
0 - 0.147 N
0 - 15 g
0.013 13 Màng 10 x 10 mm 2
điện trở 4 điện cực
14.30 mV/V.N 0.14 mV/V.g
0 - 0.392 N
0 - 40 g
0.070 71
5 Kết Luận
Với điều kiện công nghệ hiện có ở các phòng thí nghiệm ITIMS, loại cảm biến vi cơ kiểu áp trở đo lực và đo khối lượng đã được thiết kế và chế tạo thành công Trong công nghệ này, chúng tôi chỉ sử dụng thiết bị quang khắc một mặt, vật liệu bảo vệ trong xử lí ăn mòn là ô-xít silic SiO2 chế tạo theo phương pháp ô xi hoá nhiệt Các khảo sát đặc trưng của cảm biến đã được thực
0 5 10 15 20 25
Lực tác dụng (N)
10 x10, gage
Hình 4 Đáp tuyến tín hiệu ra theo lực tác
dụng đối với cảm biến kiểu điện trở 4 điện cực có kích thước màng 10x10mm 2
Trang 6hiện Kết quả cho thấy, các cảm biến này đáp ứng tốt yêu cầu của các phép đo lực với độ chính xác từ 0.013 N trở nên (tương ứng với đo các khối lượng lớn hơn 13 mg) Nhờ độ nhạy cao và chất lượng tương đối đồng đều trong chế tạo, loại cảm biến này có nhiều triển vọng trong ứng dụng
Lời cảm ơn
Công trình này được hoàn thành dưới sự tài trợ của Đề tài cấp Bộ mã số B2001-59-02
Tài liệu tham khảo
[1] Min Hang Bao, Wei-Jia Qi and Yan Wang, Sensors and Actuators, 12(1989) 149-156 [2] S K Clark and K D wise, IEEE transaction on electron device, ED.26(1979)
1887-1896
[3] D.V Dung, T Q Thong, V N Hung, N D Chien Proceedings of the Third International Workshop on Materials Science (IWOMS'99), Hanoi, November 2-4,
1999
[4] V.N.Hung, N.D.Chien, D.V.Dung, T.Q.Thong, T.D.Hien, Phyics and Engineering in Evolution, Proceeding of the third Vietnamese-German Seminar on Physics and Engineering, Ho Chi Minh City, Vietnam, April 3-8, 2000, p.29-34
[5] D.V.Dung, T.Q.Thong, V.N.Hung and N.D.Chien, Communications in Physics, ISSN 0868-3166, Vol.11, N 3, September 2001, pp 169-174
