Nghiªn cøu chÕ t¹o vµ kh¶o s¸t c¸c ®Æc tr−ng
Cña c¶m biÕn vi c¬ ®o lùc
Vò Ngäc Hïng, NguyÔn §øc ChiÕn, TrÞnh Quang Th«ng
Trung t©m Quèc tÕ §µo t¹o vÒ Khoa häc VËt liÖu (ITIMS)
§inh V¨n Dòng
Khoa VËt lý, Tr−êng §HSP Hµ néi 2
Tãm t¾t
C¸c c¶m biÕn ®o lùc kÝch th−íc nhá chÕ t¹o b»ng c«ng nghÖ vi c¬ ®· ®−îc thiÕt kÕ
vµ chÕ t¹o lÇn ®Çu tiªn t¹i ViÖt nam bëi nhãm MEMS t¹i Trung t©m ITIMS. CÊu
tróc c¶m biÕn nµy gåm mét mµng silic chiÒu dµy cì 45 micron, ë t©m cã thiÕt kÕ
thªm mét t©m cøng lµm ®iÓm ®Æt lùc. TÝn hiÖu c¬ ®−îc chuyÓn ®æi qua mét cÇu
®iÖn trë hoÆc ®iÖn trë 4 ®iÖn cùc thµnh tÝn hiÖu ®iÖn lèi ra. Trong bµi b¸o nµy
chóng t«i tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý, qui tr×nh chÕ t¹o, vµ c¸c kh¶o s¸t ®Æc tr−ng
cña c¶m biÕn.
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. Më ®Çu
C¸c cÊu tróc ®o tÝn hiÖu c¬ tiªu biÓu th−êng cã d¹ng c¸c mµng hoÆc c¸c
thanh dÇm ®−îc chÕ t¸c 3 chiÒu tõ c¸c vËt liÖu khèi. ChØ cã thÓ chÕ t¹o c¸c cÊu
tróc nµy víi ®é chÝnh x¸c cao nhê c«ng nghÖ vi c¬ (micromachining
technology). Do tÝnh ®Æc thï còng nh− kh¶ n¨ng ®Æc biÖt cña c«ng nghÖ vi c¬,
c«ng nghÖ nµy ®· ®−îc øng dông ®Ó chÕ t¹o c¸c cÊu tróc vµ c¸c bé c¶m biÕn
øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau nh− trong c«ng nghiÖp, kü thuËt, y
tÕ, qu©n sù,... Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, víi sù hç trî ®¾c lùc cña c«ng nghÖ
vi ®iÖn tö vµ c«ng nghÖ tin häc, c«ng nghÖ vi c¬ ®· ph¸t triÓn m¹nh mÏ vµ
réng kh¾p trªn thÕ giíi. Nhãm MEMS ë Trung t©m Quèc tÕ §µo t¹o vÒ Khoa
häc VËt liÖu (ITIMS) lµ nhãm ®Çu tiªn ë ViÖt nam triÓn khai vµ thµnh c«ng
trong mét sè lo¹i c¶m biÕn nhê c«ng nghÖ nµy. Trªn c¬ së chÕ t¹o thµnh c«ng
c¶m biÕn ¸p suÊt víi cÊu tróc c¬ b¶n lµ mét mµng ph¼ng, mét mÉu c¶m biÕn
míi víi mét t©m cøng ®−îc thiÕt kÕ thªm ë t©m mµng ®· ®−îc ph¸t triÓn ®Ó ®o
lùc vµ ®o khèi l−îng. Nhê t©m cøng nµy, c¸c t¸c dông tËp trung vµo mét ®iÓm
nh− t¸c dông lùc cã thÓ ®Æt trùc tiÕp lªn mµng c¶m biÕn. Sù uèn cong cña
mµng d−íi t¸c dông cña lùc sÏ ®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn lèi ra nhê
mét cÇu ®iÖn trë hoÆc ®iÖn trë 4 ®iÖn cùc ®· khuÕch t¸n trªn mµng t−¬ng tù
nh− trong c¸c c¶m biÕn ¸p suÊt [1,2]. Tuú theo yªu cÇu vÒ ph¹m vi ®o lùc hay
®o khèi l−îng, bÒ dµy mµng vµ kÝch th−íc c¹nh mµng ®−îc lùa chän mét c¸ch
thÝch hîp kh¸c nhau. Trong kh¶o s¸t cña chóng t«i, c¸c c¶m biÕn lùc víi mµng
vu«ng 5 x 5mm2, 7 x 7 mm2, 9 x 9 mm2, vµ 10 x 10 mm2, bÒ dµy mµng cì 45
µm ®· ®−îc thùc hiÖn. Trong vïng lµm viÖc tuyÕn tÝnh, c¸c lùc lín nhÊt cã thÓ
®o ®−îc lµ 0.686 N (t−¬ng øng víi khèi l−îng lµ 70 g), lùc nhá nhÊt ®o ®−îc
lµ 0.013 N (t−¬ng øng víi khèi l−îng lµ 13 mg). §é nh¹y lùc ®¹t tíi 78.63
mV/V.N (hay 0.77 mV/V.g).
2. S¬ ®å vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¶m biÕn
Kh¸c víi c¶m biÕn ¸p suÊt ë ®ã t¸c dông c¬ häc ®−îc ph©n bè gÇn nh−
®ång ®Òu trªn mét mµng diÖn tÝch nhá, c¶m biÕn lùc cÇn ®o t¸c dông lùc cã
tÝnh tËp trung vµo mét ®iÓm (do vËy ph©n bè kh«ng ®Òu trªn mµng). V× vËy,
mét t©m cøng ë gi÷a mµng lµ cÇn thiÕt ®−îc thiÕt kÕ thªm trªn mét mµng
ph¼ng lµm ®iÓm ®Æt cña lùc (h×nh 1). T©m cøng nµy ngoµi t¸c dông lµm ®iÓm
®Æt cho lùc, cßn cã kh¶ n¨ng lµm më réng vïng tuyÕn tÝnh cña c¶m biÕn. Khi
mµng uèn cong do t¸c dông cña lùc, trªn mµng sÏ xuÊt hiÖn c¸c øng suÊt víi
ph©n bè kh¸c nhau trªn mµng. C¸c kh¶o s¸t cho thÊy, vïng l©n cËn víi trung
®iÓm c¸c c¹nh mµng cã ph©n bè øng suÊt lín nhÊt [3]. §iÒu nµy gîi ý r»ng c¸c
vÞ trÝ tèt nhÊt ®Ó ®Æt c¸c ¸p ®iÖn trë lµ gÇn víi trung ®iÓm c¸c c¹nh mµng. Cã
thÓ sö dông hai lo¹i ¸p ®iÖn trë lµ c¸c ¸p ®iÖn trë kiÓu cÇu ®iÖn trë Wheastone
nh− trong h×nh 1b vµ ¸p ®iÖn trë kiÓu ®iÖn trë 4 ®iÖn cùc nh− trong h×nh 1c.
a) b) c)
H×nh 1. S¬ ®å c¶m biÕn vi c¬ ®o lùc vµ ho¹t ®éng:
a) Mµng cã t©m cøng vµ sù uèn cong mµng khi cã t¸c dông lùc
b) ChuyÓn ®æi tÝn hiÖu qua mét cÇu ®iÖn trë Wheastone
c) ChuyÓn ®æi tÝn hiÖu nhê ®iÖn trë 4 ®iÖn cùc
1
2 3
4
4
3
2
1
Trong c¶ hai s¬ ®å, ®iÖn ¸p nu«i ®Òu ®−îc ®Æt vµo c¸c cùc 1 vµ 3, ®iÖn ¸p ra
®−îc lÊy trªn c¸c cùc 2 vµ 4.
Ho¹t ®éng cña c¶m biÕn vi c¬ silic ®o lùc dùa trªn hiÖu øng ¸p ®iÖn trë
trong vËt liÖu b¸n dÉn. Khi mµng silic bÞ uèn cong, c¸c ¸p ®iÖn trë ®−îc
khuÕch t¸n trªn ®ã sÏ thay ®æi gi¸ trÞ. §èi víi cÇu ®iÖn trë, nÕu hai ®iÖn trë
song song víi c¹nh mµng t¨ng gi¸ trÞ, th× hai ®iÖn trë vu«ng gãc víi c¹nh
mµng gi¶m gi¸ trÞ, lµm cÇu ®iÖn trë mÊt c©n b»ng [4]. §èi víi ®iÖn trë 4 ®iÖn
cùc, ®−îc ®Æt nghiªng mét gãc 450 so víi c¹nh mµng [110], nªn sù uèn cong
mµng lµm sù thay ®æi ®iÖn trë suÊt trªn c¸c vïng kh¸c nhau cña ®iÖn trë lµ rÊt
kh¸c nhau. Theo h−íng vu«ng gãc víi dßng ®iÖn ®Æt vµo, sÏ xuÊt hiÖn mét thÕ
hiÖu kh¸c 0 [5]. Sù thay ®æi gi¸ trÞ cña ®iÖn trë phô thuéc mét c¸ch ®Þnh l−îng
vµo ®é lÖch mµng (tøc lµ vµo lùc t¸c dông), nªn ®é lÖch ®iÖn ¸p lèi ra còng
phô thuéc ®Þnh l−îng vµo lùc. B»ng c¸ch ®o ®é lÖch ®iÖn ¸p lèi ra, hoµn toµn
cã thÓ x¸c ®Þnh ®é lín cña lùc t¸c dông. Trong tr−êng hîp lùc t¸c dông lµ
träng l−îng cña vËt ®Æt vu«ng gãc víi bÒ mÆt mµng c¶m biÕn, cã thÓ suy ra
khèi l−îng vËt khi ®· x¸c ®Þnh ®−îc trong lùc P nhê c«ng thøc:
g
P
m=
V× vËy, lo¹i c¶m biÕn nµy cßn cã thÓ sö dông ®Ó ®o khèi l−îng. Gi¸ trÞ cña gia
tèc träng tr−êng g phô thuéc vµo vÞ trÝ ®o trªn Tr¸i ®Êt, nh−ng kh¸c nhau
kh«ng nhiÒu l¾m, nªn trong c¸c chØ thÞ vÒ ®é nh¹y còng nh− vÒ vïng lµm viÖc
tuyÕn tÝnh, cã thÓ chØ thÞ theo ®¬n vÞ lùc (N), hoÆc t−¬ng ®−¬ng theo ®¬n vÞ
khèi l−îng (g).
3. Qui tr×nh chÕ t¹o
Trªn h×nh 2 m« t¶ qui tr×nh
chÕ t¹o c¶m biÕn vi c¬ silic ®o lùc.
C¸c phiÕn silic lo¹i n, cã ®Þnh
h−íng bÒ mÆt (100), bÒ dµy 380
µm, ®iÖn trë suÊt kho¶ng 5 - 10
Ω.cm ®−îc sö dông. Sau qu¸ tr×nh
lµm s¹ch mÉu (SC), phiÕn silic
®−îc « xi ho¸ nhiÖt ®Ó t¹o ra líp «
xÝt silic SiO2 lµm vËt liÖu b¶o vÖ
mÉu trong qu¸ tr×nh ¨n mßn. BÒ
dµy líp « xÝt yªu cÇu kho¶ng 1,5
µm. TiÕp theo, kü thuËt quang
kh¾c ®−îc sö dông ®Ó më c¸c cöa
sæ ¨n mßn t¹o mµng (mask1). ¡n
mßn tÝch cùc trong dung dÞch
KOH ®−îc thùc hiÖn ®Ó t¹o ra c¸c
mµng c¶m biÕn. Trong thiÕt kÕ
mask 1, mét diÖn tÝch SiO2 thÝch
H×nh 2. Qui tr×nh chÕ t¹o c¶m biÕn vi c¬ ®o
l
ù
c vµ ®o khèi l−
î
n
g
PhiÕn silic lo¹i n,
®
Þ
nh h−ín
g
(
100
)
¤
xi ho¸
Quan
g
kh¾c mÆt sau
¡n mßn t¹o mµn
g
Hµn d©
y
vµ ®ãn
g
g
ãi
Quan
g
kh¾c t¹o ®iÖn cùc
Bèc ba
y
Al
Phñ t¹
SOD vµ
khuÕch t¸n
Quang kh¾c
t¹o ®iÖn trë
Më cöa sæ ®iÖn cùc
hîp ë t©m mµng ®−îc gi÷ l¹i, v× vËy cÊu tróc mµng cã t©m cøng ®−îc t¹o ra.
Sau b−íc xö lý ¨n mßn, cÊu tróc c¬ cña c¶m biÕn ®· hoµn thµnh. C¸c b−íc tiÕp
theo nh»m chÕ t¹o cÊu tróc ®iÖn trªn c¶m biÕn, bao gåm: quang kh¾c mask 2
®Ó t¹o cöa sæ ®iÖn trë, khuÕch t¸n ®Ó t¹o c¸c ®iÖn trë, quang kh¾c mask 3 ®Ó
më cña sæ c¸c tiÕp xóc cho ®iÖn trë, bèc bay Al ®Õ t¹o c¸c tiÕp xóc, quang
kh¾c mask 4 ®Ó t¹o c¸c ®iÖn cùc, vµ cuèi cïng lµ hµn d©y dÉn vµ ®ãng gãi linh
kiÖn. KÝch th−íc c¹nh mµng ®−îc x¸c ®Þnh trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ mask.
Trong kh¶o s¸t cña chóng t«i, c¸c mµng vu«ng víi c¸c kÝch th−íc 5 x 5 mm2,
7 x 7 mm2, 9 x 9 mm2,10 x 10 mm2 ®· ®−îc lùa chän. C¸c t©m cøng ®−îc lùa
chän lµ 1 x 1 mm2. BÒ dµy mµng ®−îc x¸c ®Þnh nhê khèng chÕ thêi gian ¨n
mßn vµ ®−îc lùa chän lµ 45 µm víi ®é chÝnh x¸c ®¹t tíi ±2 µm.
4. Kh¶o s¸t c¸c ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn
§Ó x¸c ®Þnh ®¸p tuyÕn cña
c¶m biÕn theo lùc t¸c dông, mét bé
gia träng chuÈn tíi gam (t−¬ng øng
víi lùc chÝnh x¸c tíi 10-2 N) ®−îc
sö dông. B»ng c¸ch thay ®æi khèi
l−îng gia träng ®Æt lªn t©m cøng,
ta ®· thay ®æi ®é lín cña lùc t¸c
dông. Mµng cña c¶m biÕn sÏ uèn
cong kh¸c nhau øng víi lùc t¸c
dông kh¸c nhau, nªn ®iÖn ¸p ra thu
®−îc còng kh¸c nhau vµ phô thuéc
vµo lùc t¸c dông. Trªn h×nh 3 vµ 4
biÓu diÔn mét sè kÕt qu¶ cña c¸c
phÐp ®o nµy. D¸ng ®iÖu cña c¸c
®−êng ®Æc tr−ng cho thÊy, trong
ph¹m vi nhá cña lùc t¸c dông, ®iÖn
¸p ra lµ tØ lÖ thuËn víi lùc t¸c dông.
§©y lµ vïng lµm viÖc tuyÕn tÝnh
cña c¶m biÕn. Víi c¸c lùc lín h¬n,
tèc ®é thay ®æi ®iÖn ¸p ra lµ thÊp
dÇn, ®é dèc cña ®−êng ®Æc tr−ng
gi¶m dÇn. KÕt qu¶ nµy ®óng cho
tÊt c¶ c¸c c¶m biÕn ®· chÕ t¹o.
Víi cïng mét bÒ dµy mµng
vµ kÝch th−íc t©m cøng, c¸c mµng
cã diÖn tÝch lín sÏ nh¹y tÝn hiÖu
lùc h¬n c¸c mµng diÖn tÝch nhá.
NÕu coi ®é nh¹y lùc cña c¶m biÕn
®o b»ng tØ sè gi÷a ®iÖn ¸p ra t−¬ng
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0
10
20
30
40
50
TÝn hiÖu ra Vout.1000/Vin
Lùc t¸c dông (N)
a
0.00.51.01.52.0
0
10
20
30
40
50
60
TÝn hiÖu ra Vout.1000/Vin
Lùc t¸c dông (N)
b
H×nh 3. §¸p tuyÕn tÝn hiÖu ra theo lùc t¸c
dông ®èi víi c¶m biÕn kiÓu cÇu ®iÖn trë:
a) C¶m biÕn cã kÝch th−íc mµng
7x7mm2
b) C¶m biÕn cã kÝch th−íc mµng
9x9mm2
®èi trªn c¶m biÕn (®iÖn ¸p ra /®iÖn ¸p nu«i), víi lùc t¸c dông, th× ®é nh¹y c¶m
biÕn b»ng hÖ sè gãc cña ®−êng ®Æc tr−ng trong vïng lµm viÖc tuyÕn tÝnh. Tõ
c¸c ®¸p tuyÕn cña c¶m biÕn theo lùc t¸c dông, ®é nh¹y cña c¸c c¶m biÕn víi
c¸c diÖn tÝch mµng kh¸c nhau ®· ®−îc x¸c ®Þnh. C¸c kÕt qu¶ nµy ®−îc tr×nh
bµy trong b¶ng 1.
C¶m biÕn cã ®é nh¹y cao sÏ
thÝch hîp trong c¸c phÐp ®o lùc nhá
vµ ®é chÝnh x¸c cao. Ng−îc l¹i, c¸c
c¶m biÕn ®é nh¹y thÊp l¹i thÝch hîp
trong c¸c tr−êng hîp cÇn x¸c ®Þnh
lùc cã c−êng ®é lín, khi ®ã râ rµng
c¸c sai lÖch nhá vÒ kÕt qu¶ ®o lµ
kh«ng quan träng. Do cã giíi h¹n vÒ
®é chÝnh x¸c cña c¸c thiÕt bÞ chØ thÞ,
ch¼ng h¹n c¸c v«n kÕ ®−îc sö dông
lµ lo¹i LEADER, chÝnh x¸c tíi 10-2
mV, còng nh− do c¸c nhiÔu g©y ra,
c¸c c¶m biÕn chØ cho phÐp chØ thÞ tíi
mét ®é chÝnh x¸c nµo ®ã. §ã chÝnh
lµ giíi h¹n lùc nhá nhÊt cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc. Trong c¸c kh¶o s¸t cña chóng
t«i, víi ®é chÝnh x¸c kh«ng nhiÔu cña ®iÖn ¸p ra lµ 10-2 mV, c¸c gi¸ trÞ nhá
nhÊt cña lùc ®o ®−îc lµ 0.013 N cho lo¹i mµng 9 x 9 mm2 (t−¬ng øng víi khèi
l−îng 13 mg), vµ lín nhÊt lµ 0.686 N cho lo¹i mµng 5 x 5 mm2 (t−¬ng øng víi
khèi l−îng 70 mg), nh− tr×nh bµy trong b¶ng 1.
B¶ng 1. §é nh¹y, vïng lµm viÖc tuyÕn tÝnh, giíi h¹n ®o lùc vµ khèi l−îng cña c¸c c¶m
biÕn.
Lo¹i c¶m biÕn §é nh¹y
Vïng lµm
viÖc tuyÕn
tÝnh
Lùc nhá nhÊt
®o ®−îc (N)
Khèi l−îng nhá
nhÊt ®o ®−îc
(mg)
Mµng 5 x 5 mm2
cÇu ®iÖn trë
51.06 mV/V.N
0.50 mV/V.g
0 - 0.686 N
0 - 70 g
0.019 20
Mµng 7 x 7 mm2
cÇu ®iÖn trë 70.46 mV/V.N
0.69 mV/V.g 0 - 0.294 N
0 - 30 g 0.014 14
Mµng 9 x 9 mm2
cÇu ®iÖn trë 78.63 mV/V.N
0.77 mV/V.g 0 - 0.147 N
0 - 15 g 0.013 13
Mµng 10 x 10 mm2
®iÖn trë 4 ®iÖn cùc 14.30 mV/V.N
0.14 mV/V.g 0 - 0.392 N
0 - 40 g 0.070 71
5. KÕt LuËn
Víi ®iÒu kiÖn c«ng nghÖ hiÖn cã ë c¸c phßng thÝ nghiÖm ITIMS, lo¹i
c¶m biÕn vi c¬ kiÓu ¸p trë ®o lùc vµ ®o khèi l−îng ®· ®−îc thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o
thµnh c«ng. Trong c«ng nghÖ nµy, chóng t«i chØ sö dông thiÕt bÞ quang kh¾c
mét mÆt, vËt liÖu b¶o vÖ trong xö lÝ ¨n mßn lµ «-xÝt silic SiO2 chÕ t¹o theo
ph−¬ng ph¸p « xi ho¸ nhiÖt. C¸c kh¶o s¸t ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn ®· ®−îc thùc
0 20406080100
0
5
10
15
20
25
TÝn hiÖu ra Vout.1000/Vin
Lùc t¸c dông (N)
10 x10, gage
H×nh 4. §¸p tuyÕn tÝn hiÖu ra theo lùc t¸c
dông ®èi víi c¶m biÕn kiÓu ®iÖn trë 4 ®iÖ
n
cùc cã kÝch th−íc mµng 10x10mm2