Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các đặc trưng của cảm biến vi cơ đo lực

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

423
lượt xem 155
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các cảm biến do 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 micro, ở tâm có thiết kế thêm một tâm cứng làm điểm đặt lực. Tín hiệu cơ được chuyển đổi qua một cầu điện trở 4 điện cực thành tín hiệu điện lối ra. Trong bài báo này chúng tôi trình bày sơ đồ nguyên lý, quy trình chế tạo, và các...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các đặc trưng của cảm biến vi cơ đo lực

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 2 3 4 3 2 1 1 4 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 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.
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: P m= g 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). Phñ t¹p SOD vµ 3. Qui tr×nh chÕ t¹o khuÕch t¸n PhiÕn silic lo¹i n, ®Þnh h−íng (100) Trªn h×nh 2 m« t¶ qui tr×nh chÕ t¹o c¶m biÕn vi c¬ silic ®o lùc. ¤ xi ho¸ Më cöa sæ ®iÖn cùc 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 Quang kh¾c mÆt sau Bèc bay Al lµm s¹ch mÉu (SC), phiÕn silic ®−îc « xi ho¸ nhiÖt ®Ó t¹o ra líp « ¡n mßn t¹o mµng xÝt silic SiO2 lµm vËt liÖu b¶o vÖ Quang kh¾c t¹o ®iÖn cùc mÉu trong qu¸ tr×nh ¨n mßn. BÒ dµy líp « xÝt yªu cÇu kho¶ng 1,5 µm. TiÕp theo, kü thuËt quang Quang kh¾c Hµn d©y vµ ®ãng gãi kh¾c ®−îc sö dông ®Ó më c¸c cöa t¹o ®iÖn trë 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 H×nh 2. Qui tr×nh chÕ t¹o c¶m biÕn vi c¬ ®o mask 1, mét diÖn tÝch SiO2 thÝch lùc vµ ®o khèi l−îng
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 50 gia träng chuÈn tíi gam (t−¬ng øng víi lùc chÝnh x¸c tíi 10-2 N) ®−îc 40 TÝn hiÖu ra Vout.1000/Vin sö dông. B»ng c¸ch thay ®æi khèi 30 l−îng gia träng ®Æt lªn t©m cøng, ta ®· thay ®æi ®é lín cña lùc t¸c 20 dông. Mµng cña c¶m biÕn sÏ uèn 10 a cong kh¸c nhau øng víi lùc t¸c dông kh¸c nhau, nªn ®iÖn ¸p ra thu 0 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 ®−îc còng kh¸c nhau vµ phô thuéc Lùc t¸c dông (N) vµo lùc t¸c dông. Trªn h×nh 3 vµ 4 biÓu diÔn mét sè kÕt qu¶ cña c¸c 60 phÐp ®o nµy. D¸ng ®iÖu cña c¸c 50 ®−êng ®Æc tr−ng cho thÊy, trong TÝn hiÖu ra Vout.1000/Vin 40 ph¹m vi nhá cña lùc t¸c dông, ®iÖn ¸p ra lµ tØ lÖ thuËn víi lùc t¸c dông. 30 §©y lµ vïng lµm viÖc tuyÕn tÝnh 20 cña c¶m biÕn. Víi c¸c lùc lín h¬n, b 10 tèc ®é thay ®æi ®iÖn ¸p ra lµ thÊp dÇn, ®é dèc cña ®−êng ®Æc tr−ng 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 gi¶m dÇn. KÕt qu¶ nµy ®óng cho Lùc t¸c dông (N) tÊt c¶ c¸c c¶m biÕn ®· chÕ t¹o. Víi cïng mét bÒ dµy mµng H×nh 3. §¸p tuyÕn tÝn hiÖu ra theo lùc t¸c vµ kÝch th−íc t©m cøng, c¸c mµng dông ®èi víi c¶m biÕn kiÓu cÇu ®iÖn trë: cã diÖn tÝch lín sÏ nh¹y tÝn hiÖu a) C¶m biÕn cã kÝch th−íc mµng 7x7mm2 lùc h¬n c¸c mµng diÖn tÝch nhá. b) C¶m biÕn cã kÝch th−íc mµng NÕu coi ®é nh¹y lùc cña c¶m biÕn 9x9mm2 ®o b»ng tØ sè gi÷a ®iÖn ¸p ra t−¬ng
®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 25 10 x10, gage thÝch hîp trong c¸c phÐp ®o lùc nhá 20 vµ ®é chÝnh x¸c cao. Ng−îc l¹i, c¸c TÝn hiÖu ra Vout.1000/Vin c¶m biÕn ®é nh¹y thÊp l¹i thÝch hîp 15 trong c¸c tr−êng hîp cÇn x¸c ®Þnh lùc cã c−êng ®é lín, khi ®ã râ rµng 10 c¸c sai lÖch nhá vÒ kÕt qu¶ ®o lµ 5 kh«ng quan träng. Do cã giíi h¹n vÒ ®é chÝnh x¸c cña c¸c thiÕt bÞ chØ thÞ, 0 0 20 40 60 80 100 ch¼ng h¹n c¸c v«n kÕ ®−îc sö dông Lùc t¸c dông (N) -2 lµ lo¹i LEADER, chÝnh x¸c tíi 10 mV, còng nh− do c¸c nhiÔu g©y ra, H×nh 4. §¸p tuyÕn tÝn hiÖu ra theo lùc t¸c c¸c c¶m biÕn chØ cho phÐp chØ thÞ tíi dông ®èi víi c¶m biÕn kiÓu ®iÖn trë 4 ®iÖn cùc cã kÝch th−íc mµng 10x10mm2 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 Lùc nhá nhÊt Khèi l−îng nhá viÖc tuyÕn ®o ®−îc (N) nhÊt ®o ®−îc tÝnh (mg) 2 Mµng 5 x 5 mm 51.06 mV/V.N 0 - 0.686 N 0.019 20 cÇu ®iÖn trë 0.50 mV/V.g 0 - 70 g Mµng 7 x 7 mm2 70.46 mV/V.N 0 - 0.294 N 0.014 14 cÇu ®iÖn trë 0.69 mV/V.g 0 - 30 g Mµng 9 x 9 mm2 78.63 mV/V.N 0 - 0.147 N 0.013 13 cÇu ®iÖn trë 0.77 mV/V.g 0 - 15 g Mµng 10 x 10 mm2 14.30 mV/V.N 0 - 0.392 N 0.070 71 ®iÖn trë 4 ®iÖn cùc 0.14 mV/V.g 0 - 40 g 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
hiÖn. KÕt qu¶ cho thÊy, c¸c c¶m biÕn nµy ®¸p øng tèt yªu cÇu cña c¸c phÐp ®o lùc víi ®é chÝnh x¸c tõ 0.013 N trë nªn (t−¬ng øng víi ®o c¸c khèi l−îng lín h¬n 13 mg). Nhê ®é nh¹y cao vµ chÊt l−îng t−¬ng ®èi ®ång ®Òu trong chÕ t¹o, lo¹i c¶m biÕn nµy cã nhiÒu triÓn väng trong øng dông. Lêi c¶m ¬n C«ng tr×nh nµy ®−îc hoµn thµnh d−íi sù tµi trî cña §Ò tµi cÊp Bé m· sè B2001-59-02. Tµi liÖu tham kh¶o [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.