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

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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 r ...