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

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các đặc tr−ng 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, Tr−ờng ĐHSP Hà nội 2 Tóm tắt Các cảm biến đo lực kích th−ớc nhỏ chế tạo bằng công nghệ vi cơ đã đ−ợc 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 đ−ợc 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 tr−ng 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 th−ờng có dạng các màng hoặc các thanh dầm đ−ợc 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 nh− khả năng đặc biệt của công nghệ vi cơ, công nghệ này đã đ−ợc ứng dụng để chế tạo các cấu trúc và các bộ cảm biến ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh− 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 mới với một tâm cứng đ−ợc thiết kế thêm ở tâm màng đã đ−ợc phát triển để đo lực và đo khối l−ợng. Nhờ tâm cứng này, các tác dụng tập trung vào một điểm nh− tác dụng lực có thể đặt trực tiếp lên màng cảm biến. Sự uốn cong của màng d−ới tác dụng của lực sẽ đ−ợc chuyển đổi thành tín hiệu điện lối ra nhờ một cầu điện trở hoặc điện trở 4 điện cực đã khuếch tán trên màng t−ơng tự nh− trong các cảm biến áp suất [1,2]. Tuỳ theo yêu cầu về phạm vi đo lực hay đo khối l−ợng, bề dày màng và kích th−ớc cạnh màng đ−ợc 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 đ−ợc thực hiện. Trong vùng làm việc tuyến tính, các lực lớn nhất có thể đo đ−ợc là 0.686 N (t−ơng ứng với khối l−ợng là 70 g), lực nhỏ nhất đo đ−ợc là 0.013 N (t−ơng ứng với khối l−ợng 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 đ−ợc phân bố gần nh− 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 đ−ợc 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 nh− trong hình 1b và áp điện trở kiểu điện trở 4 điện cực nh− 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 Trong cả hai sơ đồ, điện áp nuôi đều đ−ợc đặt vào các cực 1 và 3, điện áp ra đ−ợc 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 đ−ợc 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, đ−ợc 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 h−ớng 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 l−ợng vào độ lệch màng (tức là vào lực tác dụng), nên độ lệch điện áp lối ra cũng phụ thuộc định l−ợng vào lực. Bằng cách đo độ lệch điện áp lối ra, hoàn toàn có thể xác định độ lớn của lực tác dụng. Trong tr−ờng hợp lực tác dụng là trọng l−ợng của vật đặt vuông góc với bề mặt màng cảm biến, có thể suy ra khối l−ợng vật khi đã xác định đ−ợc trong lực P nhờ công thức: g Pm = Vì vậy, loại cảm biến này còn có thể sử dụng để đo khối l−ợng. Giá trị của gia tốc trọng tr−ờng g phụ thuộc vào vị trí đo trên Trái đất, nh−ng khác nhau không nhiều lắm, nên trong các chỉ thị về độ nhạy cũng nh− về vùng làm việc tuyến tính, có thể chỉ thị theo đơn vị lực (N), hoặc t−ơng đ−ơng theo đơn vị khối l−ợng (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 h−ớng bề mặt (100), bề dày 380 àm, điện trở suất khoảng 5 - 10 Ω.cm đ−ợc sử dụng. Sau quá trình làm sạch mẫu (SC), phiến silic đ−ợc 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 đ−ợc sử dụng để mở các cửa sổ ăn mòn tạo màng (mask1). Ăn mòn tích cực trong dung dịch KOH đ−ợc 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 l−ợng Phiến silic loại n, định h−ớng (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 hợp ở tâm màng đ−ợc giữ lại, vì vậy cấu trúc màng có tâm cứng đ−ợc tạo ra. Sau b−ớc xử lý ăn mòn, cấu trúc cơ của cảm biến đã hoàn thành. Các b−ớc 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 th−ớc cạnh màng đ−ợc xác định trong quá trình thiết kế mask. Trong khảo sát của chúng tôi, các màng vuông với các kích th−ớc 5 x 5 mm2, 7 x 7 mm2, 9 x 9 mm2,10 x 10 mm2 đã đ−ợc lựa chọn. Các tâm cứng đ−ợc lựa chọn là 1 x 1 mm2. Bề dày màng đ−ợc xác định nhờ khống chế thời gian ăn mòn và đ−ợc lựa chọn là 45 àm với độ chính xác đạt tới ±2 àm. 4. Khảo sát các đặc tr−ng của cảm biến Để xác định đáp tuyến của cảm biến theo lực tác dụng, một bộ gia trọng chuẩn tới gam (t−ơng ứng với lực chính xác tới 10-2 N) đ−ợc sử dụng. Bằng cách thay đổi khối l−ợng 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 đ−ợc 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 đ−ờng đặc tr−ng 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 đ−ờng đặc tr−ng giảm dần. Kết quả này đúng cho tất cả các cảm biến đã chế tạo. Với cùng một bề dày màng và kích th−ớc 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 t−ơng 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1.2 0 10 20 30 40 50 T ín h iệ u ra V ou t.1 00 0/ V in Lực tác dụng (N) a 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 10 20 30 40 50 60 T ín h iệ u ra V ou t.1 00 0/ V in 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 th−ớc màng 7x7mm2 b) Cảm biến có kích th−ớc màng 9x9mm2 đối trên cảm biến (điện áp ra /điện áp nuôi), với lực tác dụng, thì độ nhạy cảm biến bằng hệ số góc của đ−ờng đặc tr−ng 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 đ−ợc xác định. Các kết quả này đ−ợc 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. Ng−ợc lại, các cảm biến độ nhạy thấp lại thích hợp trong các tr−ờng hợp cần xác định lực có c−ờng 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 đ−ợc sử dụng là loại LEADER, chính xác tới 10-2 mV, cũng nh− 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 đ−ợc. 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 đ−ợc là 0.013 N cho loại màng 9 x 9 mm2 (t−ơng ứng với khối l−ợng 13 mg), và lớn nhất là 0.686 N cho loại màng 5 x 5 mm2 (t−ơng ứng với khối l−ợng 70 mg), nh− trình bày trong bảng 1. Bảng 1. Độ nhạy, vùng làm việc tuyến tính, giới hạn đo lực và khối l−ợng của các cảm biến. Loại cảm biến Độ nhạy Vùng làm việc tuyến tính Lực nhỏ nhất đo đ−ợc (N) Khối l−ợng nhỏ nhất đo đ−ợc (mg) Màng 5 x 5 mm2 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 mm2 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 mm2 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 mm2 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 l−ợng đã đ−ợc 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 ph−ơng pháp ô xi hoá nhiệt. Các khảo sát đặc tr−ng của cảm biến đã đ−ợc thực 0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25 T ín h iệ u ra V ou t.1 00 0/ V in 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 th−ớc màng 10x10mm2 hiện. 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 (t−ơng ứng với đo các khối l−ợng lớn hơn 13 mg). Nhờ độ nhạy cao và chất l−ợng t−ơng đối đồng đều trong chế tạo, loại cảm biến này có nhiều triển vọng trong ứng dụng. Lời cảm ơn Công trình này đ−ợc hoàn thành d−ới 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.