Thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở

- NGUYỄN VĂN TOÁN KHOA HỌC VẬT LIỆU THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU ÁP TRỞ LUẬN VĔN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU KHOÁ 2009 NGƯỜI HƯNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.
- NGUYỄN VĂN TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU ÁP TRỞ LUẬN VĔN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.
- Hình 1.2.Hình minh họa kích thước các vi cấu trúc MEMS.
- Hình 1.3.Quy trình chế tạo các cấu trúc MEMS dưới dạng mẻ Error! Bookmark not defined.
- Hình 1.4.Mô hình toán học cấu trúc cảm biến gia tốc.
- Hình 1.5.Một số cấu trúc cơ của cảm biến gia tốc Error! Bookmark not defined.
- Hình 1.6.Một cấu trúc cảm biến gia tốc mới.
- Hình 1.7.Cấu trúc cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở.
- (a) Hình vẽ cấu trúc cảm biến áp điện màng dày, (b) ảnh SEM cấu trúc cảm biến gia tốc áp điện.
- Nguyên lý hoạt động của gia tốc kiểu tụ.
- Hình 1.10.Quy ước hệ trục tọa độ Đê các trên phiến Silic.
- Hình 1.11.
- Hình 1.12.Các hệ số áp điện trở của silic loại p trong mặt (111)(Pa-1.
- Hình 1.13.Các hệ số áp điện trở của silic loại p trong mặt (100)(Pa-1.
- Hình 1.14.Các hệ số áp điện trở của silic loại p trong mặt (110)(Pa-1.
- Hình 2.10.
- Hình 2.11.
- Hình 2.12.
- Hình 2.13.
- Hình 2.14.
- Hình 2.15.
- Hình 2.16.
- Các bước chính trong quy trình công nghệ chế tạo cảm biến.
- Hình 2.17.
- Hình 2.18.
- Hình 2.19.
- Hình 2.20.
- Hình 2.21.
- Hình 2.22.
- Hình ảnh mặt trước cảm biến sau bước chế tạo thanh dầm.
- Hình 2.23.
- Hình 2.24.
- Hình 2.25.
- Cấu trúc cảm biến sau khi được chế tạo.
- Hình 2.26.
- Phiến silic trên đó chế tạo cảm biến gia tốc - Error! Bookmark not defined.
- Hình 2.27.
- Hình 2.28.
- Cấu trúc vỏ cảm biến tự thiết kế và chế tạo - Error! Bookmark not defined.
- Hình 2.29.
- Hình 2.30.
- Hình 2.31.
- Hình ảnh cảm biến đã hàn dây và gắn vào đế.
- Sơ đồ khối hệ đo gia tốc tổng quát.
- Các thiết bị trong hệ đo gia tốc.
- Sơ đồ khối hệ chuẩn hoá cảm biến gia tốc.
- Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến gia tốc.
- Máy đo gia tốc chuẩn AVT-CZ Mitutyo.
- Hình 3.10.
- Hình 3.11.
- Hình 3.12.
- Hình 3.13.
- Hình 3.14.
- Tín hiệu ra theo dải gia tốc ở tần số 20Hz.
- Hình 3.15.
- Tín hiệu ra theo dải gia tốc ở tần số 50Hz.
- Hình 3.16.
- Tín hiệu ra theo dải gia tốc ở tần số 80Hz.
- Hình 3.17.
- Nhiễu trên cầu điện trở Az của cảm biến 2x2.
- Hình 3.18.
- Tín hiệu ra tại gia tốc 1g ở 50Hz.
- Hình 3.19.
- Tín hiệu ra theo dải gia tốc từ 0 đến 3g.
- Hình 3.20.
- Đặc trưng tần số theo phương z gia tốc 1g.
- Hình 3.21.
- Đặc trưng tần số theo phương z gia tốc 2g.
- Hình 3.22.
- Đặc trưng tần số theo phương z gia tốc 3g.
- Hình 3.23.
- Đặc trưng tần số của cảm biến 2x2 theo phương z.
- Các cảm biến gia tốc MEMS có những ưu điểm nổi trội như độ nhạy cao, ổn định, kích thước nhỏ nhẹ vì thế được ứng dụng nhiều trong thiết bị y tế cũng như robot.
- Để có thể ứng dụng cảm biến gia tốc trong thực tiễn, việc nghên cứu hoàn thiện công nghệ nhằm nâng cao độ nhạy và tính ổn định cũng nhưthunhỏ kích thước là vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu.
- Trong kuôn khổ luận văn này vấn đề thiết kế chế tạo cảm biến giảm tốc trên cơ sở công nghệ MEMS đã được triển khai nghiên cứu.
- Trong chương này cảm biến gia tốc với các tính chất điện và tính chất điện đặc trưng đã được đề cập.
- Thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009.
- Chương 2 trình bày quy trình công nghệ chế tạo và đóng gói cảm biến gia tốc.
- Chương 3 đề cập cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc trên cơ sở phương pháp rung.
- Các kết quả khảo sát đặc trưng điện áp - gia tốc cũng như đặc trưng tần số của cảm biến đã được trình bày.
- Sơ đồ khối của các thành phần MEMS (a), sơ đồ cấu tạo một thiết bị MEMS hoàn chỉnh Tín hiệu vào và ra của một hệ thống vi cơ điện tử hết sức đa dạng như năng lượng, vật lý, cơ học, quang học, hoá học hay sinh học, trong khi đó công nghệ vi Processing ICSensorsActuatorsOutInEnergyPhysicalMechanicalOpticalChemicalBiological....EnergyPhysicalMechanicalOpticalChemicalBiological....Silicon chipN¨ng l- î ng VËt lý C¬ häc Quang häc Ho¸ häc Sinh häc IC xö lýC¶m biÕn ChÊp hµnh VµoRaN¨ ng l- î ng VËt lý C¬ häc Quang häc Ho¸ häc Si nh h ä c … Vi cÊu tróc c¬ Vi c¶m biÕn Vi ®iÖn töVi chÊp hµnh Thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009.
- Với cấu trúc như vậy, các vi hệ thống này cho phép cảm nhận sự dịch chuyển cơ học ở phạm vi kích thước cỡ µm (hình 1.2) nhờ các vi cảm biến, và thông qua hệ thống vi điện tử, bộ phận vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường xung quanh theo ý muốn của con người.
- Hình minh họa kích thước các vi cấu trúc MEMS Một đặc điểm của lĩnh vực MEMS là có thể chế tạo các vi cảm biến theo từng mẻ (batch), kế thừa từ lĩnh vực vi điện tử, nghĩa là trên một phiến Si đơn tinh thể đường kính 2 inch, 3 inch hoặc 4 inch (loại n hoặc p với các định hướng bề mặt khác nhau) có thể chế tạo cùng lúc một loạt các cấu trúc giống nhau (hình 1.3).
- Nhờ kích thước nhỏ và việc sản xuất hàng loạt này mà MEMS có giá thành thấp hơn và Nguyªn töDNAVi-rótTÕ bµo§-êngkÝnh sî i tãc Giät n- íc Con ng- êi1A1nm1 µm 1 mm 1 m MEMSN- íc M µng mángVi dÇm, vi mµng Gií i h¹ n quang kh¾cVi m¹ ch C«ng nghÖ nanoHãa häc, sinh häc ph©n tö C¬ khÝ chÝnh x¸c Thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009.
- Quy trình chế tạo các cấu trúc MEMS dưới dạng mẻ 1.2 Tổng quan về cảm bin gia tốc Cảm biến gia tốc vi cơ silic ngày càng trở nên quan trọng do nhu cầu rất lớn cho các ứng dụng trong cụng nghiệp, trong lĩnh vực robot và công nghiệp hàng tiêu dùng, như các bộ phận giữ cân bằng trong các máy ảnh, máy quay phim kỹ thuật số hiện nay [1.3].
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc áp điện trở cũng là linh kiện bán dẫn trên cơ sở vật liệu silic (Si), được sử dụng để nhận biết sự thay đổi gia tốc của một hệ trong khi đang chuyển động.
- Cấu trúc cơ bản của một vi cảm biến gia tốc thông thường bao gồm một khối gia trọng (mass) đóng vai trò phần tử nhạy cơ được treo trên một khung cố định bằng một hoặc nhiều thanh dầm silic mỏng (beam) có tính đàn hồi cao trên đó có các điện trở tích hợp dạng màng mỏng.
- PhiÕn silicC¸ c chip nhá Thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009.
- Hoạt động của cấu trúc dựa trên định luật II Newton: aMdtpdFrrr== (1.1) Hình 1.4.
- Mô hình toán học cấu trúc cảm biến gia tốc Trong đó, Fr là lực tác dụng lên khối gia trọng, pr là mômen xung lượng, M là khối lượng khối gia trọng và ar là gia tốc của khối gia trọng.
- Như vậy, gia tốc đã gây ra một lực quán tính tác dụng lên khối gia trọng.
- đây, ta đang xét chuyển vị tĩnh, chỉ đúng cho trường hợp thay đổi chậm của gia tốc theo thời gian, nghĩa là, tần số thay đổi rất nhỏ so với tần số dao động riêng của cấu trúc.
- Lò xoBộgiảmchấnKhốigia trọngChuyểnvị Thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009.
- Dùng phép biến đổi Laplace, ta thu được hàm truyền cơ học bậc hai từ gia tốc sang chuyển vị của khối gia trọng rrQssAsXsHωω (1.4) Trong đó, MKr=ω là tần số dao động riêng và DMQrω= là hệ số phẩm chất, X(s) và A(s) là biến đổi laplace của chuyển vị và gia tốc tương ứng.
- Từ phương trình này có thể viết lại (1.2) theo tần số dao dộng riêng: 2rtinhadω= (1.5) Kết quả cho thấy độ chuyển vị phụ thuộc một cách tuyến tính vào gia tốc, do đó có thể dùng chuyển vị làm thước đo gia tốc [1.3].
- Phần sau đây sẽ phân loại các cảm biến gia tốc theo hiệu ứng vật lý dùng để đo chuyển vị.
- 1.2.1 Phân loại cảm bin gia tốc Hình 1.5.
- Một số cấu trúc cơ của cảm biến gia tốc Về mặt công nghệ, cảm biến gia tốc được chia thành hai loại là cảm biến gia tốc vi cơ bề mặt và cảm biến vi cơ khối.
- đây, ta chỉ đề cập hạn chế tới các cảm biến gia tốc chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối.
- Về mặt cấu trúc cơ học, cảm biến gia tốc đầu tiên thường có một trong các dạng như trên hình 1.5

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt