- ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ. - ỨNG DỤNG SENSOR GIA TỐC MEMS. - TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ. - Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, cuộc cách mạng về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho tất cả các ngành công nghiệp. - Hệ thống vi cơ điện tử (MicroElectroMechanical System) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này.. - Hình 1.1 giới thiệu một số sản phẩm MEMS.. - Hình 1.1 Ảnh SEM của một số sản phẩm MEMS. - Các thiết bị MEMS giao tiếp với cả tín hiệu điện và không điện, đồng thời tương tác với thế giới vật lý cũng giống như với thế giới điện bằng cách kết hợp xử lý tín hiệu với các bộ cảm biến. - MEMS không chỉ bao gồm các thành phần điện mà còn có các phần tử cơ học, mà một số có thể chuyển động được như: sensor áp suất, sensor gia tốc, con quay vi cơ… Các thiết bị MEMS được thiết kế dựa trên các kỹ thuật VLSI và hệ. - Hình 1.2 trình bày kích thước điển hình của linh kiện MEMS khi so sánh với các đối tượng khác.. - Hình 1.2 Kích thước của linh kiện MEMS. - Những thành phần điện được cấu tạo bằng cách sử dụng công nghệ của mạch tích hợp (IC) [4]. - Những thành phần cơ học lại được cấu tạo từ công nghệ vi cơ (micromachining) trên đế silíc hoặc thêm vào những lớp cấu trúc mới để hình thành nên những thiết bị cơ và cơ điện tử. - Điểm đặc biệt và cơ bản của công nghệ MEMS đó là tận dụng được đặc tính cơ học của vật liệu silíc để tạo ra những cấu trúc cơ học chuyển động kết hợp với các yếu tố vi điện tử- điều này đã tạo ra những thế hệ sản phẩm công nghệ mới [5].. - Công nghệ vi cơ ra đời từ những năm 1960 với các linh kiện ban đầu được ứng dụng làm các đầu đo áp suất và biến dạng thay thế cho các đầu đo cơ truyền thống.. - Cùng với sự phát triển của công nghệ thì công nghệ MEMS không chỉ còn bó hẹp trong các loại cảm biến cơ mà còn được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực cảm biến khác:. - cảm biến nhiệt, cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hóa, cảm biến sinh học. - Cấu trúc cơ bản của MEMS bao gồm vi cấu trúc, vi mạch điện tử, vi cảm biến và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chip như trình bày trên hình 1.3.. - Hình 1.3 Các thành phần của thiết bị MEMS. - Các thiết bị MEMS này cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm vi kích thước m và thông qua hệ vi điện tử và hệ vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường xung quanh.. - 1.2 Công nghệ chế tạo MEMS. - Các thiết bị MEMS này được chế tạo bằng vật liệu silíc và do đó nó có những ưu điểm về tính chất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác.. - Vật liệu silíc là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử, giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc chế tạo các phiến. - Vật liệu silíc cho phép tích hợp các các phần điện tử và vi cấu trúc trên cùng một chip và làm tăng khả năng giảm kích thước của các linh kiện.. - Vật liệu silíc có những tính chất cơ rất tốt:. - MEMS được chế tạo bằng công nghệ vi cơ mà nó có thể được phân loại thành hai công nghệ chính: công nghệ vi cơ khối và công nghệ vi cơ bề mặt.. - 1.2.1 Công nghệ vi cơ khối. - Công nghệ vi cơ khối là công nghệ tạo vi cấu trúc bằng cách gia công cả khối vật liệu (ở đây là một tấm silíc). - Phương pháp để tạo vi cấu trúc dùng trong công nghệ vi cơ. - Sơ đồ của quy trình công nghệ vi cơ khối được trình bày trên hình 1.4. - Hình 1.4 Quy trình của công nghệ vi cơ khối. - 1.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt. - Công nghệ vi cơ bề mặt liên quan đến quá trình tạo nên các lớp vật liệu mỏng với cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế. - Có hai loại lớp vật liệu khác nhau được sử dụng để phủ lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh". - (sacrificial material) và lớp vật liệu tạo cấu trúc. - Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu được phủ lên bề mặt lớp đế theo hình dạng của cấu trúc cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trong qúa trình tạo cấu trúc. - Thông thường thì lớp này là vật liệu oxit silíc. - Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ được phủ lên trên lớp vật liệu. - và chúng không phản ứng với các chất ăn mòn sử dụng để tạo cấu trúc, vật liệu của lớp này là các đa tinh thể silic, silicon nitride. - Sau quá trình ăn mòn sẽ hình thành vi cấu trúc trên bề mặt đế ban đầu. - Hình 1.5 trình bày quá trình chế tạo linh kiện theo công nghệ vi cơ bề mặt.. - Hình 1.5 Quá trình chế tạo sử dụng kỹ thuật vi cơ bề mặt A: Đế silíc ban đầu. - C: Phủ tiếp một lớp oxide trên bề mặt silicon nitride D: Tạo mẫu oxide bằng mặt nạ và ánh sáng cực tím E: Phủ một lớp polysilicon lên trên bề mặt oxide F: Loại bỏ lớp oxide. - 1.2.3 Công nghệ LIGA. - Công nghệ này sử dụng các khuôn "đúc". - vật liệu với độ chính xác cao làm công cụ trong việc chế tạo các vi cấu trúc. - Quy trình này có thể được sử dụng cho việc sản xuất các vi cấu trúc ba chiều, có tỷ số cạnh cao (high- aspect-ratio) với nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, polymers, gốm và thuỷ tinh.. - Hạn chế chủ yếu của công nghệ LIGA là cần phải có một nguồn chuẩn trực sóng ngắn tia X giống như một máy synchrotron.. - Sử dụng các quy trình vi đúc có thể chế tạo các vi cấu trúc kim loại tỷ số cạnh cao có nhiều ứng dụng như là các bề mặt phản xạ cho các thành phần quang học, các vật liệu từ cho các sensor/cơ cấu chấp hành điện từ. - Ngoài ra, độ dày của các cấu trúc có tỷ số cạnh cao càng lớn sẽ tạo ra độ cứng trục giao với đế càng lớn, cũng như làm tăng mômen xoắn trong các cơ cấu chấp hành tĩnh điện. - Các cấu trúc mạ kẽm (Ni), mạ đồng (Cu) hoặc cấu trúc hợp kim chứa ít nhất một trong các kim loại này là những cấu trúc kim loại được dùng phổ biến. - Crôm, SiO 2 , polyimide, photoresist và Titan thường được dùng làm vật liệu hy sinh (sacrificial material).. - 1.3 Sensor gia tốc MEMS 1.3.1 Sensor. - Các giá trị của các tham số vật lý ban đầu có thể được tính toán thông qua các đặc trưng thích hợp của tín hiệu điện như: biên độ, tần số, độ rộng xung …[7]. - Trong hầu hết các trường hợp, sensor có kích thước nhỏ được sử dụng nhiều hơn vì mật độ tích hợp sensor cao và giá thành sensor rẻ hơn. - Một cuộc cách mạng trong công nghệ sản xuất sensor là việc ứng dụng công nghệ chế tạo vi điện tử. - Các sensor được chế tạo theo cách này được gọi là các hệ thống vi cơ điện tử (microelectromechanical systems - MEMS) [8].. - Sensor MEMS được chế tạo đầu tiên là sensor áp suất sử dụng phần tử nhạy điện kiểu áp trở (piezoresistive). - Hiện nay, các sensor MEMS bao gồm nhiều loại khác nhau: sensor gia tốc, con quay vi cơ, sensor đo nồng độ hóa học…. - 1.3.2 Sensor gia tốc. - Sensor gia tốc cho phép biến đổi gia tốc thành một tín hiệu điện ở lối ra. - Áp dụng định luật II Newton, F = ma, đo lực tác động lên một vật mà ta đã biết trước khối lượng, từ đó ta tính ra được gia tốc tác động lên vật. - Có rất nhiều cách để đo lực tác động lên khối gia trọng, nhưng cách phổ biến nhất được dùng trong sensor gia tốc là đo khoảng cách dịch chuyển của khối gia trọng tương tự như khi khối gia trọng đó được treo bằng một lò xo. - Một hệ thống lò xo-gia trọng được vẽ trong hình 1.6.. - Hình 1.6 Sơ đồ khối của một hệ lò xo-gia trọng Hệ thống có thể được mô tả bởi phương trình vi phân sau:. - trong đó: m là khối lượng của khối gia trọng, B là hệ số suy hao, K độ cứng của lò xo.. - Khi sensor gia tốc hoạt động ở xa tần số cộng hưởng của hệ lò xo-gia trọng thì ảnh hưởng của hệ số suy hao B có thể bỏ qua. - Với những khoảng cách dịch chuyển đủ nhỏ thì hệ số K có thể coi như là hằng số. - Ở trạng thái cân bằng, khi khối gia trọng không chuyển động, lực đàn hồi của lò xo cân bằng với lực tác động lên khối gia trọng.. - Độ dịch chuyển của khối gia trọng, x, là một tham số có thể chuyển đổi thành tín hiệu điện bằng nhiều cách. - Có hai cách phổ biến nhất được dùng, đó là đo sự thay đổi điện trở của vật liệu áp trở (piezoresistive material) và đo sự thay đổi điện dung của tụ điện khi phần tử điện chuyển động. - Ngoài ra còn một cách thứ ba nữa cũng được dùng để chế tạo sensor, đó là đo sự thay đổi điện tích trên bề mặt của vật liệu áp điện (piezoelectric material) khi có lực tác động vào bề mặt của vật liệu [6, 7, 8].. - 1.3.3 Một số loại sensor gia tốc. - a) Sensor gia tốc kiểu áp điện (Piezoelectric accelerometer sensor). - Vật liệu áp điện tạo ra một điện tích tức thời trên bề mặt tỉ lệ với biên độ của lực tác động. - Điện tích này xuất hiện do sự phân cực của các dipole điện bên trong, như hình 1.7, và sau đó bị trung hòa rất nhanh do các điện tích tự do trong môi trường. - Một lực tác động vào tinh thể có thể là nguyên nhân gây ra sự biến dạng của cấu trúc dipole, làm cho điện tích bề mặt thay đổi tạm thời cho đến khi nó bị trung hòa lại. - Như vậy điện tích trên vật liệu áp điện là một hàm số của biên độ của sự biến dạng và phụ thuộc vào việc sự biến dạng đó xuất hiện nhanh như thế nào . - Hình 1.7 Các dipole điện trong vật liệu áp điện. - Vật liệu áp điện có điện trở nội rất cao, vì thế hai mặt của vật liệu trông giống như các bản cực của tụ điện. - Một loại vật liệu áp điện tự nhiên là tinh thể thạch anh nhưng có độ nhạy thấp, vì thế người ta đã tìm ra hỗn hợp gốm sắt điện nhân tạo có độ nhạy tốt hơn và do đó được dùng nhiều hơn trong loại sensor gia tốc kiểu áp điện. - Nói chung, sử dụng vật liệu áp điện là một cách có hiệu quả dùng để đo gia tốc, nhưng chúng có nhược điểm là không ổn định khi đo gia tốc một chiều và có mối quan hệ phức tạp giữa điện áp lối ra và biên độ gia tốc và tần số. - Sensor áp điện là loại sensor điển hình dùng để đo gia tốc có biên độ và tần số cao như các cú va chạm mạnh, shock. - Hình 1.8 trình bày đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện [10]. - Từ hình vẽ này ta thấy dải đo của sensor gia tốc kiểu áp điện có thể lên tới gần 50 KHz.. - Tần số (Hz). - Hình 1.8 Đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện b) Sensor gia tốc kiểu áp trở (Piezoresistive accelerometer sensor). - Vật liệu áp trở là một điện trở trạng thái rắn, điện trở của nó thay đổi khi có một sức căng cơ học tác động vào. - Đặc biệt, độ dẫn của vật liệu áp trở tỉ lệ tuyến tính với lực tác dụng, hay điện trở tỉ lệ nghịch với lực tác dụng. - Sơ đồ của hai loại áp trở được trình bày trong hình 1.9. - Ở hình a) áp trở được hình thành bằng cách sắp xếp các dây dẫn nằm trên lớp điện trở mỏng, điện trở giữa các dây dẫn sẽ thay đổi khi lớp điện trở mỏng bị biến dạng. - Một áp trở như vậy có thể được chế tạo trên bề mặt của một phần tử đàn hồi, để đo sự biến dạng của phần tử đàn hồi cũng như sự chuyển động của khối gia trọng.. - Một cách sắp xếp áp trở khác trình bày ở hình b)