Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các đặc trng
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, Trờng ĐHSP Hà nội 2

Tóm tắt
Các cảm biến đo lực kích thớc nhỏ chế tạo bằng công nghệ vi cơ đã đợc 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 đợc 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 trng
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.


, bề dày màng cỡ 45
àm đã đợc thực hiện. Trong vùng làm việc tuyến tính, các lực lớn nhất có thể
đo đợc là 0.686 N (tơng ứng với khối lợng là 70 g), lực nhỏ nhất đo đợc
là 0.013 N (tơng ứng với khối lợng 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 đợc 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 đợc 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.


trọng lợng của vật đặt vuông góc với bề mặt màng cảm biến, có thể suy ra
khối lợng vật khi đã xác định đợc trong lực P nhờ công thức:
g
P
m =

Vì vậy, loại cảm biến này còn có thể sử dụng để đo khối lợng. Giá trị của gia
tốc trọng trờng g phụ thuộc vào vị trí đo trên Trái đất, nhng 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 tơng đơng theo đơn vị
khối lợng (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
hớng bề mặt (100), bề dày 380
à
m, điện trở suất khoảng 5 - 10

.cm đợc sử dụng. Sau quá trình
làm sạch mẫu (SC), phiến silic
đợc ô xi hoá nhiệt để tạo ra lớp ô
xít silic SiO
2
làm vật liệu bảo vệ
mẫu trong quá trình ăn mòn. Bề
dày lớp ô xít yêu cầu khoảng 1,5
à


Hình 2. Qui trình chế tạo cảm biến vi cơ đo
l
ực và đo khối lợng

Phiến silic loại n,
đ
ịnh hớng (100)
Ô xi hoá
Quan
g khắc mặt sau
Ăn mòn tạo màn
g
Hàn dâ
y và đóng gói
Quan
g khắc tạo điện cực
Bốc ba
y Al
Phủ tạ
p SOD và
khuếch tán
Quang khắc
tạo điện trở
Mở cửa sổ điện cực
hợp ở tâm màng đợc giữ lại, vì vậy cấu trúc màng có tâm cứng đợc tạo ra.
Sau bớc xử lý ăn mòn, cấu trúc cơ của cảm biến đã hoàn thành. Các bớc 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

-2
N) đợc
sử dụng. Bằng cách thay đổi khối
lợng 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
đợc 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
đờng đặc trng 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 đờng đặc trng
giảm dần. Kết quả này đúng cho
tất cả các cảm biến đã chế tạo.
Với cùng một bề dày màng
và kích thớc 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 tơng
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0
10

b) Cảm biến có kích thớc màng
9x9mm
2

đối trên cảm biến (điện áp ra /điện áp nuôi), với lực tác dụng, thì độ nhạy cảm
biến bằng hệ số góc của đờng đặc trng 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 đợc xác định. Các kết quả này đợc 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. Ngợc lại, các
cảm biến độ nhạy thấp lại thích hợp
trong các trờng hợp cần xác định
lực có cờng 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 đợc 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 đợc. 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 đợc là 0.013 N cho loại màng 9 x 9 mm


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 mm
2

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 mm
2

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