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
àm, 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
m. Tiếp theo, kỹ thuật quang
khắc đợc sử dụng để mở các cửa

l
ự
c và đo khối l
ợ
n
g

Phiến silic loại n,
đ
ị
nh hớn
g

(
100
)
Ô
xi hoá
Quan
g
khắc mặt sau
Ăn mòn tạo màn
g

Hàn dâ
y
và đón
g

g

2
đã đợc lựa chọn. Các tâm cứng đợc lựa
chọn là 1 x 1 mm
2
. Bề dày màng đợc xác định nhờ khống chế thời gian ăn
mòn và đợc lựa chọn là 45
à
m với độ chính xác đạt tới

2
à
m.

4. Khảo sát các đặc trng của cảm biến

Để xác định đáp tuyến của
cảm biến theo lực tác dụng, một bộ
gia trọng chuẩn tới gam (tơng ứng
với lực chính xác tới 10
-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

0
10
20
30
40
50
60
Tín hiệu ra V
out
.1000/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 thớc màng
7x7mm
2

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

Vùng làm
việc tuyến
tính
Lực nhỏ nhất
đo đợc (N)
Khối lợng nhỏ
nhất đo đợc
(mg)
Màng 5 x 5 mm
2

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 mm
2

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


20
25
Tín hiệu ra V
out
.1000/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 điệ
n
cực có kích thớc màng 10x10mm
2

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 (tơng ứng với đo các khối lợng lớn
hơn 13 mg). Nhờ độ nhạy cao và chất lợng tơng đối đồng đều trong chế tạo,
loại cảm biến này có nhiều triển vọng trong ứng dụng.

Lời cảm ơn

Công trình này đợc hoàn thành dới 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