Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở

Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Lời cảm ơn

Để hoàn thành bài khóa luận tốt nghiệp với đề tài Cảm biến đo gia
tốc mems kiểu áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế
tạo và đề suất ứng dụng ngoài công sức của bản thân tôi còn được sự
hướng dẫn nhiệt tình của thầy huớng dẫn l Ts Trịnh Quang Thông
và Ts Đinh Văn Dũng, cùng sự chỉ bảo và giúp đỡ của quí thầy cô
trong Khoa vật lý.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ts Trịnh Quang Thông và
Ts Đinh Văn Dũng cùng qúi thầy cô trong khoa vật lý đã ủng hộ và
giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu và trình bày khóa luận
này.
Do năng lực nghiên cứu có hạn khóa luận chắc chắn không tránh
được những thiếu sót. Rất mong sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô giáo
và các bạn.
Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2009
Tác giả khóa luận

Đỗ Hữu Bình
Đỗ Hữu Bình

-1-

K31A

Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả nghiên cứu trong khóa luận là trung thực. Khóa luận này chưa từng
được công bố trong bất cứ công trình nào. Nếu những lời cam đoan trên
là sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2009
Tác giả khóa luận

Đỗ Hữu Bình

Đỗ Hữu Bình

-2-

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý
Mục lục

Lời cảm ơn .................................................................................................1

Lời cam đoan ...........................................................................................2
Mục lục .....................................................................................................3
Mở đầu ........................................................................................................4
1. Lí do chọn đề tài ..............................................................................4
2.
3.
4.
5.

Mục đích chọn đề tài ....................................................................... 4
Nhiệm vụ nghiên cứu .......................................................................4
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................... 5
Phương pháp nghiên cứu ................................................................ 5

Chương 1. Giới thiệu chung về cảm biến đo gia tốc ..........6
1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................6
1.2. Việc đo gia tốc trong kỹ thuật và cảm biến đo gia tốc ........................7
1.3. Giới thiệu các loại cảm biến đo gia tốc thông dụng............................9
Chương 2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm
biến đo gia tốc silic kiểu áp trở ................................................ 15
2.1. Vật liệu silic để chế tạo cảm biến .................................................... 15
2.2. Cấu trúc ............................................................................................ 19
2.3. Nguyên lý hoạt động ........................................................................ 22
Chương 3. Tìm hiểu công nghệ chế tạo và đề suất ứng
dụng cảm biến ..................................................................................... 25
3.1. Các kỹ thuật cơ bản trong công nghệ MEMS .................................. 25
3.2. Tìm hiểu về qui trình công nghệ chế tạo cảm biến gia tốc ............. 28
3.3. Đề suất ứng dụng ............................................................................ 35
Kết luận

............................................................................................... 37

Tài liệu tham khảo

Đỗ Hữu Bình

........................................................................ 38

-3-

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý
Mở đầu

1. lí do chọn đề tài
Ngy nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, ngành công
nghệ vi điện tử đã đạt được đỉnh cao. Công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ
và linh kiện điện phát triển mạnh, được gọi là công nghệ chế tạo vi cơ điện tử
- MEMS ( Micro Electro Mechanical Systems). MEMS là một công nghệ có
khả năng cho phép sự phát triển các sản phẩm thông minh, tăng khả năng
tính toán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt
có khả năng nhận biết và điều khiển. Ngoài ra, MEMS cũng mở rộng khả
năng thiết kế và ứng dụng. Nó đã và đang tạo ra những thay đổi mang tính
cách mạng trong chế tạo linh kiện kích thước cỡ micô, được ứng dụng trong
các lĩnh vực công nghiệp, điện tử dân dụng, quân sự v.v....
Trước sự phát triển của công nghệ MEMS, là một sinh viên khoa Vật lí,

nhận thấy tiềm năng rất lớn của công nghệ MEMS và muốn đi sâu vào tìm
hiểu với hi vọng có thể hiểu và một ngày nào đó chế tạo được cảm biến gia
tốc MEMS. Được sự hướng dẫn và chỉ bảo của TS Trịnh Quang Thông và
TS Đinh Văn Dũng, cũng như các thầy cô giáo trong khoa Vật lí, nên em đã
quyết định lựa chọn và nghiên cứu đề tài: Cảm biến đo gia tốc mems kiểu
áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo và đề suất ứng
dụng để có thể giúp bản thân và những ai đam mê về công nghệ MEMS nói
chung và cảm biến nói riêng có thể hiểu rõ thêm về cảm biến gia tốc.
2. Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu và hệ thống hoá kiến thức về cảm biến đo gia tốc MEMS kiểu
áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo và đề suất một vài
ứng dụng của cảm biến trên phương diện lí thuyết.

Đỗ Hữu Bình

-4-

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

3. Đối tượng nghiên cứu
Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến đo gia tốc kiểu
áp trở, việc đo gia tốc trong kỹ thuật và cảm biến đo gia tốc, giới thiệu các
loại cảm biến đo gia tốc thông dụng, công nghệ và qui trình chế tạo cảm

biến. Đưa ra một vài đề suất ứng dụng của cảm biến gia tốc.
5. Phương pháp nghiên cứu :
Thu thập tài liệu, tìm hiểu và hệ thống hoá kiến thức về cảm biến gia
tốc kiểu áp trở.

Đỗ Hữu Bình

-5-

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Chương 1. Giới thiệu chung về cảm biến đo gia tốc
1.1. Giới thiệu chung
Gia tc l đại lượng vật lí c trng cho s thay i ca vận tốc theo
thời gian. Nó l mt trong nhng i lng c bn dùng mô t chuyển
động. Gia tốc là mối liên hệ giữa lực và khối lượng. Mọi cảm biến gia tốc
đều dựa trên một hiện tượng vật lí nào đó và sử dụng mối quan hệ lực khối
lượng để nhận được đại lượng điện hoặc thông tin về gia tốc cần đo.
Các cảm biến gia tốc thông dụng hiện nay đều hoạt động dựa trên
nguyên lí thay đổi cơ học của cấu trúc khi đặt hệ trong trạng thái chuyển
động có gia tốc. Cấu trúc cơ bản của cảm biến gia tốc gồm một khối gia
trọng gắn trên một thanh dầm. Khi đặt cảm biến vào một hệ chuyển động có
gia tốc dưới tác dụng của lực quán tính đặt lên khối gia trọng thanh dầm sẽ
bị uốn cong. Một cấu trúc điện thích hợp sẽ được tích hợp lên cấu trúc, cho
phép xác định chuyển vị của khối gia trọng hoặc sự uốn cong của thanh dầm,

sẽ gián tiếp thông tin về gia tốc của hệ. Các cảm biến gia tốc được chế tạo
dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và vi hệ thống đã và đang thâm nhập một
cách mạnh mẽ trong hầu hết các lĩnh vực như y sinh, công nghiệp ôtô, điện
dân dụng, khoa học không gian, các hệ thống cảm nhận rung lắc và thiết bị
chống rung trong các hệ thống vũ khí v.v
Công nghệ MEMS là một trong các công nghệ tiên tiến đang được phát
triển rất mạnh trong những năm gần đây do tính ưu việt của công nghệ, cho
phép thu nhỏ kích thước linh kiện. Việc phát triển công nghệ MEMS để chế
tạo cảm biến đo gia tốc được quan tâm nghiên cứu từ rất nhiều các trung tâm
khoa học công nghệ lớn trên thế giới. Hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến
gia tốc, đó là cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện và áp điện trở, cảm biến gia
tốc nhiệt v.v Nhìn chung cả các loại cảm biến này đều có các ưu và nhược
điểm riêng nhưng cảm biến gia tốc kiểu áp trở là thông dụng nhất bởi các ưu
Đỗ Hữu Bình

-6-

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

điểm vượt trội như độ nhạy cao, giá thành rẻ, mạch xử lí tín hiệu đơn giản
v.v Với các ứng dụng ngày càng trở lên tinh tế về cảm biến gia tốc độ
nhạy cao, kích thước nhỏ đang được đặt ra.
1.2. Việc đo gia tốc trong kỹ thuật và cảm biến đo gia tốc
Để đo gia tốc (là một trong các tín hiệu cơ học dạng động), ta có thể sử
dụng cấu trúc có khối gia trọng gắn trên các thanh dầm. Khi hệ chuyển động

có gia tốc, khối gia trọng gắn trên thanh dầm sẽ chịu tác dụng của lực quán
tính tỉ lệ với gia tốc của hệ. Kết quả là thanh dầm sẽ bị uốn cong với độ lệch
tỉ lệ với tín hiệu cần đo. Thông thường, thanh dầm, giá đỡ và khối trọng được
chế tạo từ một vật liệu khối ban đầu. Bằng cách gia công tách bỏ các phần
thích hợp trong khối vật liệu, phần còn lại sẽ tạo thành hệ các thanh dầm và
khối gia trọng. Một cấu trúc điện thích hợp được tích hợp trên phần tử nhạy
để cảm nhận sự uốn cong đó và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện lối ra [1].
Như vậy, bằng cách đó, ta có thể đo được một cách định lượng tín hiệu
gia tốc bằng cách đo các tín hiệu điện lối ra của thiết bị cảm biến. Tuỳ theo
mức gia tốc và dải tần mà người ta phân biệt các điều kiện thực nghiệm khác
nhau:
1.2.1. Đo gia tốc chuyển động của một khối lượng nào đó (Máy bay, tên
lửa, ôtô, tàu thuỷ v.v) trong đó chuyển động của trọng tâm luôn giữ ở tần
số tương đối thấp (từ 0 nhỏ vài trục Hz) thường liên quan đến các gia tốc
nhỏ.
Các cảm biến thích hợp dựa trên các hiện tượng cho phép đo chính xác
một đại lượng có tần số bằng không tương ứng với một giá trị liên tục
trong khi đo, gọi là cảm biến gia tốc khiên chế. Đây là cảm biến gia tốc đo
dịch chuyển (cảm ứng, tụ điện, điện kế quang) và cảm biến gia tốc đo biến
dạng. Cấp chính xác của chúng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và thay đổi
trong khoảng từ 10-4 đến 1 [4].

Đỗ Hữu Bình

-7-

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

1.2.2. Đo gia tốc rung của cấu trúc cứng hoặc cấu trúc có khối lượng
lớn cần phải sử dụng cảm biến có dải tần đạt tới hàng trăm Hz đồng thời phải
cho phép đo gia tốc không đổi hoặc gần như không đổi với bộ giảm rung
thích hợp [4].
Cảm biến gia tốc thường sử dụng là loại từ trở biến thiên, đầu đo biến
dạng kim loại hoặc áp điện trở. Cấp chính xác cỡ 10-2 nhưng lĩnh vực ứng
dụng rất rộng rãi vì chúng cho phép đo đồng thời ở cả hai chế độ tĩnh và
động [4].
1.2.3. Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần tương đối cao (~
10kHz) thường được tiến hành khi vật có khối lượng nhỏ nên đòi hỏi cảm
biến gia tốc phải có độ chính xác cao, sử dụng loại áp trở hoặc áp điện, cấp
chính xác 10-2 [4].
1.2.4. Khi đo va đập có gia tốc dạng xung ở mức độ cao đòi hỏi cảm
biến gia tốc phải có dải thông rộng cả về hai phía tần số thấp và tần số cao
[4].
Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc.
Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến được chế tạo theo công nghệ vi cơ.
Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công
nghệ MEMS.
Cảm biến được gắn trên vật chủ cần đo vận tốc góc, tín hiệu lấy ra từ
cảm biến được đưa qua bộ khuếch đại biên độ rồi cho qua bộ lọc, lọc tín hiệu
cần thiết rồi được đưa qua một máy tính xử lý tín hiệu cho kết quả đầu ra. Hệ
thống đo như sơ đồ (hình 1).

Đỗ Hữu Bình

-8-

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Hình 1. Sơ đồ một hệ đo gia tốc

Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có
độ tin cậy cao chưa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện
tử trước đây. Trong đề tài này chúng ta đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng
dụng của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử.
1.3. Giới thiệu các loại cảm biến đo gia tốc thông dụng
Dựa theo phương pháp đo, cảm biến gia tốc được chia làm hai loại chính
là phương pháp đo dựa trên cơ sở ứng suất và phương pháp đo dựa trên cơ sở
chuyển vị. Cả hai phương pháp đo này đều dựa trên mối quan hệ tín hiệu lối
ra và gia tốc ở lối vào. Phương pháp đo dựa trên cơ sở ứng suất thường sử
dụng các hiệu ứng áp điện trở, piezojunction hay cộng hưởng, trong khi đó
phương pháp đo dựa trên cơ sở chuyển vị thường sử dụng hiệu ứng điện
dung, cảm ứng, quang học, nhiệt hay hiệu ứng tunnel để thực hiện việc
chuyển đổi tín hiệu.
Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có nhiều loại cảm
biến đo gia tốc: kiểu tụ, áp điện và áp trở, cảm biến gia tốc quang v.v...
Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện hay áp
điện trở là rất quan trọng. Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ chế
tạo rất đơn giản. Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều
vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ. Các cảm
biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít phụ thuộc vào nhiệt độ ít bị nhiễu và mất

Đỗ Hữu Bình

-9-

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

mát năng lượng. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp
hơn. Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn.
Trong thực tế hiện nay có các loại cảm biến tiêu biểu sau:
- Cảm biến gia tốc áp điện trở: Là một trong những cảm biến gia tốc chất
rắn được chế tạo đầu tiên và là hệ thống bao gồm cấu trúc cơ học và các phần
tử áp điện trở được gắn lên trên nó. Đối với loại này, các phần tử áp điện trở
được đặt trên hệ thanh dầm. Khi cảm biến gia tốc áp điện trở chịu tác động
của một gia tốc, khối gia trọng sẽ dịch chuyển lên hoặc xuống, do vậy gây ra
một phân bố ứng suất trên hệ thanh dầm khiến các phần tử áp điện trở thay
đổi điện trở. Do vậy có được mối liên hệ giữa điện trở và gia tốc. Hình 2 mô
tả minh họa vị trí của các phần tử áp điện trở. Trong hình này, phần tử áp
điện trở gần bờ sẽ tăng điện trở và phần tử áp điện trở gần khối gia trọng sẽ
giảm điện trở, và ngược lại, phụ thuộc vào hướng chuyển động của khối gia
trọng [2].

Hình 2. Thanh dầm được cấy các phần tử áp điện trở trong cảm biến gia tốc
áp điện trở

- Cảm biến gia tốc áp điện: Cảm biến gia tốc dựa trên hiệu ứng áp điện cũng
giống như cảm biến gia tốc hiệu ứng áp trở. Trên các cảm biến gia tốc áp
điện, các phần tử áp điện được cấy hoặc phủ lên hệ thanh dầm, dưới sự thay
đổi của ứng suất trên hệ thanh dầm do tác động của gia tốc làm khối trọng
chuyển động sẽ làm thay đổi điện áp trên phần tử áp điện (hình 3) [2].

Đỗ Hữu Bình

- 10 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Hình 3. Cấu trúc cảm biến gia tốc áp điện. (a) Cấu trúc cảm biến áp điện màng
dày. (b) ảnh SEM

- Cảm biến gia tốc cộng hưởng: Dựa trên sự thay đổi tần số cộng hưởng của
vi cầu (micro brigde) dưới tác động của ứng suất kéo hay nén. Bằng cách đặt
các vi cầu cộng hưởng lên hệ thanh dầm, tần số cộng hưởng thay đổi so với
dịch chuyển của khối trọng và do vậy thay đổi so với gia tốc.
- Cảm biến gia tốc nhiệt: Theo nguyên lý nhiệt, vị trí của khối trọng ảnh
hưởng tới thông lượng dòng nhiệt do cuộn dây sinh ra truyền vào lớp khí
giữa khối gian trọng và đế. Khi có sự thay đổi về dòng nhiệt, có sự chênh
lệch nhiệt độ giữa phần gia nhiệt và phần tử nằm trong môi trường được gia
nhiệt đó. Sự chênh lệch nhiệt độ phụ thuộc vào vị trí của khối gia trọng, do
đó sự chênh lệch nhiệt độ có mối quan hệ với gia tốc. Sự chênh lệch nhiệt độ

được xác định bằng pin nhiệt điện. Hình 4 mô tả một cấu trúc cảm biến gia
tốc nhiệt điển hình [2].

Đỗ Hữu Bình

- 11 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Hình 4. Cảm biến gia tốc nhiệt

- Cảm biến gia tốc kiểu tụ: Cảm biến gia tốc kiểu tụ hoạt động dựa phương
pháp chuyển vị. Cấu trúc cảm biến bao gồm điện cực trên khối trọng và bản
điện cực trên đé cố định. Hai bản điện cực được thiết kế cách nhau một khe
hẹp tạo thành một tụ điện. Tụ điện này có một bản di động và một bản cố
định. Khi chịu tác dụng của gia tốc bên ngoài, khối trọng dịch chuyển làm
thay đổi khoảng cách giữa hai bản tụ, do đó làm thay đổi điện dung của tụ
điện. Chuyển vị của của khối trọng tỷ lệ với gia tốc, nên ta có mối quan hệ
giữa điện dung và gia tốc. Hình 5 mô phỏng cảm biến gia tốc kiểu tụ.

Hình 5. Cm bin gia tc ADXL202

- Cảm biến gia tốc điện từ: Cảm biến bao gồm hai cuộn dây phẳng, một nằm
trên khối gia trọng và một nằm trên đế cố định (hình6). Một trong hai cuộn
được sử dụng phát từ trường xoay chiều. Do đó, một hiệu điện thế cảm ứng

Đỗ Hữu Bình

- 12 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

được sinh ra trong một cuộn còn lại có biên độ tỷ lệ với khoảng cách giữa hai
cuộn dây. Theo cách đó, khối gia trọng dịch chuyển và do đó gia tốc được
xác định [2].

Hình 6. Cấu trúc cảm biến gia tốc điện từ.

- Cảm biến gia tốc quang học: Các cảm biến gia tốc dựa trên nguyên lý
quang học, đó là sự thay đổi về cường độ ánh sáng nhờ sự dịch chuyển của
khối gia trọng đóng vai trò như một cửa chớp hoặc do sự thay đổi bước sóng
phản xạ bằng việc sử dụng một cách tử Bragg đối với sóng phẳng. Hình 7 mô
tả cảm biến gia tốc quang học.

Đỗ Hữu Bình

- 13 -

K31A

Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Hình 7. Cảm biến gia tốc quang học

Chuyển động của khối gia trọng là nằm trên một mặt phẳng vì vậy
thường sử dụng loại phiến (110) thay vì loại phiến (100) hay được chế tạo
mạch điện và các cảm biến gia tốc vi cơ khối khác. Các sườn của cấu trúc
luôn dựng đứng, đặc điểm này cho phép cường độ ánh sáng phụ thuộc vào
gia tốc sẽ tỷ lệ với cường độ ánh sáng đi từ trên xuống dưới đáy, nơi có gắn
một photodiot detector. Chuyển động của khối gia trọng phụ thuộc vào gia
tốc làm thay đổi cường độ ánh sáng chiếu tới detector [2].
- Cảm biến gia tốc tunnel: Dòng tunnel từ mũi nhọn tunnel (hình 8) tới một
điện cực là một hàm mũ theo khoảng cách giữa mũi nhọn và bản cực và vì
vậy có thể được dùng để đo vị trí của khối gia trọng. Dòng tunnel được xác
định bởi công thức:
I = I0 exp(- z )

Đỗ Hữu Bình

- 14 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Hình 8. Cảm biến gia tốc tunnel.

Trong đó I0 là dòng xác lập thang đo phụ thuộc vào vật liệu và hình dạng
của mũi nhọn (giá trị đặc trưng là 1,4x10-6 A), là hệ số chuyển đổi với giá
trị đặc trưng là 10,25eV-1/2/ nm, là năng lượng chiều cao rào thế tunnel có
giá trị đặc trưng 0,5eV, và z là khoảng cách giữa mũi nhọn và điện cực.
Khoảng cách giữa mũi nhọn có hiệu ứng tunnel và bản cực phải được xác
định với chính xác rất cao, do hiệu ứng tunnel chỉ xuất hiện trong một
khoảng cách nhỏ. Vì vậy cảm biến tunnel phải sử dụng hoạt động theo kiểu
mạch kín (closed loop operation). Lực phản hồi tĩnh điện được giữ vai trò
chính trong loại linh kiện này và nó giữ khoảng cách giữa mũi nhọn và bản
cực luôn xấp xỉ một hằng số. Từ đó có mối liên hệ giữa gia tốc và điện áp
cần thiết để sinh ra lực tĩnh điện đó. Dịch chuyển của bản cực trên khối gia
trọng được sử dụng để kéo khối gia trọng bằng lực tĩnh điện đến một khoảng
cách nhất định mà tại đó xuất hiện dòng tunnel. Sự dịch chuyển của điện cực
trên thanh chấp hành được sử dụng để điều khiển hồi tiếp làm duy trì khoảng
cách giữa mũi nhọn và thanh chấp hành là hằng số [2].

Đỗ Hữu Bình

- 15 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Chương 2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm
biến đo gia tốc silic kiểu áp trở
2.1. Vật liệu silic để chế tạo cảm biến:
Cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở là cảm biến gia tốc kiểu áp trở được
chế tạo bằng công nghệ MEMS. Cấu trúc bao gồm cấu cơ học và các phần tử
áp điện trở được gắn trên nó.
Cấu trúc cơ học là hệ thống gồm khối gia trọng được gắn trên một hệ
thống thanh dầm. Thanh dầm được làm bằng vật liệu đa tinh thể và đơn
tinh thể.
Vật liệu đàn hồi đẳng hướng (Silic đa tinh thể
hoặc vô định hình).
Đối với phần tử chịu tác dụng của tải đơn trục P
(hình 9):
- ứng suất kéo: a.
- Biến dạng kéo: a= (L2-L1)/L1.
- Mô đun đàn hồi (Môđun Young) E (N/m2)
a = E a ; E=161 GPa đối với Silic đa tinh thể.
- Tỷ số Poisson = - l / a với l= (D2 -D1)/D1.
Đối với vật liệu đàn hồi đẳng hướng chịu trạng thái
Hình 9. Tải đơn trục
và biến dạng.

ứng suất theo ba trục.
x = [x - (y +z )]/ E

Mối quan hệ giữa ứng suất trượt , biến dạng trượt và mô đun đàn hồi
trượt G: = G .
Vật liệu đẳng hướng được đặc trưng chỉ bởi 2 hằng số đàn hồi độc lập, mô
đun trượt G liên hệ với mô đun Young và tỷ số Poisson bởi
Đỗ Hữu Bình

- 16 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

G=E/[2(1+ )].
Vật liệu đàn hồi dị hướng (Silic đơn tinh thể).
Với vật liệu loại này đòi hỏi hơn 2 hằng số độc lập. Định luật Hook trong
trường hợp tổng quát được diễn tả bởi 2 công thức:
ij=Eijkl kl và ij=Sijkl kl
Với ij và kl là các tensor ứng suất hạng 2 [N/m2], kl và ij là các tensor
biến dạng hạng 2, không thứ nguyên. Eijk là tensor hệ số độ cứng hạng 4
[N/m2], Sijkl là tensor hệ số tương thích (compliance coefficient tensor) hạng
4 [m2/N].
- Số hằng số độc lập tăng khi tính đối xứng giảm. Ví dụ tinh thể lập
phương có 3 hằng số đàn hồi độc lập (S11, S12 và S44), mô đun Young
E= 1/S11, tỷ số Poisson = -S12/S11 và mô đun trượt G=1/S44.
- Với vật liệu bất đối xứng đòi hỏi 21 hằng số độc lập. Mối quan hệ giữa
ứng suất và biến dạng trở nên phức tạp hơn trong trường hợp này và
phụ thuộc nhiều vào sự định hướng không gian ứng với trục tinh thể.

- Với tinh thể Silic mạng lập phương (bcc, fcc) với véctơ ứng suất định
hướng theo các trục [100] thì E11= E22= E33= 166x109 N/m2; E12= E13=
E23=64x109 N/m2; E44=E55= E66= 80x109 N/m2.
- Hệ số dị hướng = 2E44/ (E11- E12)

Đỗ Hữu Bình

- 17 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

- Với tinh thể đẳng hướng: = 1.
- Với Silic đơn tinh thể:

= 1.57.

- 30% sự thay đổi của mô đun Young phụ thuộc vào định hướng tinh
thể.
- E, G, và là hằng số đối với bất kỳ hướng nào nằm trong mặt phẳng
(111). Mặt khác có thể xem một tấm nằm trong mặt phẳng này có các
đặc tính đàn hồi đẳng hướng [2,3].
Đối với vật liệu Silic, không có sự biến dạng dư và không có sự dão mỏi
nào ở nhiệt độ dưới 8000C. Các sensor Silic có thể hoạt động với tần số lên
đến hàng trăm triệu chu kỳ mà không kèm theo bất cứ sự trễ cơ học nào
[2,3]. Bởi vậy cấu trúc nhạy cơ sử dụng
Silic làm phần tử tích cực đặc biệt hiệu

Độ bền kéo

quả trong trường hợp tải tuần hoàn. Về
P-Ngưỡng dẻo

phương diện này vật liệu Silic được xem
như một siêu vật liệu. Người ta giải
thích khả năng đặc biệt này của Silic là

Thép tự nhiên
Silic

do không có sự hấp thụ năng lượng hoặc
sự sinh nhiệt nào trong Silic ở nhiệt độ
phòng. Tuy nhiên đơn thể Silic là rất
giòn, nên khi có ứng suất vượt quá giới
hạn đàn hồi đặt vào, nó sẽ nhanh chóng



Hình 10. Đường cong biến dạng
đàn hồi: sự chuyển nhanh qua
miền ứng suất tới hạn và đứt gãy
của Silic.

chuyển sang miền biến dạng dư và đứt gãy. Như thế về mặt biến dạng, thép
có khả năng tạo ra biến dạng lớn hơn so với silic cùng kích thước (hình 10)
[1,2,3].
nhiệt độ phòng, các vật liệu có môđun đàn hồi lớn như Si, SiO2,Si3N4
thường thể hiện tính đàn hồi rất tốt khi có biến dạng nhỏ và chuyển nhanh

Đỗ Hữu Bình

- 18 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

đến đứt gãy khi có biến dạng lớn hơn. Biến dạng dư trong kim loại xuất hiện
do phát sinh các lệch mạng gây bởi ứng suất trong các biên hạt và sự chuyển
của các lệch mạng đó, dẫn tới sự dịch chuyển các nội hạt bên trong vật liệu
và tạo ra độ lệch vĩ mô trong vật liệu. Nhưng không có bất kỳ biên hạt nào
tồn tại trong đơn tinh thể Silic [1,3]. Vì vậy biến dạng dư trong Silic chỉ có
thể xuất hiện do sự di chuyển của các khuyết tật có mặt trong mạng tinh thể,
hoặc các khuyết tật xuất hiện trên bề mặt. Trong đơn tinh thể Silic, số lượng
các khuyết tật như vậy là rất thấp, nên vật liệu này được xem như hoàn toàn
đàn hồi trong phạm vi nhiệt độ phòng. Tính chất đàn hồi hoàn hảo đó kéo
theo sự tỷ lệ thuận giữa ứng suất và biến dạng, giữa tải và độ lệch, và loại bỏ
được tính trễ cơ học của vật liệu. ở nhiệt độ lớn hơn 8000C, độ linh động của
các khuyết tật tăng lên đáng kể, khi đó vật liệu silic thể hiện tính chất dẻo
[1,2,3,9].
Anh hưởng của nồng độ pha tạp đến cơ tính của Silic.
Hầu hết các tính chất của Silic, như mô đun Young, đồng nhất với việc
Silic được pha tạp nhiều hay ít. Tuy nhiên ứng suất dư sẽ xuất hiện giữa đế
Silic và miền Silic được pha tạp (hình 11).
ứng suất dư kéo (nén) trên các miền pha tạp được biểu diễn như sau:

(a)
(b)
Hình 11. ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến cơ tính Silic.
(a)ứng suất dư kéo, (b) ứng suất dư nén
Nguyên tử pha tạp được thay thế cho Silic trong cấu trúc tinh thể dưới dạng
A-Si.

Đỗ Hữu Bình

- 19 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Nguyên tử Boron nhỏ hơn nguyên tử Silic nên cấu trúc B-Si sẽ tạo ra một
độ co lưới (a net shrinkage) của mạng so với Silic tinh khiết. Điều này
dẫn đến ứng suất dư kéo trong lớp pha tạp Boron.
Nguyên tử phốtpho lớn hơn nguyên tử Silic nên cấu trúc P-Si sẽ tạo ra sự
mở rộng lưới (a net extension) của mạng so với Silic tinh khiết. Điều này
dẫn đến ứng suất dư nén trong lớp pha tạp Phốtpho.
* Các phần tử áp điện trở được đặt tại các vị trí thích hợp trên hệ thanh dầm
theo cấu hình mạch cầu Wheatstone.
Hiện nay đã có một số cảm biến có cấu trúc cơ tiêu biểu được chế tạo.
Các cấu trúc dạng này có thể kể ra như kiểu cấu trúc thanh dầm đơn, kiểu
cấu trúc thanh dầm treo đối xứng, kiểu thanh dầm treo xoắn (hình 12).

in tr 4 in cc

Gia trng

Thanh dm

Cu in tr

Cu in tr

Thanh dm

Gia trng

ng rónh

Thanh dm

Gia trng

ng rónh

Hình 12. Một số cấu trúc vi cảm biến gia tốc kiểu áp trở: (a)- Thanh dầm đơn;
(b)- Thanh dầm treo đối xứng; (c)- Thanh dầm treo xoắn.

Trên các thanh dầm này có chứa các phần tử điện trở tạo thành cầu điện trở
Wheatstone.

Đỗ Hữu Bình

- 20 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

2.2. Cấu trúc
2.2.1. Cấu trúc cơ của cảm biến
Hiện nay đã có một số các cấu trúc cơ được triển khai xây dựng trong
thực tế. Có thể kể ra một số dạng cấu trúc cơ điển hình như (hình 13)

Hình 13. Cảm biến áp điện trở nhìn từ trên xuống: (a), (b)Thanh dầm chữ chi; (c)- Thanh dầm đối xứng.

Khi cảm biến chịu tác dụng của gia tốc tịnh tiến theo phương z thì khối
gia trọng sẽ chuyển động lên xuống (hình 14- b).

z

z
y

y

x

x

Ax(Ay)

Az

(a)

(b)

(c)

Hình 14. Độ dịch chuyển của cấu trúc khi tác dụng các gia tốc tuyến tính: (a)Cân bằng; (b)- Khi tác dụng gia tốc theo phương Z; (c)- Khi tác dụng gia tốc
theo phương X(phương Y)

Khi cảm biến chịu tác dụng của gia tốc tịnh tiến theo phương ngang (hình
14- c) thì khối gia trọng bị lệch theo X hoặc Y. Độ lệch của thanh dầm khi
chịu gia tốc tác dụng sẽ gây nên ứng suất tuyến tính. Sự thay đổi điện trở sẽ
được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ sử dụng mạch điện xử lý là các mạch

Đỗ Hữu Bình

- 21 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

cầu Wheastone. Trong hình 15 cấu trúc cơ và vị trí cấy các phần tử áp điện

trở, 12 áp điện trở đã được cấy trên 4 thanh dầm [7].
y
Ry1

O

x

1

Ry2

Fz
Fy

Rx1
Rz1

Rz2

Rz3

3

a1

Rx4

Fx

4

d1

l2

Rx3

Rx2

O

c2

Rz4
2

b2

Ry3

Ry4

Hình 15. cấu trúc cơ và vị trí cấy các phần tử áp điện trở

2.2.2. Cấu trúc điện
Để chuyển đổi tín hiệu từ cơ sang điện, trong phương pháp áp điện trở,
người ta sử dụng các áp điện trở cấy tại các vị trí nhạy ứng suất trên thanh
dầm và mắc các điện trở thành mạch điện theo dạng cầu điện trở
Wheatstone.

1

2.2.2.1. Cầu điện trở Wheatstone
Cầu điện trở Wheatstone được ứng dụng
4

R1

R4

phổ biến trong hiệu ứng áp trở để chuyển đổi

2

tín hiệu cơ - điện (hình 16). Cầu gồm bốn
R3

R2

điện trở có giá trị tĩnh như nhau được đặt ở
các vị trí có hiệu ứng áp cực đại trên các
dầm của cấu trúc cơ. Để lấy điện áp ra,
nguồn nuôi cho cầu điện trở khoảng vài vôn

Đỗ Hữu Bình

- 22 -

3

Hình 16. Cầu điện trở
Wheatstone

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

cấp cho điểm 1 và 3. Các điện áp lấy ra ở hai điểm 2 và 4. Các điện trở R1,
R2, R3, R4 được tạo ra bằng phương pháp cấy tạp chất trên phần tử nhạy. Vì
các giá trị tĩnh là như nhau nên khi phần tử nhạy chưa biến dạng, cầu điện trở
là cân bằng và hiệu điện thế lối ra giữa hai điểm là bằng 0. Khi các phần tử
nhạy bị uốn cong, các áp điện trở thay đổi làm giá trị cầu mất cân bằng. Do
cách bố trí các điện trở, sự biến đổi của hai điện trở R1 và R3 là ngược chiều
với hai điện trở còn lại là R2 và R4. Nếu R1 và R3 tăng giá trị thì R2 và R4
giảm giá trị và ngược lại. Khi đó, điện thế điểm 2 sẽ tăng lên còn điện thế
điểm 4 lại giảm đi. Sự lệch giữa hai nhánh sẽ tăng gấp đôi.
Theo hiệu ứng áp điện trở, sự thay đổi giá trị các điện trở phụ thuộc một
cách định lượng vào sự biến dạng vật liệu, tức là phụ thuộc định lượng vào
các tác dụng cơ học, do vậy nên hiệu điện thế lối ra cũng phụ thuộc một cách
địng lượng vào tác dụng cơ học. Khi đó, đo được hiệu điện thế lối ra sẽ hoàn
toàn xác định được tác dụng cơ học đặt lên phần tử nhạy [3,5,6].
2.3. Nguyên lí hoạt động
Hiệu ứng áp điện trở là hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu tinh thể
dưới tác dụng của ứng suất cơ. Nguyên nhân đó là đặc tính dị hướng của độ
phân giải mức năng lượng trong không gian tinh thể. Người ta đã ứng dụng
hiệu ứng này trong việc chế tạo cảm biến dựa trên biến dạng cơ là màng
mỏng hoặc cấu trúc thanh dầm.

Trong các cảm biến gia tốc áp điện trở thì độ dịch chuyển của khối gia
trọng sẽ làm thanh dầm biến dạng và các điện trở được cấy trên các thanh
dầm sẽ biến đổi tỷ lệ thuận với gia tốc tác dụng lên khối gia trọng. Việc cấy
tạp chất nồng độ cao sẽ tạo ra áp điện trở trên cấu trúc thanh dầm treo vật
nặng.
Yêu cầu khắt khe đối với các cảm biến nhiều bậc tự do là độ tuyến tính
lớn và ảnh hưởng giữa các mode hoạt động (người ta cũng gọi là độ nhạy

Đỗ Hữu Bình

- 23 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

pháp tuyến) phải nhỏ. Tất nhiên là cảm biến phải đáp ứng được yêu cầu về
độ nhạy cao theo 3 hướng tịnh tiến.
Khi cảm biến chịu tác dụng của gia tốc tịnh tiến theo phương Z (hình
17a) thì khối gia trọng sẽ chuyển động lên hoặc xuống.
Z

Z

X

X

Y

Y

Ax, Ay

Az
a,

b,

Hình 17. Độ dịch chuyển của cấu trúc khi tác dụng các gia tốc tuyến tính.
Khi cảm biến chịu tác dụng của gia tốc tịnh tiến theo phương ngang (hình
17b) thì khối gia trọng bị lệch theo phương X hoặc phương Y. Độ lệch của
thanh dầm chịu gia tốc tác dụng sẽ gây nên ứng suất tuyến tính. Sự thay đổi
điện trở sẽ được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ sử dụng mạch điện sử lý
bên ngoài là các mạch cầu Wheatstone.

Đỗ Hữu Bình

- 24 -

K31A


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật lý

Chương 3. Tìm hiểu về công nghệ chế tạo cảm biến và
Đề suất ứng dụng cảm biến
3.1. Các kỹ thuật cơ bản trong công nghệ MEMS
3.1.1. Gia công vi cơ khối
Gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình
thành chi tiết vi cơ. Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phương pháp
hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ
lõm v.v như được minh họa trên hình 18.

hình 18. Qui trình công nghệ chế tạo.

Để hình thành các chi tiết cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:
Ăn mòn ướt: Thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh.
Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích
định sẵn nhờ các mặt nạ( mask). Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với
silic là các dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO3, CH3COOH,
hoặc KOH. Việc ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi
hướng) hoặc dị hướng (có hướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm).
Đỗ Hữu Bình

- 25 -

K31A