Nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ đo cảm biến gia tốc MEMS ứng dụng đo độ rung
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.16 MB, 103 trang )
NGUYỄN NGỌC MINH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN NGỌC MINH
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
ĐIỆN TỬ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢM
BIẾN GIA TỐC MEMS ỨNG DỤNG ĐO ĐỘ RUNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ
KHOÁ 2009
Hà Nội – 2009
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN NGỌC MINH
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢM BIẾN
GIA TỐC MEMS ỨNG DỤNG ĐO ĐỘ RUNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS VŨ NGỌC HÙNG
Hà Nội – 2009
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 2
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 3
Lý do chọn đề tài. ............................................................................................................. 3
Tóm tắt ............................................................................................................................. 3
Phương pháp nghiên cứu. ................................................................................................. 3
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MEMS VÀ CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN
TRỞ .................................................................................................................................. 4
1.1 Giới thiệu công nghệ MEMS ..................................................................................... 4
1.1.1 Vật liệu dùng trong công nghệ MEMS ................................................................... 7
1.1.2 Rung động trong đời sống con người.................................................................... 13
1.2 Cảm biến gia tốc....................................................................................................... 14
1.2.1 Giới thiệu chung về cảm biến gia tốc.................................................................... 14
1.2.2 Phân loại cảm biến gia tốc ................................................................................... 15
1.2.3 Theo công nghệ chế tạo......................................................................................... 15
1.2.4 Theo nguyên lý hoạt động:.................................................................................... 15
1.2.5 Cảm biến gia tốc áp điện trở ................................................................................. 18
1.2.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ......................................................................... 18
1.2.5.2 Một số đặc trưng của cảm biến gia tốc kích thước 1x1mm .............................. 21
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ....................................................... 23
2.1 Sơ đồ khối của hệ đo tín hiệu rung .......................................................................... 23
2.2 Khối cảm biến .......................................................................................................... 24
2.2.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến áp điện trở ....................................................... 24
2.2.3 Đặc tính kĩ thuật của cảm biến áp điện trở............................................................ 26
2.3 Khối nguồn ............................................................................................................... 28
2.3.1 Ắc quy ................................................................................................................... 29
2.3.2 ICL 7660S ............................................................................................................. 30
2.4 Khối khuếch đại ....................................................................................................... 31
2.4.1 Giới thiệu về khuếch đại đo lường ........................................................................ 31
2.4.2 Khối khuếch đại dùng INA118P ........................................................................... 33
2.5 Khối chuẩn hóa và lọc .............................................................................................. 34
2.6 Khối vi điều khiển .................................................................................................... 37
2.7 Khối hiển thị ............................................................................................................. 46
2.7.1 Giới thiệu về Graphic LCD (Liquid Crystal Display). ......................................... 46
2.7.2 Khối hiển thị .......................................................................................................... 50
2.7.3 Lưu đồ thuật toán .................................................................................................. 51
2.8 Giao tiếp máy tính qua card ..................................................................................... 51
2.8.1 Mục tiêu ................................................................................................................ 51
2.8.2 Giới thiệu về card USB9001 ................................................................................. 52
Chương III : THIẾT KẾ GIAO DIỆN THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
DÙNG LABVIEW ......................................................................................................... 56
3.1 Giới thiệu về phần mềm LabVIEW ......................................................................... 56
3.1.1 Môi trường phát triển LabVIEW .......................................................................... 56
3.1.2 Thu nhận, phân tích và hiển thị lập sẵn................................................................. 57
3.1.3 Các công cụ bổ sung cho nhà phát triển LabVIEW .............................................. 59
3.1.4 Ứng dụng phong phú ............................................................................................. 60
3.1.5 Triển khai LabVIEW cho nhiều ứng dụng di động, công nghiệp và nhúng đa
dạng với các module mở rộng LabVIEW ...................................................................... 61
3.1.6 Phạm vi ứng dụng ................................................................................................. 62
3.1.7 LabVIEW trong trường học .................................................................................. 64
3.2 Cách thức làm việc và các hàm cơ bản của phần mềm LabVIEW .......................... 65
3.2.1 Cách thức làm việc của Labview .......................................................................... 65
3.2.2 Các hàm cơ bản của Labview ............................................................................... 66
3.3 Đặc tính của kết nối mở LabVIEW.......................................................................... 70
3.3.1 Thư viện chức năng I/O quen thuộc ...................................................................... 70
3.3.2 Cổng liên lạc dữ liệu linh hoạt .............................................................................. 71
3.4 Chương trình thu thập dữ liệu và điều khiển labview .............................................. 71
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM HỆ ĐO SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA
TỐC ÁP ĐIỆN TRỞ. ..................................................................................................... 73
4.1 Kết quả thu được với Labview ................................................................................. 73
4.1.1 Khi tín hiệu rung cơ học........................................................................................ 73
4.1.2 Khi tín hiệu vào chuẩn .......................................................................................... 75
4.2 Kết quả thu được trên màn hình GLCD ................................................................... 76
4.2.1 Kết quả mô phỏng với Protues .............................................................................. 76
4.1.2 Kết quả khảo sát trên hệ rung................................................................................ 77
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 81
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 82
1. Các sơ đồ mạch in ...................................................................................................... 82
2. Code chương trình vi điều khiển ................................................................................ 84
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Sơ đồ các khối cơ bản trong một hệ MEMS ....................................................... 4
Hình 2 Kích thước các cấu trúc MEMS ........................................................................... 5
Hình 3: Minh họa cấu trúc và khả năng xử lý tín hiệu của MEMS ................................. 6
Hình 4: Minh họa hốc ăn mòn trong công nghệ vi cơ khối ướt ..................................... 10
Hình 5: Một số cấu trúc chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối khô .................................. 10
Hình 6: Quy trình chế tạo cantilever kích thước micro dựa trên công nghệ vi cơ bề
mặt .................................................................................................................................. 12
Hình 7: Quy trình chế tạo vi bánh răng theo công nghệ Liga ....................................... 12
Hình 8: Một số cấu trúc cảm biến gia tốc đơn giản ...................................................... 15
Hình 9: Sơ đồ tương đương của cảm biến gia tốc ......................................................... 16
Hình 10: Cấu trúc cơ học cảm biến áp điện trở 3 bậc tự do ......................................... 18
Hình 11: Vị trí cấy các áp điện trở trên các thanh dầm ................................................ 20
Hình 12: Sơ đồ nối điện các áp điện trở ........................................................................ 20
Hình 13: Sự phụ thuộc của điện áp tín hiệu ra vào gia tốc ........................................... 21
Hình 14: Sự phụ thuộc của độ nhạy vào tần số rung động............................................ 22
Hình 15: Sơ đồ khối của hệ đo độ rung ......................................................................... 23
Hình 16: Sơ đồ chân của cảm biến và đã được bọc lớp bảo vệ..................................... 24
Hình 17: Mạch nguyên lý và tạo cầu cân bằng cho cảm biến ....................................... 24
Hình 18: Sơ đồ điện trở của cảm biến ........................................................................... 25
Hình 19: Đặc tính của cảm biến .................................................................................... 27
Hình 20: Sự phụ thuộc của điện áp ra vào gia tốc tại 2g .............................................. 28
Hình 21: Cảm biến bị tác động bởi nhiễu (0,26V)......................................................... 28
Hình 22: Sơ đồ chân của ICL7660S .............................................................................. 30
Hình 23: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .......................................................................... 31
Hình 25: Mạch khuếch đại do lường ............................................................................. 32
Hình 26: Mạch nguyên lý của INA 118P ....................................................................... 33
Hình 27: Sơ đồ khối của INA118P ................................................................................. 34
Hình 28: Cấu trúc ICLM358 .......................................................................................... 35
Hình 29: Mạch lọc thông thấp ....................................................................................... 36
Hình 30: Mạch chuẩn hóa tín hiệu vào.......................................................................... 36
Hình 31: Sơ đồ chân PIC 18F4550................................................................................ 39
Hình 32: Sơ đồ các khối chính của PIC 18F4550 ......................................................... 44
Hình 33: Sơ đồ khối bộ dao động của PIC18F4550..................................................... 45
Hình 34: Màn hình Graphic LCD 128x64 ..................................................................... 47
Hình 35: Tổ chức bộ nhớ RAM: ..................................................................................... 47
Hình 36: Cách kết nối GLCD với nguồn và mạch điều khiển. ...................................... 49
Hình 37: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị . ...................................................................... 50
Hình 38: Lưu đồ thuật toán ............................................................................................ 51
Hình 39: Car USB 9001 ................................................................................................. 52
Hình 40: Một giao diện thu thập dữ liệu và điều khiển dùng laview............................. 56
Hình 41: Các hàm cơ bản của laview ............................................................................ 67
Hình 42: Hàm Boolean - Boolean Function .................................................................. 67
Hình 43: Hàm cấu trúc - Structures Function ............................................................... 68
Hình 44: Hàm File I/O- File I/O function...................................................................... 68
Hình 45: Hàm Time và Dialog — Time & Dialog function ........................................... 69
Hình 46: Hàm chuỗi- String Function ........................................................................... 69
Hình 47: Hàm phân tích- Analysis Function ................................................................. 70
Hình 48: Chương trình tạo mảng dữ liệu ...................................................................... 71
Hình 49: Chương trình thu thập dữ liệu ........................................................................ 72
Hình 50 : Chương trình tính tần số ................................................................................ 72
Hình 51: Chương trình tính gia tốc ............................................................................... 72
Hình 52: Lấy mẫu tín hiệu vào....................................................................................... 73
Hình 53: Tín hiệu đo ...................................................................................................... 73
Hình 54: Phổ biên độ và tần số...................................................................................... 74
Hình 55: Phổ năng lượng tần số .................................................................................... 74
Hình 56: Lấy mẫu 20 Hz ................................................................................................ 75
Hình 57: Phổ biên độ 20 Hz........................................................................................... 75
Hình 58: Lấy mẫu 40 Hz ................................................................................................ 75
Hình 59: Phổ biên độ 40 Hz........................................................................................... 76
Hình 60: Tín hiệu vào .................................................................................................... 76
Hình 61: Hiển thị trên GLCD ........................................................................................ 77
Hình 62: Khi chưa có tín hiệu rung ............................................................................... 77
Hình 63: Khi có tín hiệu rung với tần số 5
10 Hz vớ biên độ 0.635 ( V ) ................. 78
Hình 64: Khi có tín hiệu rung với tần số 5
10 Hz vớ biên độ 0.95 ( V ) ................... 78
Hình 65: Khi tín hiệu vào là 20 Hz và 1,65 (V) ............................................................. 79
Hình 66: Khi tín hiệu vào là 40 Hz và 1,92 (V) ............................................................. 79
Hình 67: Mạch cảm biến và khuếch đại ........................................................................ 82
Hình 68: Mạch chuẩn hóa.............................................................................................. 82
Hình 69: Mạch Pic và hiển thị GLCD ........................................................................... 83
DNH MỤC BẨNG BIỂU
Bảng 1: Bảng so sánh đặc điểm của các loại cảm biến theo nguyên lý đo. .................. 16
Bảng 2: Các thông số hình học của cảm biến áp điện trở 3 bậc tự do .......................... 19
Bảng 3: Sơ đồ chân của cảm biến .................................................................................. 25
Bảng 4 : Sự phụ thuộc của gia tốc vào điện áp . ........................................................... 26
Bảng 5: Các chức năng từng chân của PIC18F4550 .................................................... 39
Bảng 6: Chức năng các chân của màn hình GLCD 128x64: ........................................ 48
Bảng 7: Thông số kỹ thuật c a r d USB 9001 .............................................................. 53
LỜI NÓI ĐẦU
MEMS (Micro Electro Mechanical System) là sự tích hợp của các thành
phần vi cơ như các cảm biến, bộ chấp hành và các yếu tố vi điện tử trong một linh
kiện điện tử bằng công nghệ vi chế tạo. Trong khi những thành phần vi điện tử được
chế tạo dung công nghệ mạch tích hợp (IC) như: CMOS, BiMOS, thì những thành
phần vi cơ được chế tạo dùng quá tình vi chế taojbawng fcachs ăn mòn có chọn lựa
những phần trên đế hoặc them vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên những
thành phần cơ và cơ điện. 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 chấp hành có khả năng nhận biết và điều khiển. Ngoài
ra, MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế, và ứng dụng sản phẩm mới.
Tuy nhiên cảm biến MEMS có nhiều ưu điểm và tiềm năng lớn nhưng việc
xây dựng các sản phẩm ứng dụng cụ thể đòi hỏi nhiều nỗ lực và kiến thức đa ngành
cho phép thu thập các thong tin từ cảm biến và phân tích xử lý. Với mục tiêu tiến tới
ứng dụng cảm biến MEMS trong thực tế đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người,
luận văn này trình bày việc nghiên cứu cơ sở của cảm biến gia tốc MEMS áp điện
trở và nghiên cứu ứng dụng cảm biến MEMS trong xác định độ rung. Tín hiệu thu
được được sử lý hiển thị dạng tín hiệu trên màn hình GLCD và trên máy tính qua
card thu thập USB9001 và phần mềm LabvieW. Nội dung của luận văn gồm:
-
Chương 1: Tổng quan công nghệ MEMS và cảm biến áp điện trở
-
Chương 2: Thiết kế và thi công mạch
-
Chương 3: Thiết kế giao diện thu thập dữ liệu và điều khiển dùng Labview
-
Chương 4: Kết quả thử nghiệm hệ đo sử dụng cảm biến gia tốc áp điện trở
1
LỜI CẢM ƠN
Để có thề hoàn thành được luận văn này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới PGS.TS Vũ Ngọc Hùng người Thầy đã hướng dẫn, dìu dắt, động viên và có
những ý kiến chỉ đạo hướng dẫn khoa học quý báu, kịp thời và đúng đắn cho tôi
trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc và tập thể cán bộ viện ITIMS đã tạo điều
kiện về cơ sở vật chất, thiết bị thí nghiệm để tôi có thể hoàn thành được luận văn
của mình.
Xin chân thành cảm ơn nhứng ý kiến đóng góp, những lời động viên chân thành
của các thành viên trong nhóm MEMS cũng như tập thể lớp ITIMS khóa 2009
Tác giả luận văn
Nguyễn Ngọc Minh
2
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong cuộc sống việc ứng dụng cảm biến gia tốc để đánh giá chất lượng của
thiết bị, đưa ra những kết luận, khuyến cáo cho sự an toàn rất quan trọng. Hơn nữa
việc làm chủ công nghệ chế tạo ra cảm biến và ứng dụng phân tích xử lý tín hiệu
hiển thị tín hiệu và giá trị rung nhằm từng bước thúc đẩy ngành khoa học ký thuật
của đất nước. Đề tài mong muốn ứng dụng cảm biến gia tốc áp điện trở ghép nối với
thiết bị điều khiển ngoại vi như vi điều khiển, màn hình GLCD để hiển thị, cũng
như chương trình LabvieW, card chuyên dụng để kết nối mát tính. Với lý do đó tôi
chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ đo cảm biến gia tốc MEMS ứng
dụng đo độ rung”
Tóm tắt
Đề tài đã ứng dụng cảm biến gia tốc MEMS để đo dộ rung. Dạng tín hiệu và
phổ tần số được phân tích FFT và hiển thị trên màn hình GLCD và máy tính sử
dụng phần mềm LabvieW, card USB9001
Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu công nghệ MEMS
- Nghiên cứu cảm biến gia tốc áp điện trở, vi điều khiển dsPIC, phần mềm
Labview, card giao tiếp máy tính USB9001
- Khảo sát thực nghiệm cảm biến.
- Thiết kế mạch xử lý tín hiệu
- Khảo sát mô phỏng trên máy tính
- Xây dựng chương trình hiển thị trên màn hình GLCD
- Tiến hành lắp ráp, test cảm biến trên bo.
- Thiết kế giao diện trên máy tính
3
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MEMS VÀ CẢM BIẾN
ÁP ĐIỆN TRỞ
1.1 Giới thiệu công nghệ MEMS
MEMS là thuật ngữ để chỉ công nghệ của các hệ thống bao gồm các bộ phận
điện tử, cơ học, quang học… rất nhỏ (cỡ nanomet hay micromet) được kết hợp cùng
với nhau. Công nghệ MEMS dựa trên cơ sở các kỹ thuật của công nghệ vi điện tử
và các ứng dụng tính chất của vật liệu để tạo ra các cấu trúc cơ học, quang học, hóa
học… có khả năng hoạt động như một hệ thống hoàn chỉnh. Khả năng thu nhỏ, tích
hợp các linh kiện của công nghệ MEMS là một trong những lí do khiến cho nó trở
thành một công nghệ đầy hứa hẹn của hiện tại cũng như tương lai.
MEMS là viết tắt của cụm từ Micro Electro-Mechanical System có nghĩa là
“ hệ thống vi cơ điện tử “. MEMS còn được gọi bằng những cái tên khác như
MicroMachines (vi máy) ở Nhật Bản hay Micro Systems Technology-MST (công
nghệ vi hệ thống) ở Châu Âu. Khái niệm về MEMS được đưa ra từ những năm 50
của thế kỷ 20. Giống như tên gọi của nó, lĩnh vực của MEMS ban đầu bao gồm các
cấu trúc cơ có kích cỡ micromet và các mạch vi điện tử được tích hợp trên cùng một
chip.
Công nghệ MEMS cũng bao gồm các phương pháp chế tạo đặc trưng và các cấu
trúc mới của thiết bị.
Sơ đồ khối cơ bản của một cấu trúc MEMS được biểu diễn ở hình vẽ dưới đây:
Hình 1: Sơ đồ các khối cơ bản trong một hệ MEMS
4
Các thành phần cơ bản của một hệ thống MEMS gồm có: vi cảm biến, vi
chấp hành, vi xử lý, vi cấu trúc cơ. Nhờ cấu trúc này, các hệ thống MEMS cho phép
thu nhận các tín hiệu cơ nhờ các vi cảm biến, thông qua xử lý tín hiệu của các vi cấu
trúc và vi xử lý, đưa ra tín hiệu điều khiển các vi chấp hành tác động ngược lại môi
trường.
Nguyªn tö
1A
Vi-rót
DNA
TÕbµo
1 nm
1 µm
§ - êng
kÝnh sî i
tãc
Con ng- êi
Giät n- í c
1 mm
1m
M EM S
N- í c
M µng máng
Vi dÇm, vi mµng
Gií i h¹ n quang kh¾c
Vi m¹ ch
C«ng nghÖnano
Hãa häc, sinh häc ph©n tö
C¬ khÝchÝnh x¸ c
Hình 2 Kích thước các cấu trúc MEMS
Các linh kiện MEMS được cấu tạo từ các bộ phận có kích thước khoảng 1
đến 100 micomet và một linh kiện MEMS có kích thước thông thường từ 20
micromet đến 1 milimet.
5
Hình 3: Minh họa cấu trúc và khả năng xử lý tín hiệu của MEMS
Ngày nay, thuật ngữ MEMS không còn hoàn toàn đúng bởi sự phát triển của
các linh kiện MEMS không còn giới hạn trong phạm vi lĩnh vực cơ-điện nữa mà
còn phát triển sang một số lĩnh vực khác như: nhiệt, quang, hóa học, sinh học, y
học… Hơn nữa, kích cỡ các linh kiện cũng ngày càng được thu nhỏ đến mức
nanomet (công nghệ NEMS). Tuy nhiên, thuật ngữ MEMS vẫn được sử dụng do ý
nghĩa lịch sử của nó.
Nhờ khả năng tích hợp, rút gọn của các hệ thống MEMS, công nghệ MEMS
đã và đang phát triển rất mạnh mẽ trong các lĩnh vực yêu cầu thu nhỏ kích cỡ các
linh kiện và tăng mật độ tích hợp linh kiện. Ví dụ như trong lĩnh vực vi robot, vi
vận chuyển hay lĩnh vựa chế tạo các thiết bị điện tử cầm tay đa chức năng…
Ngoài ra, các linh kiện MEMS còn có rất nhiều ưu điểm vượt trội khác so với các
linh kiện chế tạo bởi các công nghệ truyền thống như:
• Kích thược nhỏ, khối lượng nhẹ nên rất tiện ích cho các ứng dụng.
• Được chế tạo hàng loạt (batch) nên giá thành rẻ.
• Độ lặp lại cao.
• Có thể là một linh kiện đơn lẻ hay một thiết bị hoàn chỉnh.
6
1.1.1 Vật liệu dùng trong công nghệ MEMS
MEMS bao gồm các cấu trúc vi cơ-điện hoạt động một cách hòa hợp, thống
nhất. Mỗi bộ phận của một linh kiện MEMS thường cấu tạo bởi các vật liệu khác
nhau. Ví dụ như: dây dẫn làm từ kim loại, điện trở làm từ bán dẫn pha tạp, tụ điện
có bản tụ kim loại và lớp điện môi làm từ gốm áp điện… Tính chất vật liệu của mỗi
bộ phận có thể ảnh hưởng đến đặc tính của cả linh kiện. Vì thế, việc tạo nên một
linh kiện MEMS đòi hỏi một kiến thức vững vàng về các loại vật liệu để có thể kết
hợp chúng một cách tốt nhất trong thiết kế và xây dựng quy trình chế tạo hợp lý.
Trên thực tế, công nghệ MEMS là một tập hợp chung các kỹ thuật chế tạo
khác nhau. Vì vậy, các vật liệu được sử dụng trong công nghệ MEMS cũng rất rộng
rãi: silicon, thủy tinh, gốm, polymer, các hợp chất bán dẫn của các nguyên tố nhóm
III và V và cả một số kim loại như nhôm, titan, volfram… Tuy nhiên, silicon vẫn là
vật liệu được sử dụng chủ yếu do các ưu điểm nổi trội về tính chất vật liệu, công
nghệ chế tạo, mức độ sử dụng rộng rãi trong điện tử và cả tính kinh tế của nó. Dưới
đây là một số vật liệu chủ yếu sử dụng trong MEMS:
•
Silicon: gồm có silicon đơn tinh thể và silicon đa tinh thể. Vật liệu silicon
nói chung có ưu điểm là giá thành rẻ, đã được ứng dụng rộng rãi và có các tính chất
cơ học tốt.
Silicon đơn tinh thể có một số tính chất quan trọng thỏa mãn các yêu cầu của
các kỹ thuật trong MEMS: tính ăn mòn dị hướng theo trục tinh thể trong một số
dung dịch, tính chất áp điện trở của vật liệu bán dẫn, tính ăn mòn dừng của silicon
pha tạp mạnh… Do các tính chất đó, silicon đơn tinh thể thường được sử dụng làm
vật liệu ăn mòn hoặc mặt nạ ăn mòn trong công nghệ vi cơ khối, làm đế để chế tạo
các linh kiện lên trên trong công nghệ vi cơ bề mặt. Và trong các linh kiện MEMS
tích hợp, silicon đơn tinh thể là vật liệu điện tử chính để chế tạo các IC.
Silicon đa tinh thể thường được chế tạo ở dạng màng mỏng bằng phương
pháp lắng đọng pha hơi áp suất thấp (LPCVD). Silicon đa tinh thể là vật liệu chính
7
trong các cấu trúc tạo bởi công nghệ vi cơ bề mặt với silicon đa tinh thể là vật liệu
cấu trúc chính, silicon dioxide là vật liệu hi sinh và silicon nitride là vật liệu cách
điện của cấu trúc.
•
Silicon dioxide (SiO2): có thể được tạo ra trên phiến silicon bằng cách oxy
hóa.
SiO2 có tính chất cơ học và tính chất của một lớp cách điện rất tốt. Ngoài ra,
lớp SiO2 có cấu trúc và tính chất cơ học tương tự Si nên tránh được ứng suất nội ở
lớp tiếp xúc SiO2-Si. Do đó, SiO2 được sử dụng rất rộng rãi trong các quy trình để
thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật khác nhau.
•
Silicon nitride (Si3N4): thường được tạo ra dưới dạng màng mỏng bằng
phương pháp LPCVD hoặc PECVD. Màng Si3N4 thường được sử dụng làm chất
cách điện, chất thụ động hóa bề mặt, mặt nạ ăn mòn và vật liệu cơ học.
•
Vật liệu áp điện: thạch anh, GaAs, ZnO, PZT là các vật liệu có tính chất áp
điện thường được sử dụng. Vật liệu áp điện đóng vai trò quan trọng trong công nghệ
MEMS. Nó không chỉ được sử dụng chủ yếu trong các chấp hành cơ học mà còn
được dùng một phần trong các ứng dụng về cảm biến. Trong thời gian gần đây, vật
liệu áp điện đang được tập trung phát triển trong MEMS là PZT do vật liệu này có
hằng số áp điện cao.
•
Kim loại: được sử dụng với rất nhiều mục đích khác nhau, như mặt nạ quang
khắc, mặt nạ ăn mòn, vật liệu dẫn điện và các cấu trúc cơ học trong các cảm biến
hay vi chấp hành. Màng mỏng kim loại có thể được tạo ra bằng nhiều phương pháp
lắng đọng như bốc bay nhiệt, phún xạ, CVD và mạ điện.
Nhôm là kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo các linh kiện
MEMS. Màng nhôm có thể dùng để liên kết với các vật liệu polymer. Trong hầu hết
các trường hợp, Al thường được sử dụng làm vật liệu cấu trúc như dây dẫn hay điện
cực… Nhưng trong một số trường hợp, Al cũng có thể sử dụng làm vật liệu hi sinh.
8
Ngoài ra, còn một số các kim loại khác cũng thường được sử dụng như Au,
Pt, W,…
• Ngoài các vật liệu kể trên, công nghệ MEMS còn sử dụng một số các vật liệu
khác như: silicon carbide, các vật liệu Ge, các vật liệu nhóm III-V, kim cương,…
Các công nghệ chế tạo linh kiện MEMS
Khả năng ra đời các máy móc có kích thước rất nhỏ đã được Richard
Feynman đưa ra từ lâu trước khi ra đời công nghệ có thể chế tạo ra chúng. Công
nghệ chế tạo các linh kiện MEMS đã trải qua một lịch sử phát triển khá dài và các
bước phát triển đó được đánh dấu bởi các công nghệ với quy trình kỹ thuật mang
tính đặc trưng.
Dựa theo các quy trình chế tạo mà người ta phân chia công nghệ MEMS thành:
a.
Công nghệ vi cơ khối
Khi mà mạch tích hợp phát triển vào đầu những năm 1960, một số nhà khoa
học đã có ý tưởng về việc tạo ra các cảm biến tích hợp để giảm giá thành và đặt cả
cảm biến và mạch điện tử trên cùng một chip. Đến cuối những năm 1960, kỹ thuật
ăn mòn Si đã được sử dụng để tạo ra các màng mỏng có thể chuyển áp suất thành
tín hiệu điện. Năm 1970, ăn mòn dị hướng chọn lọc được sử dụng để tạo màng có
kích thước cần thiết. Hiệu ứng ăn mòn dừng với Si pha tạp cũng được phát hiện ra
ngay sau đó, và “công nghệ vi cơ khối” ra đời. Kỹ thuật hàn chip (bao gồm cả hàn
dây, hàn phiến và đặc biệt hàn tĩnh điện Si-thủy tinh) cũng mang đến rất nhiều ứng
dụng và khả năng tích hợp các cấu trúc khác nhau.
Công nghệ vi cơ khối là công nghệ dùng các kỹ thuật gia công vật liệu như
oxy hóa, quang khắc và ăn mòn để chế tạo các cấu trúc vi cơ có dạng khối (3D).
Các cấu trúc tạo ra bởi công nghệ vi cơ khối thường có hình dạng khá đơn giản.
9
Tùy theo kỹ thuật ăn mòn được sử dụng mà người ta lại chia nhỏ công nghệ vi cơ
khối ướt và công nghệ vi cơ khối khô.
• Công nghệ vi cơ khối ướt: như đã đề cập ở phần trên, vật liệu Si có tính ăn mòn
dị hướng. Để tạo ra các cấu trúc mong muốn, người ta sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt
để lấy đi một phần thể tích của vật liệu. Vật liệu được ăn mòn trong dung dịch
KOH. Do ăn mòn ướt có tính dị hướng kém (ăn mòn dị hướng theo trục tinh thể)
nên các cấu trúc ăn mòn có vách dạng vát với góc 54,7 độ. Vì thế các cấu trúc này
có tỉ số hình dạng thấp, kích thước lớn.
Hình 4: Minh họa hốc ăn mòn trong công nghệ vi cơ khối ướt
• Công nghệ vi cơ khối khô: trong công nghệ vi cơ khối khô, thay vì ăn mòn
phiến Si trong dung dịch KOH, người ta sử dụng kỹ thuật ăn mòn khô. Phiến Si
được ăn mòn trong môi trường plasma bằng chùm ion và tạo ra các cấu trúc mong
muốn. Cơ chế ăn mòn có thể bao gồm cả cơ chế hóa học và vật lý.
Hình 5: Một số cấu trúc chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối khô
10
Ăn mòn khô có tính dị hướng tốt hơn nhiều so với ăn mòn ướt do sử dụng
chùm ion định hướng với cơ chế ăn mòn gồm cả cơ chế vật lý và cơ chế hóa học. Vì
thế nên các cấu trúc này có tỉ số hình dạng cao, bề mặt nhẵn và các vách ăn mòn có
dạng thẳng đứng do đó nên thu nhỏ được kích thước linh kiện hơn so với công nghệ
vi cơ khối sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt.
Công nghệ vi cơ khối là công nghệ MEMS được áp dụng đầu tiên và đã tạo
ra được rất nhiều ứng dụng trong các sản phẩm hiện nay. Ví dụ như cảm biến áp
suất ứng dụng trong việc kiểm soát lưu lượng xăng và khí thải trong ô tô; cảm biến
gia tốc ứng dụng trong hệ thống túi khí của ô tô; đầu phun mực trong máy in và
nhiều các ứng dụng khác nữa.
b.
Công nghệ vi cơ bề mặt
Công nghệ vi cơ bề mặt ra đời vào giữa những năm 1980 và nhanh chóng
dẫn đến nhiều ứng dụng trong các cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc và các cấu trúc
vi cơ khác đặc biệt là trong các ứng dụng về vi chấp hành (micro-actuator).
Công nghệ vi cơ bề mặt sử dụng các kỹ thuật như oxy hóa, lắng đọng, quang
khắc, ăn mòn để chế tạo các cấu trúc trên bề mặt vật liệu sử dụng làm để. Các cấu
trúc này rất mỏng, có thể coi như các cấu trúc 2 chiều (2D) và có thể có cấu trúc
phức tạp. Dưới đây là một ví dụ minh họa quy trình kỹ thuật trong công nghệ vi cơ
bề mặt.
11
Hình 6: Quy trình chế tạo cantilever kích thước micro dựa trên công nghệ vi cơ bề
mặt
Trong công nghệ vi cơ bề mặt, người ta lắng đọng lên đế các lớp vật liệu
khác nhau trong đó có vật liệu cấu trúc và vật liệu hi sinh. Sau một quy trình kỹ
thuật bao gồm oxy hóa, quang khắc, ăn mòn với mục đích dùng các lớp vật liệu hi
sinh để tạo ra cấu trúc trên lớp vật liệu cấu trúc. Sau đó ăn mòn lớp vật liệu hi sinh
đi để tạo ra được cấu trúc mong muốn.
Việc ăn mòn có tính chọn lọc lớp hi sinh cho phép tạo ra các cấu trúc có kích
thước rất nhỏ, tỉ số hình dạng cao và có thể có hình dạng phức tạp.
c.
Công nghệ LIGA
Công nghệ LIGA được người Đức phát minh ra. Nó bao gồm các kỹ thuật
khắc, mạ điện, làm khuôn, đúc, dập… Công nghệ này đòi hỏi một nền công nghệ cơ
khí chính xác rất cao vì thế đây là một công nghệ rất tiên tiến và đắt tiền.
Trong công nghệ LIGA, người ta sử dụng các kỹ thuật cơ khí chính xác
(khắc bằng chùm ion, dập…) để tạo ra một khuôn đúc có cấu trúc mong muốn. Sau
đó sử dụng vật liệu (thường là kim loại) để đúc ra linh kiện có cấu trúc 3D. Hình
bên dưới minh họa các bước quy trình kỹ thuật trong công nghệ LIGA.
Hình 7: Quy trình chế tạo vi bánh răng theo công nghệ Liga
12
Công nghệ LIGA có khả năng tạo ra các cấu trúc 3D kích thước tùy ý. Vì sử
dụng khuôn đúc tạo ra bởi kỹ thuật khắc bằng chùm ion nên có các linh kiện tạo ra
có độ chính xác cao, kích thước nhỏ, tỉ số hình dạng rất cao.
1.1.2 Rung động trong đời sống con người
Các rung động cơ học trong đời sống
Con người sống trong một môi trường đàn hồi. Vì thế, các rung động cơ học
xung quanh luôn luôn tác động lên cuộc sống của chúng ta. Các vấn đề về rung
động là rất quan trọng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong sinh hoạt hàng
ngày, chúng ta giao tiếp, giải trí một phần lớn là các nhờ âm thanh. Với cuộc sống
hiện đại, vấn đề ô nhiễm tiếng ồn đang ngày càng được quan tâm bởi ngày càng có
nhiều âm thanh có cường độ lớn gây hại cho sức khỏe con người: tiếng ồn do xe cộ,
tiếng ồn do loa công suất lớn… Ngoài các bệnh mãn tính về thính giác, thần kinh thì
những âm thanh quá lớn còn có thể gây ra nhiều bệnh cấp tính về tim mạch hay hô
hấp…
Trong công nghiệp, việc đo độ rung có tầm quan trọng đặc biệt vì các lý do sau:
• Nhằm khống chế độ rung để tránh tiếng ồn gây hại cho sức khỏe.
• Hạn chế mức rung ở giới hạn cho phép để đảm bảo an toàn cho các kết cấu.
• Rung động liên quan đến trạng thái mài mòn và bền mỏi của các chi tiết cơ khí
trong máy móc. Đo độ rung giúp người quản lý nắm được tình trạng mòn của máy
và có kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa kịp thời.
• Ngoài ra khi thiết kế, cần tính toán để máy có tần số rung riêng thích hợp, tránh
hiện tượng cộng hưởng đồng thời tiết kiệm điện năng.
Trong giao thông nói chung và cầu đường nói riêng, độ rung của các cây cầu
thể hiện tình trạng hoạt động của cầu. Việc đo độ rung của các cây cầu có thể giúp
ta dự đoán được độ an toàn và tình trạng của cầu. Nếu cầu hoạt động quá tải thì sẽ
13
rung rất mạnh. Điển hình là một số cây cầu đã cũ và xuống cấp như cầu Long Biên
và cầu Đuống. Việc đo và kiểm soát độ rung của các cây cầu này là rất cần thiết để
dự đoán khả năng hoạt động của cầu và tránh tai nạn đáng tiếc có thể xảy ra.
Trong lịch sử, có một vài trường hợp khi một đội quân đi đều bước qua cầu
đã làm cầu bị sập mặc dù cầu vẫn còn rất tốt và không hề bị quá tải. Đó là do nhịp
bước đi của những người lính trùng với tần số dao động riêng của cây cầu và làm
cộng hưởng rung động gây ra gẫy cầu. Đo độ rung có thể giúp ta tìm ra tần số dao
động riêng của cầu. Qua đó có biện pháp hạn chế tốc độ của các phương tiện giao
thông trên cầu để tránh gây ra hiện tượng cộng hưởng.
Cường độ rung động được đặc trưng bởi độ dịch chuyển, vận tốc hay gia tốc
ở các điểm trên vật rung. Vì vậy, cảm biến gia tốc có thể được sử dụng để làm cảm
biến đo độ rung. Với tầm quan trọng đặc biệt của việc đo độ rung, nghiên cứu ứng
dụng cảm biến gia tốc áp điện trở đo độ rung là cần thiết và khả thi.
1.2 Cảm biến gia tốc.
1.2.1 Giới thiệu chung về cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc là một trong những linh kiện MEMS điển hình được phát
minh ra từ rất sớm và hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: đo
độ rung, đo gia tốc, đo vận tốc, đo vận tốc góc…
Một ứng dụng khá gần gũi trong sinh hoạt của sensor gia tốc là ứng dụng
trong túi khí cấp cứu của ô tô. Nguyên lý hoạt động của hệ thống túi khí này khá
đơn giản. Nó gồm có một cảm biến gia tốc gắn với một vi điều khiển. Vi điều khiển
này nhận tín hiệu do cảm biến truyền đến và điều khiển việc bung túi khí nếu có tai
nạn do va chạm mạnh xảy ra. Khi xảy ra va chạm mạnh, gia tốc lớn hơn một mức
ngưỡng an toàn nào đó được đặt trước sẽ được cảm biến gia tốc thu nhận và gửi về
cho vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ truyền tín hiệu điều khiển túi khí và làm túi khí
bung ra tức thời, giữ an toàn cho những người trên xe. Tùy theo hướng va chạm có
14
thể xảy ra, người ta sẽ lắp đặt hệ thống cảm biến-vi điều khiển-túi khí này theo các
hướng khác nhau tùy chiều cảm ứng của cảm biến (có thể lắp đặt ở vô lăng và cửa
xe).
1.2.2 Phân loại cảm biến gia tốc
Tùy theo mục đích ứng dụng, công nghệ chế tạo, người ta đã phát triển rất
nhiều loại cảm biến gia tốc có cấu trúc khác nhau. Có thể phân loại cảm biến gia tốc
theo công nghệ chế tạo hoặc theo nguyên lý hoạt động của cảm biến.
1.2.3 Theo công nghệ chế tạo
- Cảm biến gia tốc chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối.
- Cảm biến gia tốc chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt.
- Cảm biến gia tốc chế tạo bằng công nghệ LIGA.
1.2.4 Theo nguyên lý hoạt động:
Nói chung, cấu tạo của cảm biến gia tốc bao gồm một khối gia trọng được
treo bởi hệ các thanh dầm.
Hình 8: Một số cấu trúc cảm biến gia tốc đơn giản
Hình vẽ trên mô tả một số cấu trúc đơn giản của cảm biến gia tốc vi cơ. Tùy
theo thiết kế và công nghệ chế tạo, số thanh dầm và vị trí các thanh dầm có thể khác
nhau.
15
Sau đây là sơ đồ tương đương của cảm biến gia tốc trong đó, các thanh dầm
tương đương với lò xo và sức cản không khí hoạt động tương đương với một bộ
giảm chấn.
Bộ giảm chấn
Khối gia trọng
Lò xo
Chuyển vị
Hình 9: Sơ đồ tương đương của cảm biến gia tốc
Khi có gia tốc tác động lên cảm biến, khối gia trọng sẽ chuyển động và gây
ra lực quán tính lên hệ thống thanh dầm và làm các thanh dầm bị biến dạng. Vì vậy
để đo gia tốc, người ta thường dựa vào chuyển vị của khối gia trọng hoặc độ biến
dạng của các thanh dầm.
Tùy theo phương pháp đo gia tốc dựa vào cơ sở chuyển vị của khối gia trọng
hay sự biến dạng (ứng suất) của các thanh dầm, người ta sử dụng các nguyên lý của
các hiệu ứng khác nhau: phương pháp đo dựa trên cở sở ứng suất thường sử dụng
các hiệu ứng áp điện trở, áp điện, trong khi đó phương pháp đo dựa trên cơ sở
chuyển vị thường sử dụng hiệu ứng điện dung. Do đó, có thể phân loại cảm biến gia
tốc theo nguyên lý hoạt động của chúng.
Bảng 1: Bảng so sánh đặc điểm của các loại cảm biến theo nguyên lý đo.
Khả năng
Độ phức Độ
cảm ứng
Nguyên Thông Mạch
tạp hệ tuyến Các đặc điểm khác
nhiều bậc tự
lý đo số nhạy điện
tính
thống
do
Áp điện Ứng
trở (bán suất
Không
Thấp
- Độ nhạy cao.
Tốt
- Thích hợp quy trình
16
6 bậc tự do
sản xuất IC.
dẫn)
- Hiệu ứng nhiệt, trôi.
Điện Chuyển
vị
dung
Có
Trung
Trung
bình
bình
- Độ nhạy cao.
- Hệ số nhiệt thấp.
- Nhạy với môi trường.
1 hoặc 2 bậc
tự do
- Công nghệ chế tạo
Áp điện
Lực
Không
Trung
Không
phức tạp.
bình
tốt
- Silic không phải là
1 bậc tự do
vật liệu áp điện.
Cộng
hưởng
Nhiệt
điện trở
Tần số
Có
Nhiệt Không
Cao
Thấp
Trung
- Nhiễu thấp.
bình
- Không cần khối gia
Trung
trọng.
bình
- Tần số thấp, nhiễu lớn
1 bậc tự do
1 hoặc 2 bậc
tự do
Bảng trên nêu lên một số so sánh tổng quát về đặc tính của các cảm biến vi
cơ nói chung hoạt động với nguyên lý dựa trên cơ sở các hiệu ứng vật lý khác nhau
thường được sử dụng.
Cảm biến gia tốc vi cơ thường được thiết kế chế tạo để hoạt động dựa trên
các nguyên lý như điện dung, áp điện, áp điện trở. Dựa theo bảng so sánh trên có
thể thấy được một số ưu điểm của cảm biến gia tốc hoạt động dựa trên hiệu ứng áp
điện trở: dễ chế tạo, độ nhạy cao, độ phức tạp hệ thống thấp, thích hợp với quy trình
sản xuất IC. Những ưu điểm này tương đối phù hợp với khả năng kỹ thuật và mục
đích ứng dụng tại Việt Nam. Vì thế thời gian vừa qua, nhóm MEMS thuộc viện
ITIMS đã nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc
tự do với các kích thước khác nhau: 1x1x0.5mm3 và 2x2x0.5mm3. Thông qua kiểm
17
