Cm bin gia tc ap din tr

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Bảng phân công nhiệm vụ STT Họ tên MSSV Nhiệm vụ Hoàn thành Nguyễn Hữu Thắng ( Trưởng nhóm ) 20153515 - Tính tốn lý thuyết - Làm slide 100% Hồng Văn Bình 20150288 - Dịch tài liệu 100% Nguyễn Thị Đào 20150787 - Tổng quan đề tài 100% Nguyễn Đình Cường 20150498 - Quy trình gia cơng 100% Lê Hồng Sơn 20153193 - Tính tốn, thiết kế 100% mạch điện Lưu Vĩnh Trung 20153967 - Tính tốn lý thuyết - Đề xuất mơ hình 100% Nguyễn Thanh Xn 20154431 - Mơ - Tổng hợp báo cáo 100% Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc MỤC LỤC Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Chương Tổng quan đề tài Giới thiệu công nghệ MEMS ứng dụng Vào cuối năm 50 kỉ XX, cách mạng công nghệ micro diễn hứa hẹn tương lai tươi sáng cho tất ngành công nghiệp Hệ thống vi điện tử tích hợp thành phần điện tử khí có kích thước cỡ Micromet (Micro Electro Mechanical System) viết tắt MEMS đời phát triển giai đoạn sau MEMS bao gồm cấu trúc vi cơ, vi cảm biến, vi chấp hành vi điện tử trình bày hình: Hình Các thành phần thiết bị MEMS Công nghệ gia công chế tạo MEMS chủ yếu vi gia công Silicon, tập trung nhiều công nghệ: Công nghệ gia công vi khối (cấu trúc khắc lên chất Silic) công nghệ gia công vi bề mặt (các lớp vi hình thành từ lớp màng mỏng lắng đọng bề mặt) Ngồi cịn có trình LIGA 3D sử dụng để tạo cấu trúc 3D MEMS Quá trình chế tạo MEMS tương tự trình chế tạo mạch tích hợp (IC) với ưu điểm giảm chi phí gia cơng chế tạo hàng loạt MEMS sử dụng ứng dụng, từ công nghệ hiển thị đến công nghệ cảm biến Một số ứng dụng thực tế MEMS vi cảm biến gia tốc cho ô tô, hay vi động có kích cỡ micromet có ý nghĩa lớn y học (đo huyết áp, truyền thuốc,…), ứng dụng điện thoại thơng minh, máy tính, đầu mực in phun, phát triển thành phố an toàn thân thiện… Cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở (Piezoresistive Acceleromerter Sensor) Ngày nay, thiết bị cảm biến có tích hợp cảm biến khẳng định vai trò quan trọng hệ thống điện, điện tử, tự động hóa Cảm biến thâm nhập cách mạnh mẽ vào hầu hết lĩnh vực sống y sinh, ô tô, điện tử dân dụng, khoa học khơng gian,… tạo cách mạng hóa loại sản phẩm Tuy nhiên, với xu hướng phát triển chung khoa học công nghệ, thiết bị điện, điện tử ngày nhỏ gọn hơn, xác có tính tích hợp cao Các cảm biến chế tạo cơng nghệ MEMS tỏ có nhiều ưu điểm đáng quý Với kích thước nhỏ, độ nhạy cao, cảm biến MEMS dễ dàng để tích hợp vào thiết bị hệ thống khác Hơn nữa, việc sản xuất loạt lớn khiến cảm biến MEMS có giá thành rẻ so với cơng nghệ trước Trong loại cảm biến MEMS, cảm biến đo gia tốc thiết bị quan trọng, với khả ứng dụng lớn thực tế Một vài ứng dụng cảm biến gia tốc đo gia tốc Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc phương tiện, đo dao động ô tô, phát va chạm, đo điều khiển mức rung hay đo số thông số sinh học thể người Một ví dụ quan trọng cảm biến gia tốc hệ thống túi khí xa đại Các cảm biến xác định thay đổi đột ngột gia tốc phương tiện để phát va chạm mức độ nghiêm trọng va chạm Hiện nay, có loại cảm biến đo gia tốc: cảm biến gia tốc kiểu điện dung, kiểu áp điện kiểu áp điện trở Cảm biến áp điện cho thấy hạn chế tình đo tĩnh tải lực tĩnh So với cảm biến gia tốc kiểu điện dung, cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở có ưu điểm trở kháng lối cầu điện trở thấp nên dễ dàng nhận biết, đo đạc tín hiệu Nói chung loại cảm biến có ưu nhược điểm riêng cảm biến kiểu áp điện trở tỏ có nhiều ưu điểm Có đến 70 % cảm biến MEMS sử dụng hiệu ứng áp điện trở Nhận thấy không tầm quan trọng thiết bị cảm biến MEMS kiểu áp điện trở, mà tiềm phát triển ứng dụng cực cao nhiều lĩnh vực Trong tập lớn này, chúng em xin chọn đề tài nghiên cứu thiết kế cảm biến đo gia tốc bậc tự sử dụng hiệu ứng áp điện trở Một số nghiên cứu cảm biến đo gia tốc a Cảm biến gia tốc áp điện trở bậc tự kích thước thu nhỏ sử dụng kĩ thuật ăn mịn Ion hoạt hóa sâu (Design and fabrication of MEMS miniaturized 3-DOF piezoresistive acceleration sensors using deep reactive Ion etching technology) Hình Ví dụ gia tốc áp điện trở bậc tự Cảm biến thiết kế chế tạo TS Vũ Ngọc Hùng thuộc trường đại học Bách Khoa Hà Nội.Cảm biến có kích thước Phần tử nhạy cảm biến gồm khối gia trọng treo bốn dầm đối xứng có kích thước giữ cố định khung cứng bên sử dụng vật liệu silic Các áp điện trở silic dạng mỏng có kích thước tạo dầm Quy trình chế tạo cảm biến gia tốc thực sở áp dụng công nghệ vi điện tử để tạo áp điện trở loại p dây điện cực, công nghệ vi chế tạo sử dụng kỹ thuật ăn mịn khơ ion hoạt hóa sâu (DRIE) đẻ tạo cấu trúc cảm biến Trong nghiên cứu này, q trình ăn mịn vật liệu Silic thực theo phương pháp Bosch sử dụng hỗn hợp khí Cảm biến chế tạo xác định đồng thời ba thành phần gia tốc Ax, Ay, Az dải tần số hoạt động 100Hz Độ nhạy theo phương X(Y) Z đạt giá trị tương ứng 30,5 22,9 Điện áp cấp vào cho cảm biến 5V Cảm biến có ưu điểm kích thước tương đối nhỏ, có ảnh hưởng hiệu ứng đan xen phương không đáng kể Cảm biến có dải đo rộng (0-30g) Tuy nhiên độ nhạy cảm biến theo phương X (Y) Z thấp 22,9 Cấu trúc dầm phức tạp Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 4 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc b Cảm biến đo gia tốc áp điện trở ba bậc tự tám dầm chịu lực Hình Cảm biến áp điện trở bậc tự sử dụng dầm chịu lực Cảm biến nghiên cứu Jinlong Song, Changde He , Renxin Wang, Chenyang Xue Wendong Zhang, Phịng thí nghiệm Khoa học Công nghệ đo lường điện tử, Đại học Bắc Kinh Trung Quốc Cấu trúc gia tốc kế bao gồm khối gia trọng, tám dầm khung Các bề mặt dầm, khối gia trọng khung nằm mặt phẳng Có hai dầm hình chữ nhật song song bên khối gia trọng Khối gia trọng treo khung thông qua dầm Các áp điện trở loại p chế tạo bề mặt đầu dầm cách pha tạp boron Bốn áp điện trở đặt khéo léo đánh dấu màu đỏ, xanh xanh lam tạo thành mạch cầu Wheatstone để phát gia tốc theo hướng X, Y Z Gia tốc kế thiết kế chế tạo cách điện silicon (SOI) với lớp thiết bị loại n Điện trở suất, hướng tinh thể độ dày lớp thiết bị 3-5 Ω·cm, 15 µm Độ dày lớp tay cầm lớp oxit 380 µm 0,5 µm Cảm biến có khả đo gia tốc theo phương X, Y, Z Độ nhạy trục X, Y Z 0,209 mV/g, 0,212 mV/g 1,247 mV/g 160 Hz Biên độ nhạy chuẩn hóa 2000 Hz 2,74 dB 10,62 dB Cảm biến có ưu điểm khuếch đại vi sai dẫn đến độ nhạy cao, tần số tự nhiên cao, đo gia tốc theo ba trục Tuy nhiên khả năng hoạt động cảm biến mà có cấu trúc phức tạp với tám dầm Độ nhiễu theo phương tương đối lớn Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc c Cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở theo dõi chấn thương đầu Hình Cảm biến áp điện trở đo gia tốc theo dõi chấn thương đầu Cảm biến phát triển Marco Messina, James Njuguna Chrysovalantis Palas, Vương quốc Anh Với mục đích cải tiến thiết kế cấu trúc học khối gia trọng máy đo gia tốc áp điện ba trục để theo dõi chấn thương đầu, nơi thường gặp va chạm; ví dụ, môn thể thao xe đua hay bóng đá Mỹ Cảm biến cấu tạo khối gia trọng hình trụ treo bốn dầm hình bát giác cố định vào khung bên ngoài, đo gia tốc theo phương X, Y, Z.Cảm biến có kích thước 3x3 , thể tích khối gia trọng 3x, sử dụng vật liệu áp điện nano silicon Cấu trúc cho hiệu suất cao góc uốn dầm 45˚ khối gia trọng hình trụ làm tăng ứng suất vị trí áp điện Độ nhạy thiết kế đạt 76% z - axis 18% x - axis y - axis Ưu điểm cảm biến kích thước lớn, độ nhạy cao, độ nhạy trục chéo (lỗi từ trục đo khác) thấp Tuy nhiên, kích thước 3x3 lớn để chế tạo thiết bị gắn tai, dễ bị tuột khỏi tai Do tác động tốc độ cao chủ yếu nên tần số tín hiệu thấp, tần số gần Hz, cảm biến khơng thể đo xác gia tốc mà vật thể phải chịu Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Chương 2: Nguyên lý cấu trúc cảm biến Nguyên lý cảm biến đo gia tốc áp điện trở Cảm biến gia tốc cho phép biến đổi gia tốc tác động thành tín hiệu điện lối Áp dụng định luật II Newton, cảm biến bị tác động gia tốc a sinh lực quán tính , đo lực tác động lên vật mà ta biết trước khối lượng, từ tính gia tốc tác động lên vật Có nhiều cách để đo lực tác động lên khối gia trọng, cách phổ biến dùng đo khoảng cách dịch chuyển khối gia trọng tương tự khối gia trọng treo lò xo Một hệ thống lò xo - gia trọng vẽ hình Hình Sơ đồ hệ lò xo – gia trọng Cấu trúc cảm biến gia tốc bao gồm nặng có khối lượng “m” xác định trước Quả nặng nối dầm đàn hồi với khung cứng xung quanh Khi gặp gia tốc nặng dao dộng kéo theo dầm đàn hồi bị biến dạng với hệ số cứng k hệ số cản Hệ thống mơ tả phương trình vi phân chuyển động sau: Trong đó: : Lực cản : Lực đàn hồi F(t): Ngoại lực Khi cảm biến gia tốc hoạt động xa tần số cộng hưởng hệ lò xo-gia trọng ảnh hưởng hệ số cản c bỏ qua Với khoảng cách dịch chuyển đủ nhỏ hệ số k coi số Ở trạng thái cân bằng, khối gia trọng khơng chuyển động, lực đàn hồi lò xo cân với lực tác động lên khối gia trọng Độ dịch chuyển khối gia trọng x tham số chuyển đổi thành tín hiệu điện cách đo thay đổi điện trở vật liệu áp trở Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Đề xuất cấu trúc cảm biến Hình Mơ hình cảm biến Kích thước cảm biến: Khung Dầm Quả nặng Chiều dài 1500 μm 950 μm 900 μm Chiều rộng 1500 μm 40 μm 900 μm Dày 500 μm μm 400 μm Bảng Thơng số kích thước cảm biến Hiện nay, thiết kế cảm biến cải tiến nhiều kích thước kết cấu, với hạn chế kiến thức thời gian nhóm việc tìm cấu trúc tối ưu khó khăn Vì chúng em chọn nghiên cứu kết cấu mà chúng em thấy có nhiều ưu điểm kết cấu khác: Kết cấu nhỏ, khoảng trống; chiều dài dầm lớn, tăng độ nhạy cảm biến Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Chương 3: Tính tốn, mơ Tính tốn lý thuyết a Khối lượng nặng m = ρ s c ( (1) Trong : • = 2300 (kg/) khối lượng riêng Silicon V = s c • thể tích nặng Hình Quả nặng hình hộp chữ nhật b Chuyển vị ứng suất dầm tác dụng thành phần gia tốc tịnh tiến theo phương Z Hình Lực tác dụng vào nặng − Lực quán tính lớn tác dụng lên nặng gia tốc a :  Lực tác dụng lên đầu dầm: − Moment qn tính dầm có mặt cắt ngang hình chữ nhật: Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm Hình GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc  Tách dầm C  Xét nửa dầm BC YB = F1Z Hình 10 Thanh có mặt cắt ngang hình chữ nhật Hình 11 Phản lực liên kết đặt vào + Giả sử dầm cứng tuyệt đối Ta có phương trình cân (PTCB) : ∑ Fy = Y C − YB = ⇒ YB = YC = F1Z ∑M B l l l = YC − M B = ⇒ M B = YC = F1Z 2 M A = F1Z Tương tự với nửa dầm AC ta có : l (2) (3) Từ (2) (3) ta có mơ hình phân bố lực momen dầm AB : Hình 12 Phản lực liên kết đặt vào YB = YC = F1Z  l M A = M B = F1Z = M uon max Vì dầm khơng cứng hồn tồn nên tác dụng Momen MA MB dầm bị biến dạng với xu hướng biến dạng theo chiều Momen tác dụng Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 10 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Hình 19 Phân bố ứng suất theo phương Z Hình 20 Ứng suất tương đương dầm Từ kết phân bố ứng suất theo phương dầm, ta thấy ứng suất lớn mà kết cấu phải chịu theo phương 62,678 MPa < σb Si nên điều kiện bền thỏa mãn Sự phân bố ứng suất cho thấy dầm chịu ứng suất dọc trục chủ yếu (ứng suất chiều dòng điện), thành phần ứng suất theo phương pháp tuyến nhỏ Điều phù hợp với việc đặt áp điện trở dọc theo dầm Tạo đường Path dọc theo dầm, từ đưa phân bố ứng suất theo chiều dài dầm Hình 21 Đường Path dọc theo dầm Hình 22 Đồ thị phân bố ứng suất theo chiều dài dầm Từ đồ thị ta thấy vị trí có ứng suất lớn 39,58 μm 910,42 μm Đó vị trí đặt áp điện trở Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 16 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc - Trường hợp gia tốc quay quanh trục X (Y) Kết mô ứng suất phân bố hệ dầm theo phương Hình 23 Phân bố ứng suất theo phương X Hình 24 Phân bố ứng suất theo phương Y Hình 25 Phân bố ứng suất theo phương Z Hình 26 Ứng suất tương đương dầm Từ kết mô phân bố ứng suất hệ dầm, ta thấy ứng suất lớn mà kết cấu phải chịu theo phương 11,6 Mpa < σb Si nên điều kiện bền thỏa mãn Sự phân bố ứng suất cho thấy dầm chịu ứng suất dọc trục chủ yếu (ứng suất chiều dòng điện), thành phần ứng suất theo phương pháp tuyến nhỏ Điều phù hợp với việc đặt áp điện trở dọc theo dầm Tạo đường Path dọc theo chiều dài dầm, đưa phân bố ứng suất theo chiều dài dầm Hình 27 Đường Path dọc theo chiều dài dầm Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 17 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Hình 28 Đồ thị phân bố ứng suất theo chiều dài dầm Từ đồ thị ta thấy vị trí có ứng suất lớn 39,58 μm 910,42 μm Đó vị trí đặt áp điện trở c Mơ đặt áp điện trở - Trường hợp gia tốc tịnh tiến theo Z Hình 29 Ứng suất lớn áp điện trở Ứng suất lớn áp điện trở 55,517 MPa giá trị tương đương - Trường hợp gia tốc quanh quanh X Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 18 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Hình 30 Ứng suất lớn áp điện trở Ứng suất lớn áp điện trở 10,131 MPa giá trị áp điện trở tương đương, chênh lệch nhiều d Xác định tần số dao động riêng kết cấu Việc tìm tần số dao động riêng kết cấu quan trọng Nhớ tránh tượng cộng hưởng làm việc, bớt nguy hiểm gây phá hủy kết cấu Hình 31 Tần số dao động riêng hệ trường hợp Kết mô 318,68 Hz 454,87 Hz e So sánh kết mô với lý thuyết - Ứng suất lớn dầm gia tốc tịnh tiến theo Z: Lý thuyết 53,47 MPa tương - đương mô 55,725 MPa (xét ứng suất tương đương), sai lệch 4,04 % Ứng suất lớn dầm gia tốc quay quanh X (Y): Lý thuyết: 10,306 MPa tương đương mô 10,815 MPa (xét ứng suất tương đương), sai lệch 4,71 % Chương Tính tốn, thiết kế mạch điện Hiệu ứng áp điện trở vật liệu Silic bán dẫn Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 19 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistive) thay đổi điện trở khối vật liệu có ứng suất học đặt vào vật liệu Nói chung, vật liệu thể hiệu ứng này, mức độ khác Dưới tác dụng gia tốc, hệ chịu tác dụng lực quán tính làm cho vật liệu áp điện trở bị biến dạng: hình dạng cấu trúc mạng tinh thể thay đổi nên gây thay đổi điện trở Cơng thức tính điện trở cho vật liệu dẫn điện có dạng hình hộp chữ nhật Hình 32 Điện trở dạng hình hộp chữ nhật R= Điện trở khối dạng hình hộp chữ nhật tính theo cơng thức ρ L A Trong R: điện trở ρ ( : điện trở suất vật liệu ( Ω ) Ω.m L: Chiều dài điện trở (m) A: Tiết diện điện trở (m2) ) Thơng qua tìm hiểu báo công nghệ vi điện tử, ta chọn thông số độ dài áp điện trở sử dụng cảm biến sau: Thông số áp điện trở ( µm) Chiều dài L ( µ m2 ) Tiết diện W Vin (V) 10 5x1 Bảng Thơng số áp điện trở Tính toán thay đổi tương đối áp điện trở Đạo hàm riêng vế ta có: dR = ∂R ∂R ∂R d ρ + dL + dA ∂ρ ∂L ∂A Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 20 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc L ρ ρ L d ρ + d L − dA A A A dR = => Thay đổi tương đối ∆R ∆ρ ∆L ∆ = + −2 A R ρ L A => Sự thay đổi điện trở bị gây bởi: • Sự thay đổi kích thước • Thay đổi điện trở suất Thay đổi điện trở suất do: sức căng ảnh hưởng đến cấu trúc nguyên tử thc tính vật liệu Khi điện trở căng làm khoảng cách nguyên tử tăng lên ảnh hưởng đến điện trở suất Đối với chất bán dẫn hệ số áp trở lớn nên yếu tố thay đổi hình học bỏ qua δR = ∆ ∆R = ρ R ρ Đối với tinh thể dị hướng chiều, định luật Ohm liên hệ với vectơ điện trường dòng điện v i uv E , cường độ với tensor điện trở suất 3x3 sau:  E1   ρ1 E  = ρ  2   E3   ρ5 ρ1→6 ρ6 ρ2 ρ4 ρ5   i1  ρ  × i2  ρ3  i3  thành phần điện trở suất theo phương Khi chịu ứng suất tác dụng vào vật liệu áp trở kéo theo thành phần điện trở suất phương thay đổi Ta xét đến tỉ số  ∆ ρ1  ∆   ρ2  ∆ ∆ρ3  δρ = ρ =   ρ ρ ∆ ρ  ∆ρ5     ∆ ρ  Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 21 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Ta có quan hệ δρ quan hệ với thành phần ứng suất biểu diễn sau  ∆ ρ  π 11 π 12 π 12 ∆    ρ  π 12 π 11 π 12  ∆ ρ  π 12 π 12 π 11  = 0 π 44 ρ ∆ ρ   ∆ρ   0 0    ∆ 0 0  ρ   0 0 π 44 0  σ   σ      σ  .    τ1   τ     π 44   τ  Trong ma trận 6x6 ma trận hệ số áp điện trở Giá trị hệ số áp trở đo nhiệt độ phòng cho silic định hướng tinh thể liệt kê bảng sau Vật liệu π 11 Điện trở suất Ω.cm ( ) ( 10 π 44 π 12 Pa −1 ) ( 10 −11 Pa −1 ) −11 ( 10 Pa −1 ) −11 p-type silicon 7,8 +6,6 -1,1 +138,1 n-type silicon 11,7 -102,2 +53,4 -13,6 Bảng hệ số áp điện trở silic đo nhiệt độ phịng Hình 33 Hệ số áp điện trở theo phương Sự thay đổi điện trở tính hàm ứng suất màng σL dầm Sự phân bố thay đổi điện trở từ ứng suất dọc (song song) ứng suất ngang (vng góc) so với hướng dịng điện cho cơng thức: σT ∆R ∆ρ = = π L σ L + π T σ T R ρ Trong πL hệ số áp điện trở dọc Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 22 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc σL thành phần ứng suất theo chiều dọc (longitudinal): thành phần ứng suất song song với chiều dòng điện πT hệ số áp điện trở ngang σT thành phần ứng suất theo chiều ngang (transverse): thành phần ứng suất vng góc với chiều dịng điện Hệ số áp điện trở silic với hướng tinh thể khác liệt kê bảng đây: Hướng song song 100 001 111 11 11 110 Hướng vng góc 010 110 111 001 Bảng Các hệ số áp trở song song vng góc số hướng quan trọng tinh thể silic Trong phần thiết kế cảm biến, vật liệu silic sử dụng để làm vật liệu áp điện trở có hướng tinh thể song song với chiều dịng điện vng góc với chiều dịng điện Theo ta có giá trị hệ số áp điện trở π L = π 11  π T = π 12 Theo kết mô ta thấy phân bố ứng suất cho thấy dầm (theo phương quay quanh trục X tịnh tiến theo trục Z) chịu ứng suất dọc trục chủ yếu (ứng suất chiều dòng điện), thành phần ứng suất theo phương pháp tuyến nhỏ, theo ta thu kết δR = ∆R ; π L σ L = π11.σ L R Vị trí đặt áp điện trở Áp điện trở đặt vị trí mà ứng suất đạt giá trị lớn để tham số áp điện trở vật liệu silic thay đổi lớn Tín hiệu chuyển đổi thành tín hiệu điện Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 23 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc sở mạch cầu wheatstone kích thích khơng cân Thông qua kết mô ta đặt vị trí áp điện trở sau: Hình 34 Vị trí đặt áp điện trở Vị trí đặt áp điện trở theo phương khoảng cách kí hiệu hình vẽ: ( µm ) 20 µm bx( ) 20 ax bx ax bx ax bx 20 39,58 20 39,58 39.58 az bz 39.58 µm az( ) 20 µm bz( ) 39,58 az bz az bz 20 39,58 20 39,59 Bảng Vị trí đặt áp điện trở dầm Mạch cầu Wheatone Hình 35 Mạch cầu wheatone Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 24 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Ta có cơng thức tính Vout  R1.R3 − R2 R4  R1 R4  Vout =  − ÷.Vin =   R1 + R2 R4 + R3   ( R1 + R2 ) ( R3 R4 ) Trong mạch cầu cảm biến ta sử dụng điện trở: Khi giá trị điện trở R1; R3 tăng thêm lượng Các giá trị điện trở R2; R4 giảm lượng  ÷ ÷.Vin  R1 = R2 = R3 = R4 = R ∆R ∆R (lượng tăng giảm điện trở ta chọn vị trí đặt áp điện trở dầm cảm biến vị trí có ứng suất trực đối) Ta đặt giá trị ∆R = δR R Vout Vì δR nhỏ  R (1 + δ R ) − R (1 − δ R )  = ÷.V   R ( + δ R )   R ( − δ R )  ÷ in     => ( + δ R ) ; δ R ; ; Vout ; Ta có 4.δ R Vin = δ R Vin Vout = δ R Vin Với δ R ; δ ρ ; π 11.σ L Ta có cơng thức tính Vout : Vout ; π 11.σ L Vin Tính tốn theo vị trí chọn đặt áp điện trở mục 3.2.2, ta thu giá trị Vout sau: Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 25 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc VoutAz = δ Rz Vin = π L σ z max Vin = π 11 VoutAx = δ Rx Vin = π L σ x max Vin = π 11 3.m.a.l Vin 4bh m.ε ( s + c ) 24.α b.h Vin Độ nhạy cảm biến tính theo phương: S Az = VoutAz ∆ Rz = Vin = π 11.σ z max Vin az az Rz az S Ax = VoutAx ∆ Rx = Vin = π 11.σ x max Vin εx ε x Rx εx Trong điện áp đầu cầu Ax Az Kết thu sau q trình tính mô Từ kết lý thuyết mô phỏng, ta có đồ thị thể giá trị Vout qua giá trị gia tốc trường hợp Hình 36 Đồ thị Vout trường hợp gia tốc tịnh tiến theo Z Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 26 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Hình 37 Đồ thị Vout trường hợp gia tốc quay quanh X (Y) Trường hợp gia tốc tịnh tiến, giá trị Vout lớn mô 18,32 mV, tính tốn 17,645 mV Sai lệch 3,68 % Trường hợp gia tốc quay, giá trị Vout lớn mô 3,34 mV, tính tốn 3,4 mV Sai lệch 1,76 % Có thể thấy sai lệch trường hợp nhỏ Chương Quy trình chế tạo B1 : Sử dụng SOI loại n (100) để tạo khung 500 µm lớp Si dày µm để tạo cấu trúc dầm,lớp dày µm B2 : Oxi hóa mặt mặt SOI để tạo lớp (có tác dụng làm mặt nạ) B3 : Tạo lỗ hổng đặt áp điện trở cách sử dụng mặt nạ bỏ lớp quang khắc (mask 1) B4 : Khuếch tán ion Boron để tạo thành áp trở ( tạo thành lớp Si loại p) Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 27 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc B5 : Tạo dây nối cách bay Al chân khơng sau sử dụng mặt nạ quang khắc (mask 2) B6 : Ăn mòn mặt sau mặt trước phương pháp DRIE để tạo dầm treo khối gia trọng (mask , mask 4) B7 : Loại bỏ lớp RIE Chân khơng (Glass) B8 : Đóng gói Các mặt nạ sử dụng : Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 28 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Mask Mask Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm Mask Mask4 29 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Chương Kết luận Về đề tài Nhóm nghiên cứu, tính tốn, mơ xây dựng quy trình gia cơng cảm biến MEMS đo gia tốc, sử dụng hiệu ứng áp điện trở Một số thông số cảm biến: - Kích thước bao : 1500 * 1500 * 500 μm Dải gia tốc tịnh tiến : ± 10g Trong g gia tốc trọng trường = 9,8 m/s2 Dải gia tốc quay : ± 100000 rad/s2 Độ nhạy : Hướng phát triển : Với đặc tính quý độ nhạy cao, kích thước nhỏ, giá thành rẻ, … chắn sản phẩm cảm biến MEMS đo gia tốc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống, tham gia vào nhiều lĩnh vực quan trọng sức khỏe người, an tồn giao thơng, … Đồng thời tương lai hứa hẹn nhiều hướng nghiên cứu loại cảm biến này, để sản phẩm ngày tối ưu đóng góp nhiều cho đời sống Lời cảm ơn Qua trình làm tập lớn, chúng em có thêm hiều hiểu biết vi điện tử Mặc dù lần đầu tiếp xúc chúng em thấy lĩnh vực hay thực tế, tiềm phát triển tương lai lớn Tuy nhiên, nhiều hạn chế kiến thức thời gian nên làm không tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong thầy dẫn thêm để chúng em học hỏi Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Phạm Hồng Phúc hướng dẫn giúp đỡ tận tình chúng em hồn thành tập lớn Thiết kế hệ thống vi điện tử - Nhóm 30 ... Kinh Trung Quốc Cấu tr? ?c gia tốc kế bao gồm khối gia tr? ??ng, tám dầm khung Các bề mặt dầm, khối gia tr? ??ng khung nằm mặt phẳng Có hai dầm hình chữ nhật song song bên khối gia tr? ??ng Khối gia tr? ??ng treo... khối gia tr? ??ng, cách phổ biến dùng đo khoảng cách dịch chuyển khối gia tr? ??ng tương tự khối gia tr? ??ng treo lị xo Một hệ thống lị xo - gia tr? ??ng vẽ hình Hình Sơ đồ hệ lị xo – gia tr? ??ng Cấu tr? ?c... quy tr? ?nh gia cơng cảm biến MEMS đo gia tốc, sử dụng hiệu ứng áp điện tr? ?? Một số thông số cảm biến: - Kích thước bao : 1500 * 1500 * 500 μm Dải gia tốc tịnh tiến : ± 10g Trong g gia tốc tr? ??ng tr? ?ờng